熊猫的拇指
那些有趣的生命现象和生物进化的故事

田洺/译
（美国）S．J．古尔德/著

海南出版社

献给：

我小学的三位杰出和善良的老师——
杰纳蒂·迈克英纳尼、艾斯特·庞蒂、雷恩·斯塔克。

教师……的影响是长久的。

——亨利·亚当斯

目录

译者序　有趣的生物故事

自序　奇妙而不可预测的生命

第一部分　完美与不完美：有关熊猫拇指的三部曲

1　熊猫的拇指

2　无使用意义的历史标记

3　双重麻烦

第二部分　关于达尔文

4　自然选择与人类的脑：达尔文与华莱士

5　达尔文的中间道路

6　未生先死，或一种螨虫的西面颂

7　拉马克的影子

8　相互关心的群体与自私的基因

第三部分　人类的进化

9　从生物学的角度向米老鼠致敬

10　辟尔唐人回顾

11　我们进化中最伟大的一步

12　生命中间

第四部分　人类差异的科学与政治学

13　硕大的脑袋，狭小的心灵

14　女人的脑

15　唐式综合征

16　维多利亚时代面纱下的瑕疵

第五部分　变化的节奏

17　进化变化的幕式性

18　有希望畸形的归来

19　关于贫瘠地的著名争论

20　帘蛤是帘蛤

第六部分　早期生命

21　初始

22　老疯子伦道夫·柯克帕特里克

23　深海虫与始动物

24　我们的祖先是一个海绵细胞吗

第七部分　它们曾被蔑视和抛弃

25　恐龙愚蠢吗

26　泄露内情的如愿骨

27　自然中奇特的伴侣

28　为有袋类申辩

第八部分　大小与时间

29　我们的命数已定

30　自然的吸引：细菌、鸟和蜂

31　时间的漫长

参考文献

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译者序
有趣的生物故事

《熊猫的拇指》是古尔德“自然史沉思录”系列中的第二部，第一部《自达尔文以来》最初由生活·读书·新知三联书店出版。在这部书中，古尔德秉承了他上一部书的风格，但向我们讲述的自然故事却不同。

利用自然现象进行说教的传统源远流长。东西方文化中都不乏由自然现象引发的对人生遭际的感叹和对人的风骨的联想。在我国的古代文献中，这样的例子比比皆是，像《诗经·豳风·鸱鸮》《庄子·逍遥游》《楚辞·橘颂》等。

早在古希腊时期，西方的一些博物学家就承担起借助自然进行说教的角色（博物学研究的是生物以及与生物相关的环境因素的学科，随着生物学的发展，它被分解为生物学的许多分支和一些地球科学的分支）。亚里士多德由生物的构造进一步说明了构成宇宙及社会的四因（质料因、形式因、动力因、目的因，参见亚里士多德《动物四篇》构造I），发现了冷与热、干与湿的普遍性。古罗马时期的大博物学家大普林尼在《博物学》一书中，讲述了人类从自然的和谐中得出的启示，讲述了自然的怪异和紊乱对人生动荡的昭示，颇像我国古典小说《三国演义》开篇的讲述形式。当然，西方古代这方面的著述中，我们最容易想到的就是《伊索寓言》。不过，《伊索寓言》还不能算是严格意义上的自然故事，它把动物拟人化，甚至赋予动物许多本来没有的特性。

即使在中世纪，在此岸和世俗的生活受到极大抑制的时期，人们也希望能从对自然的描述中体会到生命的气息。为了迎合人们的这种兴趣，为了更有效地传播福音，中世纪产生出一种新的文学体裁——动物寓言集。在这类作品中，作者通过一个又一个有关动物行为、习性的小故事，来说明上帝的存在、万能和仁慈。

到了科学革命时期，这种通过自然现象说明上帝存在的传统不仅没有削弱，反而得到了加强。艾萨克·牛顿和约翰·雷是科学革命时期著名的科学家，同时他们也是自然神学的倡导者，自然神学旨在调和科学与宗教。达尔文进化理论提出之前和之后，产生了许多更加系统地利用自然进行说教的博物学著作，其中既有完全从自然神学角度出发的论著，如英国人佩利的《自然神学》和怀特的《索尔本的自然史》（这两部书对达尔文的影响很大），又有宗教色彩稀淡的著述，如法国人布丰的大部头著作《自然史》以及时下在我国重新被炒热的法布尔的《昆虫记》。（我举这两个例子并不暗示当时英法在自然观上有本质的区别，自然神学的倡导者中不乏出色的博物学家。另外，直到达尔文的《物种起源》发表后，才出现彻底摆脱神学影响的博物学。）达尔文也写过类似于动物寓言集那样的书籍，如《兰花的传粉》和《食虫植物》等。不过，他不再需要说明什么神学观点，他通过种种奇特的生命现象，向我们讲述着生命的进化和进化的机制。

值得指出的是，无论是出于什么原因，博物学的传统，从古希腊开始，几乎没有间断地流传了下来。博物学在普及自然知识、倡导热爱自然、丰富人们的精神生活方面的积极作用自不待言。更重要的是，博物学所特有的从联系和全面的角度看待自然现象、看待生命，从表面的现象中发现带有普适性意义的方式和视角，在今天有着特殊的意义，有助于我们更合理地理解自然，理解我们人类在自然中的位置，更健康地利用自然，为了人类的长期发展珍惜和保持自然的和谐。按照当今著名的进化论者、科学史学家和科学哲学家，同时也是古典博物学传统的捍卫者恩斯特·迈尔的话说，博物学的目的就是要从“自然现象中发现意义”。20世纪的一些著名的生物学家，如英国的理论系统分类学家J.赫胥黎，遗传学家J.B.S.霍尔丹，苏联的分类学家和遗传学家S.契特维里柯夫，美国的遗传学家H.J.穆勒、遗传学家T.H.杜布赞斯基、古生物学家G.G.辛普森，以及社会生物学的创始人之一、昆虫学家E.O.威尔逊等，都自觉地倡导和继承了博物学的传统，并坚持更全面地研究生物。

本书作者斯蒂芬·杰·古尔德也是这样的学者。他的研究领域涵盖很广，包括进化理论、二叠纪灭绝、幼态持续、异速生长、发育的遗传调控、蜗牛的自然史、寒武纪大爆发，以及科学史、科学种族主义等（他在“自然史沉思录”的很多随笔中谈论的都是他研究的问题）。同时，他还在哈佛讲授地质学、科学史和进化生物学，最近几年，他开设的一门课程就叫作“自然史”（在英文中，“自然史”和“博物学”是同一个词）。古尔德扎实的科学功底和广博的社科、人文及文学知识，以及他聪颖的天资、异常的勤奋和从周围日常生活及流行文化中发现人们熟视的现象而无睹的内涵的机敏，使他不仅跻身于当今世界一流科学家的行列，而且成为与理查德·道金斯、卡尔·萨根、丹尼尔·丹尼特、贾里德·戴蒙德齐名的世界著名的学者型科普作家。他的学术论文被学界引用的频率相当高，同时他的科普书籍又常常上英美畅销书的排行榜。

古尔德的“自然史沉思录”继承了西方博物学的传统，并且有所发展。他像中世纪动物寓言集的作者一样，给我们讲述了许多有趣的生物故事，如这本书中的绿龟的迁徙（文章2 ）、螨虫的生命史（文章6 ）、渡渡鸟与大头树（文章27 ），以及人类研究自然的故事，如伪造的辟尔唐人（文章10 ）、错误地以脑的大小来衡量人的智力（文章13 和14 ）、为了理论的需要而臆想出不存在的生物和自然现象（文章22 和23 ）。同时他又像达尔文一样，用进化论做主线，把分离的生命现象联系了起来。然而，古尔德在书中所进行的理论概括和表达的情感关怀更广泛，不仅有进化论，而且有理性的人生观和科学观，不仅有对人类的存在和未来的慨叹，而且有从生物的历史和宇宙的演变中引发的幽思，从而使我们通过阅读他讲述的那些有趣的生命现象和科学进程的故事，在感情上和思想上享受了沐浴和抬升。在今天阅读这类带有人文知识和人道主义情怀的书籍，对于我们的修养尤为必要。从这样的作品中，我们可以学到我们专业以外（或以内）的科学知识，可以随着作者的引导，在西方文化中徜徉，可以从自然的变迁和科学研究的起伏中经历情感的跌宕。

我之所以对古尔德的作品有所偏爱，也很希望把他的书翻译过来，让更多的人欣赏，正是由于他的书中含有多种魅力。当然，没有同仁和师友的帮助，这部《熊猫的拇指》不可能顺利出版。我首先要感谢三联书店的总经理董秀玉女士、这部书的责任编辑夏谦先生，他们为这部书的出版，付出了很大的、非功利的努力；感谢三联书店的编辑王鸿良先生，他对译稿做过修改，并提出过书面的修改意见，我们未曾见面，所以我更愿意借此机会，表达对他的认真和博学的钦佩；感谢邓雅硕女士，书中的许多文学段落都经过她的修饰，从而克服了原来翻译中的死板；感谢胡志强先生，一些句子的翻译曾得到过他的指教；感谢胡志坚先生和郭哲先生，他们对于文稿的打印提供了无私的帮助。

由于译者的学力和笔力不逮，也许不能充分表达出古尔德作品的原汁原味，在这里恳请读者批评指正。

自序
奇妙而不可预测的生命

E.B.威尔逊在他的经典著作《细胞的发育和遗传》的扉页上，题上了一句普林尼的格言。普林尼是一位伟大的博物学家，公元79年，他在乘船穿过那不勒斯湾，打算研究维苏威火山的喷发时，死于途中。他和庞培城的居民都因一种气体窒息而死。普林尼写道：“从大自然最小的生命中更能窥见自然的全貌。”当然，威尔逊借用普林尼的话赞美的是生物的微小结构。普林尼说那句话时，想到的是生物。

普林尼的话抓住了我对自然史着迷的本质。按照旧习陈规（通常这并不是神化式的看法），自然史的文章仅限于描述动物的独特性，诸如海狸奇妙的生活方式，或者雄蜘蛛如何为雌蜘蛛编织柔软的蛛网。这种描述当然令人欣喜，谁又能否认这点呢？但是我们希望从一种生物中了解的东西远不止这些。每一种生物都会给我们教益，如果我们能够学会阐明生物的形态和行为，我们便可以发现其中蕴含的普遍性信息。这种教授的语言就是进化论。我们想要从生物中得到的，既有欣喜的感受，又有明晰的理解。

我很幸运能在进化论中徜徉，在整个科学领域中，进化论是最激动人心、最重要的理论之一。我很小的时候没有听说过进化论，我只是敬畏恐龙。我那时以为古生物学家一生的工作就是挖出骨头，并把骨头拼在一起，他们从不探讨像生物之间相互关系这类重大问题。后来，我发现了进化论。自那时起，自然史的双重性——对丰富的个体特征的描述和对基本的潜在统一性的解释——便激励了我。

进化论之所以使许多人着迷，我想是由于这个理论的三个特点。首先，根据现在发展的状况看，进化论的证明令人非常满意和信服，同时还有大量的宝藏没有挖掘出来。其次，进化论是一门覆盖极其广泛的学科，既是涉及永恒、定量等带有普遍原则的科学，又与历史的独特性直接相关。因此，在进化论的研究中，可以容纳各种风格和个性。有的人在这个领域探讨纯粹抽象的问题（群体增长规律和DNA结构），有的人则揭示非常独特的棘手问题（霸王龙用弱小的前肢做什么）。第三，进化论与我们的整个生活息息相关，因为我们总会关心一些重大的谱系问题：我们来自何方？这又意味着什么？当然，这个理论还涉及形形色色的生物，仅描述过的物种就已经超过了百万种，小到细菌，大到蓝鲸，还有大量的甲虫，每一种生物都有它的故事。

这些文章涉及的现象很广，从生命的起源，到乔治·居维叶的脑，到尚未出生就死去的螨虫。我希望通过将这些文章集中在进化论上，通过强调达尔文的思想和影响，从而避免文集中常见的冗长和凌乱。正如我在前一部文集《自达尔文以来》的序言中所说：“我不是博物学家，倒像是一个商人。我所知道的行星和政治的知识都与进化有关。”

我打算通过把这些文章组织为八个部分，从而将它们组合为一个统一的整体。第一部分论述熊猫、海龟和鱼，说明为什么我们确信发生过进化。论据建立在一个悖论上：进化的证据来自历史所揭示的一些不完美性。接下来的部分像是一个总汇三明治——三个部分涉及了进化自然史研究中的主题（达尔文的理论和适应的含义、进化的节奏和模式，以及身体的大小和时间按比例调整），这三个部分之间各夹着两个部分（第三和第四部分、第六和第七部分），涉及一些生物及其历史的独特性。（如果有谁对这个三明治比喻较真，并将七个部分分成面包和馅儿的话，我不在意。）我在这块三明治上放了一些牙签——每一部分都有一些附带的论题，意图是抨击一些传统上认为想当然的观念，例如，为什么科学肯定是根植在一定的文化中，为什么达尔文揭示出来的并非人们所期待的大自然天生具有和谐或进步。但是每一次抨击都有明确的结果。我们通过对文化偏见的理解，有助于把科学看作受外界影响的人类活动，与人类其他的创造性活动差不多。我们放弃可以从自然中被动地得出生活的意义这个希望，会促进我们从人类自身中寻找生活意义的答案。

这些文章最初发表在《自然史》杂志中我的专栏《这种生命观》上，现在略做编辑修改，加上了少量的附言：关于泰依亚可能卷入辟尔唐人骗局中的另外证据（文章10 ）；一封J哈伦·布雷兹（J后没有句点，写错了他会生气的）写的信，他都96岁了，可是还好争论（文章19 ）；来自南半球的证据证实有关细菌中存在磁体的解释（文章30 ）。我感谢埃德·巴伯，他劝我放弃导致文章短命的念头；《自然史》杂志的主编艾伦·特奈斯和责任编辑弗洛伦斯·埃德尔斯坦在理顺句子和观点及改进标题上给予了我极大的帮助。有4篇文章仰仗同仁的好心帮助：卡洛琳·弗洛占-洛班使我了解了唐恩医生，她送给我唐恩医生的晦涩文章，并与我通信交流见解（文章15 ）；恩斯特·迈尔许多年来一直竭力主张民间分类学的重要性，他手头上有大量的参考文献（文章20 ）；吉姆·肯尼迪让我了解了柯克帕特里克的工作（文章22 ）。此外，还有许多人的默默帮助难以说清。弗兰克尔主动给我写了一封长达4页的信，就他感兴趣的细菌磁性的物理惰性做了清晰的阐释（文章30 ）。同事们的慷慨帮助一直令我欣悦和愉快。还有上千个没有讲述的故事，它们并不亚于这里匆匆记下的一件件烦琐事情。我感谢弗兰克·萨洛维，他告诉了我关于达尔文与莺鸟的真实故事（文章5 ）；感谢黛安·保罗、马撒·登克拉、蒂姆·怀特、安迪·诺尔和卡尔·旺施，他们送给我有关的文献，提出了他们的见解，并做出了耐心解释。

幸运的是，我写这些文章时，正值进化论处于激动人心的时代。当我想到1910年的古生物学——那时，资料有余而观点不足，我就会感到今天从事古生物学的研究真是莫大的荣幸。

进化论的解释和影响正在全方位扩展。例如，当前在DNA的基本机制、胚胎学和行为学这些并不密切相关的领域中，取得了令人振奋的成就。现在，分子进化是羽翼已丰的学科，很可能会提出全新的观念（与自然选择不同的中性学说），并且解决自然史中的一些奥秘（见文章24 ）。同时，插入序列和跳跃基因的发现，揭示了新的遗传复杂性，其中肯定蕴含着进化的含义。三联密码只是一种机械式的语言，一定存在更高层次上的调控。倘若我们进而能够搞清楚多细胞生物胚胎生长中的复杂协调性是如何定时调控的，那么发育生物学就有可能将分子遗传学与生物自然史结合起来，形成统一的生命科学。亲选择理论已经非常成功地将达尔文主义的学说扩展到社会行为领域。不过，我们认为亲选择理论最热心的倡导者误解了解释的阶层体系性质，他们试图（超过类比允许的范围）将亲选择理论扩展到并不适用的人类文化领域（见文章7 和8 ）。

然而，达尔文的学说一方面在扩展影响，另一方面其中的一些假设却失去了价值，至少是失去了普适性。已经统治了30年的当代达尔文主义，即“现代综合论”，利用局部群体的适应基因替换的积累和扩大模式，来解释生命的整个历史。在小的局部群体的适应调节方面，这种模式可能是出色的经验性说明；生活在已经被工业污染熏黑的树上，并且作为可见度的选择回应，桦尺蠖飞蛾（Biston betularia ）的体色确实变黑了，而且的确是由于单个基因变化的积累。但是，仅仅将这个过程扩大到更多的基因和更大的效应，就能解释新物种的起源吗？主要谱系中大的进化趋势只是连续适应变化的不断积累吗？许多进化论者（包括我本人）已经开始对现代综合论发出了挑战。我们主张一种阶层体系的观点，认为不同层次的进化变化通常是由于不同种类的原因所致。群体内微小的调节可能是连续的、适应的，但是造成这种事件的原因却是染色体的明显改变，这种变化导致某一物种与其他物种之间的不育，不过原因可能与适应无关。进化趋向可能代表了一种更高层次的选择作用于本质上静止的物种本身，而不是由于单一的大群体经过说不清多少年的缓慢、稳定的积累。

在现代综合论之前，许多生物学家〔见参考文献中贝特森（Bateson），1922〕表示过迷茫和沮丧，因为提出不同层次的进化机制显然会造成太多的困难，妨碍科学的统一。在现代综合论之后，有一种观点（那些缺乏思想的追溯者将其视为教条）传播开来，认为所有的进化都可以还原为达尔文式局部群体的适应变化。我认为，我们现在正在探寻一条富有成果的途径，这条途径介于贝特森时代的迷茫与现代综合论观点的局限性之间。现代综合论的观点适宜一定的领域，但是在进化的更高阶层系统领域，达尔文式的突变和选择可能以截然不同的方式在起作用。我想我们可能希望存在因果动因的一致性，即希望存在一种含有达尔文主义内核的普遍性理论。但是，我们必须考虑到，面对机制的多样性，用适合较低层次的适应基因的替换，根本无法解释更高层次的现象。

造成进化理论蓬勃发展的基础就在于大自然具有无与伦比的复杂性。生物不是台球，不是在可以测量的简单外力作用下，就可以到达生命台球桌上预定的新位置。极为复杂的系统都有非常丰富的内涵。任何生物都有其历史，生物的历史以多种方式微妙地限定了生物的未来（见第一部分的文章）。面对施加在基本结构上的各种自然选择压力，生物以形态的复杂性所具备的大量功能来回应（见文章4 ）。基本上不为我们了解的生物胚胎固有的发育途径，保证了简单的输入（例如定时性的微小变化），就可以转化为输出（生物成体）的令人惊奇的明显变化（见文章18 ）。

达尔文在结束他那本著作时，利用了一个令人难忘的比较来表述生物的丰富性。他比较了只产生无休止固定循环的行星运动系统与产生奇妙而不可预测的变化的生命：

认为生命及其若干能力原来是被注入少数类型或一个类型中的，而且认为在这个行星按照引力的既定法则继续运行的时候，最美丽的和最奇异的类型从如此简单的始端，过去、曾经而且还在进化着，这种生命观是极其壮丽的。 [1]

[1] 参见《物种起源》中译本，周建人等译，商务印书馆，1995年，557页。译文略有修改。——译注

第一部分
完美与不完美：有关熊猫拇指的三部曲

·熊猫的拇指

·无使用意义的历史标记

·双重麻烦

1
熊猫的拇指

英雄对自己的生命都很珍惜，然而胜利经常无情地招致毁灭。亚历山大因为没有新的世界去征服而悲伤；拿破仑的结局更糟，他的厄运在俄国的寒冬便注定了。不过，达尔文在《物种起源》（1859）发表后，并没有随即对自然选择做出一般性的维护，而且也没有立刻将自然选择理论明白地运用到人类的进化上（他一直等到1871年才出版《人类的由来》）。相反，他写了一部非常晦涩的著作，书名为《论英国和外国的兰花借助于昆虫传粉的种种技巧，并兼论杂交的优良作用》 [1] （1862）。

达尔文经常涉足自然史上的细枝末节，他写过论述藤壶分类的专著，写过一部论攀缘植物的书，以及一部论蚯蚓形成腐殖质土壤的论著。为此，有人将他视为陈腐过时的只是描述奇妙动植物的人。这样的人有时也可以幸运地得出一知半解，然而，在过去的20年，达尔文的研究热从根本上抛弃了这种神话（见文章2 ）。在此之前，有一位著名的学者，在谈到达尔文时，说他是个“思想贫乏的人……不是伟大的思想家”，他的话是对同行的误导。

事实上，达尔文的每一部书都是他毕生研究的辉煌而连贯方案中的一个组成部分。达尔文并非单纯为了研究兰花而研究兰花。加利福尼亚的生物学家迈克尔·吉色林不厌其烦地通读了达尔文的所有著作（见吉色林《达尔文方法的胜利》），他正确地发现，达尔文关于兰花的论著是支持进化论的一个重要插曲。

达尔文关于兰花的书的开头就有一个重要的进化前提：对于长期生存来说，自花授粉是一个糟糕的策略，因为这样后代只携带单亲的基因，于是，当面临环境变化时，群体无法保持进化易变性所需的足够变异。所以，植物开的花中既有雄的部分，又有雌的部分，这样的花通常进化出一定的机制，以确保异花授粉。兰花与昆虫形成联盟。兰花进化出了各种令人吃惊的“计谋”来勾引昆虫，以保证具有黏性的花粉附着在造访者身上，并保证这只昆虫吸附上的花粉与其造访的其他兰花的雌性部分接触。

达尔文在书中列举了这些计谋。这是一部相当于动物寓言集的植物寓言集。而且像中世纪的动物寓言集一样，达尔文写兰花书的意图就是为了教化。其中的信息虽然是悖论的，但是并不很深奥。兰花利用一般花的普通成分建构了复杂的装置，其中有的部分通常适应不同的功能。假如上帝设计一个完美的机器以反映他的智慧与力量的话，他大概不会将最初用于其他目的的部分收集起来。兰花并不是由一个理想的工程师制造出来的，兰花是由有限的现成部分临时组装而成。所以，兰花肯定是由普通的花进化来的。

所以，这个三部曲论述的共同主题就是关于这个悖论：我们的教科书喜欢用最出色的生物式样做例子来说明进化的发生，例如蝴蝶几乎完美地模仿干枯的叶子，或者一个柔弱的物种模仿有毒的亲戚。但是，理想的生物式样仅仅是证明进化的蹩脚例证，因为也可以认为生物的模仿是假定的万能造物主的作用。生物奇妙的安排与有趣的解决办法才是更能证明进化的例证，明智的上帝不会选择这些途径，但这些途径却是自然的过程，受到历史的限制，接下来的则是不得已的途径。达尔文最理解这一点。恩斯特·迈尔曾经指出，达尔文为了捍卫进化论，一直关注那些看起来不可思议的有机部分和地理分布。于是，我想到了大熊猫及其“拇指”。

大熊猫是特殊的熊，属于食肉目。在这个目中，大多数常见的熊是杂食性动物，但熊猫却不是，熊猫的进食与这个目的名称不符，因为熊猫几乎只吃竹子。熊猫生活在中国西部高海拔山区的茂密竹林中。它们生活在那里，没有捕食者的侵扰，每天用10～12个小时嚼竹子。

我很小的时候就喜欢熊猫安迪 [2] ，曾经在一次县镇集市上幸运地击倒一些奶瓶，而获得熊猫充填玩具。我很高兴与中国关系解冻初期的成果不止有乒乓球的交流，而且还有向华盛顿动物园送来的两只大熊猫。我好奇地去看熊猫。它们一会儿打哈欠，一会儿伸懒腰，一会儿散步，但是几乎无时不在吃它们钟爱的竹子。它们坐着，用前爪握住竹竿，捋下叶子，它们只吃嫩芽。

熊猫的手灵巧得令我震惊，我奇怪为什么一个适于奔跑的后代可以如此灵巧地使用手。它们用爪子抓住竹竿，用明显可以活动的拇指与其他手指顺着竹竿捋下叶子。这一点使我迷惑不解。我已经学到，灵活的拇指与其他手指相对是我们人类成功的标志之一。我们不仅保持而且发展了我们灵长类祖先手的灵活性，而多数哺乳动物的指都特化了。食肉动物的指可用于奔跑、戳、抓。我家的猫可以乱抓乱挠使我心烦，但它绝不会打字或弹钢琴。

当我数熊猫的其他手指时，我感到很吃惊，熊猫除拇指外还有五个指，而不是四个。“拇指”是另外进化来的第六指吗？幸好有一部关于熊猫的经典著作，是芝加哥野外自然博物馆脊椎动物解剖学部的前任主任德怀特·戴维斯博士的专著，书中所含的熊猫知识多得超出人们的想象。当然，戴维斯对各种问题都做了解答。

D.L.克雷默从解剖学上看，熊猫的“拇指”根本就不是手指。熊猫的拇指由桡籽骨构成，籽骨是腕中的小块骨。熊猫的桡籽骨增长了许多，其长度与真正的掌跖骨差不多。桡籽骨支撑熊猫前爪的肉垫。五个指形成另一个肉垫的轮廓，即形成掌。两个肉垫之间有一个不深的凹槽，可用作抓握竹竿的沟槽。

熊猫的拇指不仅有一块骨头来增加力度，而且还有一些肌肉来保持灵活性。这些肌肉，像桡籽骨一样，从一开始就存在。如同达尔文讨论过的兰花一样，它们是重新改型后用于新功能的解剖结构。桡籽骨内收肌（牵拉桡籽骨与真正指分开的肌肉）有一个拗口的名字，“拇指长内收肌”。这个名称已经不用了。在其他食肉类中，这块肌肉牵拉第一指，即牵拉真正的拇指。在桡籽骨与真正的指之间，伸展着两块肌肉，它们把桡籽骨“拇指”拉向真正的指。

D.L.克雷默

从其他食肉动物的解剖结构中，我们可以找到熊猫的这种奇特构造的线索吗？戴维斯指出，大熊猫最近的亲戚，普通的熊和浣熊，比其他食肉动物更经常地使用前肢来抓握物体。请原谅我使用了一个溯源的比喻，熊猫要感谢它们祖先使用后肢站立，从而进化出极大的进食灵活性。而且，普通熊的籽骨已经扩大了一些。

在多数食肉动物中作为牵拉桡籽骨的肌肉，熊猫只用来连接真正拇指的基部。但是普通熊的长内收肌连接在两个腱上，其中一个腱像多数食肉动物的一样，陷在拇指的基部，另一个腱连在桡籽骨上。在熊的前爪上，这两块较短的肌肉也部分连接在放射籽骨上。戴维斯总结道：“因此，活动这一构造（功能全新的指）的肌肉系统无须根本性的改变，因为在熊猫最近的亲戚的爪中，条件已经具备。而且，熊猫前爪的肌肉系统改变的事件顺序，只不过是这块籽骨在解剖结构上的肥大。”

熊猫的桡籽骨拇指是一个复杂的结构，是通过一块骨头的增大和肌肉系统极大的重新排列形成的。然而，戴维斯认为，熊猫“拇指”的产生是对桡籽骨本身增大的机械反应，肌肉的移位是由于增大的籽骨使它们在原来的位置无法再变长。而且，戴维斯认为，增大的桡籽骨可能是由于遗传的变化产生的，或许是某个单一突变影响了生长的定时性和速度。

在熊猫的脚上，与桡籽骨相对应的部分叫胫籽骨，胫籽骨也增大了，但不像桡籽骨增加得那么明显，不过胫籽骨并不支撑新的趾，而且，就我们所知，胫籽骨的增加并没有什么优势。戴维斯认为，作为对自然选择作用于单一籽骨的回应，桡籽骨与胫籽骨协调地增长，这大概反映的是同一种遗传变化。身体的重复部分，并非由不同的基因作用产生的，就是说，并非产生拇指的是一个基因，产生大脚趾的是另一个基因，产生小指的又是一个基因。在发育中重复部分是协调的，选择造成的一个部分的改变会在另一个部分引起相应的变化。增加大拇指而不改变大脚趾，在遗传上这比两者都增大要复杂得多。（在第一种情况中，一般的协调性就会中止，拇指独立增大，并且会中止增加相关的部分；在第二种情况中，单个的基因可能在调节对应指趾的发育中，增加某一个区域的生长速度。）

相应于达尔文论述的兰花，熊猫的拇指属于动物上的精巧结构。一个工程师的最好解决办法却被历史摈弃了。熊猫真正的拇指具有其他的作用，但是对于一种功能来说，又特化了，以至于不能成为与其他指相对的、可以抓握的指。所以，熊猫必须使用手的其他部分，不得已而使用的便是腕骨的增大部分，这样尽管有些笨拙，但不失为一种可行的解决办法。在工程师大赛中，籽骨拇指只不过是一个小把戏，根本算不上一个智谋。但是籽骨可以行使其功能，可以启迪我们浮想联翩，因为籽骨拇指建立在一个不适应的基础上。

达尔文关于兰花的书中充满了类似的说明。例如沼泽火烧兰属利用唇瓣（一片增大的花瓣）做陷阱。唇瓣分成两个部分。一个部分靠近花基部，形成一个装满花蜜的大杯子，花蜜是昆虫造访的目标；另一个部分靠近花的边缘，形状像一个码头。当一只昆虫轻轻落到“跑道”上时，便压下了“跑道”，这样就可以进入到装满花蜜的“杯”中。昆虫进入杯中之后，具有弹性的“跑道”很快又卷起，套中了进入花蜜“杯”中的昆虫。昆虫要想退出去，必须经过唯一的出口，这样它身上必定要粘上许多花粉。一个令人惊奇的构造，但却是由普通的花瓣发展来的，这样的花瓣在兰花的祖先中很常见。

达尔文还说明了在其他兰花中花瓣如何进化出一系列精巧的装置，以确保异花授粉。花瓣可以发展成为复杂的卷曲状，迫使昆虫的喙到处搜索，粘上许多花粉后才能接触到花蜜。花瓣也可能是较深的管状形态，或导向式凸起，使昆虫既能接触到花蜜，又能接触到花粉。在某些情况下，管状花瓣形成洞，成为管状花。所有这些适应都是通过祖先类型中常见的花瓣部分建立的。然而，大自然的作为远比花瓣表现出的多得多，按照达尔文的话说，“方式的多样性是为了达到极为相同的目的，即为了使这个植物上的花接受到另一个植株上花的花粉”。

a. 昆虫落下后，唇瓣的“跑道”被压下。——D.L.克雷默

b. 昆虫爬进杯底后，唇瓣的“跑道”抬起。——D.L.克雷默

从达尔文对生物形态的比喻中，反映出他对于进化可以用如此有限的原材料产生出如此丰富多彩的世界而感到的惊奇：

虽然，一个器官也许本来不曾为某种专门的目的而形成，但是，假如它现在为这个结果服务，则可以正当地认为它是专门适应这一新目的的。同样的原理，假如一个人为某种专门目的而创造出一架机器，但是使用旧轮子、旧弹簧和旧滑轮，而只稍稍改变一下，则整个机器，包括其所有部件便可以说是为现在的目的而专门设计的。因此，在整个自然界中，几乎每种生物的每个组成部分，在一个稍微改变了的状态下，可能已服务于不同的目的，并且，该部分曾经在许多古老和不同的特定类型中，作为生存手段而起过作用。 [3]

我们对于整修轮子和滑轮的比喻可能并不满意，但我们又能如何做呢？按照生物学家弗朗索瓦·雅各的话说，大自然是出色的修补匠，而不是高超的发明者。再者，由谁来判断这些典型技巧的优劣呢？

2
无使用意义的历史标记

语词的词形变化若不适合现在的含义，那么便可以从中看出语词的历史线索，因此，我们猜想“emolument”（好处、利益、报酬、津贴）这个词曾经是指付给当地磨坊主的费用，而“disaster”（灾难）这个词曾经用来诅咒不吉祥的星星。

进化论者一直将语言学的变化视为富有类比意义的领域。查尔斯·达尔文在主张用进化论来解释人的阑尾和须鲸的牙齿等退化结构时，写道：“可以把痕迹器官比作一个字中的字母，拼写仍然保持，发音却已无用，但是可以用作探讨那个字演变的线索。”不仅生物在进化，语言也在进化。

表面上看，这篇文章有许多奇妙的事实，但它却真正是一篇关于方法的抽象论文，或者说论述的是一种特殊的方法。科学家们广泛采用了这种方法，却未能真正认识它。按照刻板的想象，科学家仰仗的是实验和逻辑。一个中年白领男人（这最刻板，还是性别歧视者），要么害羞而且沉默，但是具有追求真理的内在热情，要么活跃而且乖僻，他把化学物质放到烧瓶中，等待着结果。按照这种看法，科学的方法就是：假说、预想、实验，然后便有了答案。

但是，许多科学家并不是，也不可能是这样工作的。作为一名古生物学家和进化生物学家，我的工作是重建历史。历史既独特又复杂，不可能在烧瓶中把历史再造出来。研究历史的科学家，尤其是研究在人类和地质编年史文献中没有记载的古老而且不可观察的历史的科学家，必然更依靠推断的方法，而不是实验的方法。他们必须检查历史过程的现代结果，并且试图重建从古代导致当代的语词、生物或地貌的路径。一旦发现这样的路径，我们才有可能明确说明历史的沿革之所以是此路而非彼路的原因。但是我们怎么能从现代的结果中推出沿革的路径呢？尤其是，我们怎么能知道有这么一条路径呢？我们怎么能知道现代的结果是历史变化的产物，还是静止宇宙中不变的产物呢？

这正是达尔文曾经面临过的问题，那些反对他的特创论者认为，物种自形成以来便没有变化。达尔文如何证实现代的物种是历史的产物？我们也许会认为他会侧重于那些令人难忘的进化结果，诸如生物对环境的复杂而完美的适应：外形像枯叶的蝴蝶、体色如树枝的麻 [4] 、具有超凡飞翔能力的鸥鸟，或大海中的金枪鱼。

然而，异乎寻常的是，他的做法正好相反，他探讨一种奇特而不完美的现象。鸥鸟的式样是个奇迹。假如一个人事先便相信进化的发生，那么鸥鸟翅的构造反映的便是自然选择的定型能力。但是，你不可能利用完美性来证明进化，因为完美无须历史。总之，长期以来，生物式样的完美性是特创论者喜欢的论据，它们认为这种完美性所体现出的是一个神圣建造者完美无缺的设计和制造。鸟的翅膀，作为空气动力学的奇迹，可能在创造时就是我们今天看到的那个样子。

但是，达尔文认为，假如生物有历史，那么古老的阶段应该留下痕迹。站在现在的角度看，过去的痕迹没有什么意义，没有什么用途，古老、奇特、不适应，但是它们却是历史的标记。它们提供了证据，表明生物当初生活的世界与现在的不一样。生物随着历史的演替，不断走向完美，过去的一些踪迹便被掩盖了。

为什么字面上指的是一个专门领域货币赔偿的语词完全不用了？这个词曾经一度只和磨研及谷物有关。以及为什么鲸的胚胎在母体的子宫时长有牙齿，后来又吸收了这些牙齿，并且一生中只用须作为筛选磷虾的过滤器，而它的祖先则具有功能性的牙，这些牙只是在无妨碍的阶段作为痕迹器官保留了下来？

最令达尔文高兴的进化证据就是，几乎所有动物都存在痕迹或退化结构。正如他所说，“这种奇怪的部分，属于不再流通的邮票”。他继续道，“按照我的‘经过改变的继承’观点，痕迹器官的起源很简单”。它们只不过是无用的解剖结构，作为祖先的功能部分的痕迹保留了下来。

这是一个普适性的观点，适用的范围超出了痕迹器官和生物学，可以适用于任何历史科学。站在现在的角度看的古怪现象，却是历史的标记。在这个三部曲的第一篇文章中，我便以不同的内容提出同样的主题。熊猫的拇指之所以证明进化的发生，是因为这个拇指笨拙，并且是由奇怪的部分——腕上的籽骨构成的。在熊猫的祖先中，真正的拇指形状适宜奔跑和攀缘，不可能在后裔中变成相对的用于抓握竹子的形状。

上周，在思索一些非生物学的问题时，我感到奇怪，为什么老兵（veteran）和兽医（veterinarian）这两个意思完全不同的词，会有共同的拉丁文vetus（年老的）词根？对于这个奇特的现象，同样需要用谱系分析的方法来解决。“老兵”这个词没有问题，因为这个词的词根与现代的意思吻合，亦即其中不含历史的标记。“兽医”这个词则有点意思。城市居民一般认为兽医就是为他们宠爱的狗和猫治病的人。我忽略了本义上的兽医是为家畜治病的人（我想多数现代的兽医也从事这项工作，请原谅我这个纽约佬的褊狭）。“兽医”这个词与拉丁文“年老的”这个词相关联，是通过“役畜”一词——年老的、能负重的意思。牛，在拉丁文中就拼作veterinae 。

历史科学中的这个一般性的原则应该可以运用到地球科学的研究中。板块构造理论使我们重建了地球板块表面的历史。在过去的两亿年，单一的超大陆，即泛大陆，裂成几块，并扩散成为我们现在的大陆。泛大陆在2.25亿年前还是连为一体的。倘若现在看起来古怪的事情是历史的标记，那么，我们将今天动物的一些奇特的现象理解为是由于适应以前大陆的条件，这样是不是更合理一些？自然史上最大的难题和奇迹就是许多动物的迁徙要经过曲折而漫长的路线。一些漫长的迁徙看起来似乎是随着季节的变迁，是动物奔往适宜气候地区的直接路线。比较特殊的是每年冬天大型哺乳动物在佛罗里达州内的迁徙。但是其他动物从摄食地到繁殖地的迁徙要经过上千公里，即使其他适宜的地方就在附近，动物也照样准确无误地到达每年去的地区。根据古代大陆的位置，这些特殊的路径是否可能更短、更合理一些？世界研究绿龟的著名专家阿尔奇·卡尔就提出过这种看法。

有一种绿龟群体，海龟（Chelonia mydas ），筑巢和繁殖在大西洋中部的阿森松岛上。许多年以前为女皇陛下做汤的厨师和海军补给船发现并寻找过这种海龟（卡尔在阿森松给绿龟做了标记，后来在摄食地发现了那些海龟），这种海龟从巴西沿岸出发，游了3200公里才到达繁殖地，到达“离其他海岸有数百公里的针尖大的陆地”，这个地方“在海洋中仅露出一个小尖”。

海龟摄食地与繁殖地不同的原因很多。它们在有保障的浅水食场摄取海草，却在无遮掩的海岸繁殖，那里要有沙滩，最好是捕食者稀少的海岛。但是为什么要迁徙3200公里到一个大洋的中间，而很适宜的繁殖地就离得很近？（同一物种的另一个海龟群体在加勒比海的哥斯达黎加繁殖。）正如卡尔所说：“如果不是清楚地表明海龟的确是克服了航行的困难的话，那些困难几乎是不可克服的。”

卡尔推断，当两个最近才分开的大陆曾经很近，位于中间的大西洋显得很狭窄时，那么跋涉到大西洋中间的一个小岛的历程或许还是合理的。南美和非洲在大约8000万年前才分离，那时海龟属就生活在这一区域了。阿森松是和中大西洋脊相连的岛屿，中大西洋脊是一个线状带，地球内部的物质从这里涌出。涌出的物质常常堆得很高，形成岛屿。

冰岛是由大西洋脊形成的现存岛屿，在同一过程中，阿森松则是形成得比较小的岛屿。当岛屿在洋脊的一边形成后，地球内部涌出的物质将岛屿推远并扩散开来。这样，离脊越远的岛屿，存在的历史一般就越久。但是这些岛屿一般也更小一些，而且最终被淹没为水下的海底山，因为远离活跃的洋脊，就不可能得到新的物质补充。除非有珊瑚或其他生物的维持，否则岛屿最终要被大海的波涛所吞没。（随着这些岛屿从抬升的脊滑到海洋深处，岛屿看起来像是在逐渐下沉。）

因此，卡尔指出，在白垩纪晚期，阿森松岛绿龟从巴西游到距离很短的位于中大西洋脊的“前阿森松岛”。随着这个岛的移动、下沉，以及在洋脊形成新的岛屿，海龟游动的距离也越来越远。这个过程一直下去，很像慢跑者每天多跑一点，最后跑完一个马拉松历程一样，海龟的航程已经达到3200公里。〔这个从历史着眼的假说并未涉及另一个吸引人的问题，即海龟怎么能在蔚蓝的大海中找到这个地点，雏龟顺着赤道洋流漂到巴西，但是，它们怎么回到阿森松岛的？卡尔认为，海龟起程时靠的是天文信号，最后确定目的地靠的是在阿森松岛寻找踪迹时回忆起的“阿森松岛水”的特征（是味觉，还是嗅觉）。〕

卡尔的假说是利用奇特现象重建历史的杰出例子。我很想相信这个假说。我并不在意经验上的困难，因为那些困难不会使理论不合理。例如，我们能确信新的岛屿总能及时产生以代替旧的岛屿吗？因为即使只要在海龟的一代中缺少岛屿，海龟的整个迁徙体系就会瓦解。而且新的岛屿总能位于可以发现的途中吗？阿森松岛的历史不多于700万年。

使我愈加困惑的是一种理论上的困难。假如是整个海龟种都向阿森松岛迁徙，或者，假如一个物种中的相关类群都进行这种航行，那我不会有异议，因为行为可以像形态一样古老并遗传下去。但是，海龟种的生居地和繁殖地遍布全世界。阿森松岛海龟只是其中的一种类群。虽然在两亿年前，海龟属的远古祖先生活的时期，大西洋可能很小，但是地质记录中海龟属的历史不超过1500万年，而海龟种的生活历史大概更短。（化石记录虽然不是很准确，但足以表明生活历史超过千万年的脊椎动物很少。）按照卡尔的设想，最初航行到前阿森松岛的是海龟种很远的祖先（至少是不同的属）。一些成种事件将这种白垩纪祖先与现在的绿龟分开了。现在设想一下，假如卡尔是对的，那么发生过什么事。祖先种肯定分成若干繁殖群体，其中只有一个群体去了前阿森松岛。这个物种然后又进化成另一个物种，再经过许多进化阶段，从而与海龟种分开。在每一个阶段，阿森松岛的海龟群体都保持了完整性，经过一个又一个种，它们的迁徙方式变得与其他群体不同了。

但是，就我们所知，进化并不是这样的过程。新的物种产生于小的隔离群体，然后再散开。弥散种分离出的亚群体从一个种进化为另一个种，并且不是平行进行的。如果亚群体是分开繁殖的品系，那么，当它变化到一定程度，可以被视作新种时，它们以相同的途径进化并且能够相互配育的机会有多大？我认为海龟种像多数物种一样，在过去1000万年的某一时期，产生于小的区域，那时非洲与南美之间的距离比现在远。

在大陆漂移理论广泛流行前的1965年，卡尔提出了一种与众不同的理论，我认为这种解释有一定的说服力，因为这个解释推断出阿森松岛海龟群体是海龟种（C.mydas ）进化来的。他提出，阿森松岛海龟群体顺着赤道洋流从西非到达阿森松岛。（卡尔指出，另一种海龟，太平洋丽龟（Lepidochelys olivacea ），按照同样的路线到达南美定居。）雏龟然后按同样由东向西的洋流到达巴西。当然，是否回到阿森松岛是个问题，但是，海龟迁徙的机制很奇妙，我认为不是不可以料想的，无须首先具备来自前一代的遗传信息，海龟也能够深深铭记它们的出生地。

我不认为大陆漂移的证实是导致卡尔思想转变的唯一因素。他透露过之所以喜欢他那个新理论，是因为其中保持了科学家们普遍喜欢的一种基本风格（按照我的反传统观，这是不正确的）。根据卡尔新的理论，特定的通向阿森松岛的路径，是以一种合理的、可以预测的方式，一步接一步地逐渐进化而成的。根据他以前的理论，这个路径是偶然形成的，是历史的巧合所致，属于不可预测的异常现象。进化论者一般更喜欢非随机性的生物渐变理论。我认为这种看法来自西方哲学传统中的一种深深的偏见，不是对自然方式的反思（见第五部分的文章）。我把卡尔的新理论视为支持传统哲学的一个大胆假说。我认为，卡尔的理论是错的，但是我钦佩他的机智、努力和方法。因为他遵循了一种伟大的历史原则，利用特异现象作为变化的标记。

恐怕阿森松岛的海龟说明了历史科学的另一方面，这次不是解释的原则，而是解释上的无奈，利用结果不能清楚地说明原因。假如我们缺乏化石的直接证据，或者缺乏人类的编年史文献，假如我们不得不根据现存的结果推断一个过程，那样的话，我们就会陷入困境，或退而去猜想各种可能性。因为条条大路通罗马。

这一回该轮到海龟了，为什么不呢？当葡萄牙水手沿着非洲海岸航行时，海龟则径直游向大西洋中的一点。在世界最出色的科学家们几百年来一直在努力发明航海的工具时，海龟则依靠仰望天空来确定行程。

3
双重麻烦

大自然比我想象的还要频繁地证明艾萨克·沃尔顿 [5] 不过是位业余的钓鱼爱好者。这位特德·威廉姆斯之前最有名的垂钓者，在1654年这样描述他那得意的鱼饵：“我有一种人造的钓鱼饵……做得极为精致，而且非常有隐蔽性，可以蒙骗在急流中游动的任何敏锐的鲑鳟鱼。”

在我的前一部书《自达尔文以来》中，我在一篇文章里讲过珠蚌（lampsilis ）的故事，这种淡水蚌的背上负着一条诱饵“鱼”。这个杰出的饵鱼有一个流线型“身体”，边瓣冒充鱼的鳍和尾，还有眼点，因此更像鱼，边瓣甚至可以像游动的鱼那样做出有节奏的运动。这条“鱼”由蚌的卵带（作为身体）和外表皮（作为鳍和尾）构成，吸引着真正的鱼，蚌母亲将卵带中的幼体射向前来造访的鱼。因为珠蚌的幼体只能寄生在鱼鳃中生长，所以这条诱饵“鱼”确实是有用的构造。

最近，我惊异地获悉，并非只有珠蚌才这样。鱼类学家特德·皮施和戴维·格罗贝克发现了一种令人感到惊奇的菲律宾鱼（又叫琵琶鱼）的一个标本，这次发现并不是对野外坚韧不拔探索的一种回报，而是像许多科学的新发现一样，是在当地的水产品零售店找到的。（通常，在他乡异地从事科学发现的基础是识别力，而不是男子汉的胆识。）鱼的饵鱼是为了捕捉并吃掉其他的动物，而不是为了释放它们的幼体。鱼的口边有一根高度变形的鳍刺，上面嵌着一个合适的皮瓣。一些深海的物种，生活在光照射不到的黑暗世界中，鱼有自己的照明源，它们的皮瓣上聚集着可以发出磷光的细菌。生活在浅水的鱼，一般身体上色彩斑斓，还有一些隆起，看起来非常像带有海绵和藻类的岩石。它们栖居在海底，行动迟缓，摇晃着口边显眼的皮瓣。不同的物种，诱饵也不同，但很相似，不过一般都不太完美，通常是各种无脊椎动物，包括蠕虫和甲壳动物。

皮施和格罗贝克发现的鱼已经进化出一个鱼饵，和鱼很相似，就像珠蚌背上负着的那条鱼一样，每个细节都像鱼，而且鱼的饵更像鱼。（他们的报告有一个恰当的标题：《高明的垂钓者》 [6] ，并且引用了我在这篇文章的开头提到过的沃尔顿的那段话作为报告的引语。）这个精美的伪装也在恰当的地方有一个像眼点的东西，而且沿着身体的底部有扁的丝状物，像鱼的胸鳍和腹鳍，这种丝状物一直延伸到背部，像是背鳍和臀鳍，乃至延伸到身体的后侧，形成凸状物，看起来太像一条鱼尾了。皮施和格罗贝克得出结论：“这个诱饵简直就是一条鱼的精致复制品，很像生活在菲律宾地方的科类中的一个成员。” 鱼甚至可以使诱饵在水中扭动，“模仿鱼的侧游”。

乍一看，鱼和蚌的这种相同的诡计似乎证明了达尔文式的进化。倘若自然选择可以两次做同样的事情，那么它什么不能做呢？然而，我要继续前两篇文章的主题——完美性既可以成为进化论者的证据，同样也可以成为特创论者的论据——从而结束这个三部曲。赞美诗的作者不是说过“天堂昭示上帝的荣耀，苍穹体现上帝的造物”？我在前两篇中提出，不完美性证明了进化的发生，在这篇文章中，我要论述达尔文主义对完美性的看法。

鱼

——戴维·B.格罗贝克

比较难以解释的一个完美性问题是，不同的动物重复同样的完美。例如，在蚌的背上的鱼和鱼嘴上的另一条鱼。前者是由卵袋和外皮进化来的，后者则是由鳍刺进化来的，这就不只是双倍的麻烦了。要我维护两条“鱼”都是进化的产物并不难。在珠蚌中可以确定诱饵“鱼”的中间阶段系列。鱼的鳍刺做诱饵，恰好与熊猫的拇指和兰花的花瓣一样，反映出临时组装及利用构件原则，是对进化的强烈支持（见这个三部曲的第一部分文章），但是达尔文主义者要做的不只是证实进化，他们必须捍卫随机变异和自然选择机制是进化变化的最主要动因。

反达尔文主义的进化论者，总是喜欢用不同谱系中存在很相似适应的重复发展，作为论据，来反对达尔文主义者提出的进化是无计划、无方向的中心观点。假如不同的生物一再趋向相同的解决办法，难道这不表明进化的方向是预定的，而不是由于自然选择作用于随机变异而产生的吗？我们难道不应该认为重复的形态本身就是大量进化事件趋向于它的原因吗？

例如，阿瑟·柯依斯勒在好几本书中就是根据自己对达尔文主义的误解来反对达尔文主义的。他希望找到决定进化顺序的力量，这样便可以将进化限制在一定的方向内，从而消除自然选择的影响。一些谱系中出色式样的重复进化便成了他的观念的堡垒。他一再引用狼和“袋狼”有“几乎相同的颅骨”做例子。（袋狼是一种有袋类食肉动物，外表像狼，但是在谱系上则与毛鼻袋熊、袋鼠和树袋熊关系密切。）柯依斯勒在他的最后一部书《杰纳斯》中写道：“正如我们所看到的那样，单从一个狼种中就可以发现，用随机变异加自然选择来说明进化，有着无法克服的困难。狼在海岛和大陆分别进化的过程，更像是个奇迹。”

对于这种看法，达尔文主义者的反应就是断然拒绝，并且给出一种解释。先看一看拒绝的道理：高度趋同绝不等于完全相同。路易斯·多洛是著名的比利时古生物学家，死于1931年。他提出了一个被极大误解的原理，“进化的不可逆性”（即著名的多洛律）。某些视野狭隘的科学家认为，多洛在提倡存在一种神秘的定向力量，驱动着进化向前进行，决不退回一步。他们把多洛视为非达尔文主义者，认为他感到选择不能成为规则性的进化原因。

实际上，多洛是达尔文主义者，他感兴趣的是趋同问题，即不同谱系中的生物表现出类似适应的重复发展。他认为，基本的或然性就可以保证趋同绝不可能产生任何完全相同的东西。生物不可能抹去过去的痕迹。两个谱系的生物可能会发展出表面上明显的相似性，并适应相同的生命模式。但是生物含有非常多的复杂、特有的部分，根本不存在进化两次而导致一种完全相同结果的机会。进化不可逆，祖先的标记永远保持着，而且无论趋同给人留下多么深刻的印象，也总是表面上的。

我现在举出一个最令人惊奇的趋同例子：鱼龙。这种适应于海洋生活的爬行类，虽然祖先是陆生的，却很明显地趋同于鱼，它实际上已经在适当的部位进化出背鳍和尾，身体的构造和功能正好适应水中的生活。这些结构之所以显得很突出，因为它们是从无进化出来的。鱼龙的陆生祖先并没有背部隆起或尾的片状结构前体。然而，无论大体从构造和功能上，还是从细节上看，鱼龙都不是鱼。（例如，鱼龙的脊柱一直延伸到下尾叶，而在鱼的身体上，脊柱则延伸到上尾叶。）鱼龙依然是爬行类，它用肺和体表呼吸，它的鳍由变形的腿构成，而不是由鳍条构成。

柯依斯勒利用食肉动物讲述的是同样的故事。胎盘类狼和有袋类狼的结构和功能都很适合捕食，但是，没有哪个专家会不注意到它们颅骨的差异。外在的形态和功能的趋同抹不掉有袋动物的大量细小标记。

其次是解释：达尔文主义并非柯依斯勒想象的变化无常的理论。随机变异可能是变化的原材料，但是自然选择通过淘汰多数变异，同时接受和积累少量改善了的、适应局部环境的变异，来建立起有利的结构和功能。

明显趋同的基本原因很简单，只不过是通过某种方式使得在自然中扮演同样角色的生物具备了非常相似的形态和功能。哺乳类食肉动物必然能够奔跑，必然有尖爪利齿，它们不需要研磨用的臼齿，因为它们吞咽食物。有袋类狼和胎盘类狼都适于持久奔跑，有长而尖利的犬齿和退化的臼齿。陆生脊椎动物用肢行走，用尾平衡。游动的鱼用身体上的鳍平衡，用尾行走。鱼龙的生活像鱼，进化出宽型推进式尾（后来的鲸也是这样——不过鲸的水平状尾片上下摆动，而鱼和鱼龙的竖直状尾片则左右摆动）。

达西·温特沃斯·汤普森在1942年出版的论著《论生长与形式》中，对于式样的准确重复这个生物学问题做出了最有说服力的分析。这部书现在仍然再版，而且依然有参考价值。彼特·梅达沃爵士一向不好吹捧人，然而他也认为《论生长与形式》是“多年以来英语科学文献中无与伦比的著作”。汤普森是动物学家、数学家、古典学者、散文体作家，他到了老年才赢得荣誉。他的整个学术生涯是在苏格兰的一所小的大学里度过的，因为他的观点太不合潮流，无法在伦敦和剑桥谋到有名望的工作。

汤普森是杰出的保守主义者，而不是幻想家。他对毕达哥拉斯评价甚高，并且像一位古希腊的几何学家一样从事研究。他因发现自然产物中存在着理念世界的抽象形态而感到欣喜。为什么在蜂房的巢室和一些龟壳的连接板上都存在六边形？为什么松果和向日葵中都存在总是按照斐波纳琴 [7] 数列排列的螺旋形（一般茎秆上的叶子也是这样排列的）？（一个共同点辐射的螺旋系统，不是左旋，就是右旋。左右螺旋的个数并不相等，但是表现出斐波纳琴数列的相邻数值关系。斐波纳琴数列的每个数等于前面两个数之和，即1，1，2，3，5，8，13，21等。例如，松果可能是13个左旋和21个右旋。）为什么那么多的贝壳、公羊的角，甚至蛾子趋向光的路线都呈现所谓的对数曲线？

鱼龙

（美国自然博物馆提供）

对于每一种情况，汤普森的回答都一样：这些抽象的外形是对共同问题的最佳解决办法。不同的类群重复进化出这些外形，是因为这样的外形式样是最佳的，通常也是唯一的适应途径。三角形、平行四边形和六边形是没有洞眼、完全不留空白的平面图形。六边形尤其常见，因为这种图形接近圆形，而且相对于支撑性的外周，其内部面积最大（例如，以最有限的结构储存最大量的蜂巢）。在任何放射性体系（这种体系在其顶端增加新的成分）中，自动产生出斐波纳琴图形，即随时都最大限度地利用空间。对数曲线是唯一的大小增加而形状不变的曲线。我可以证实抽象的汤普森式形状是最佳的适应，但是对于为什么“完美”的形状通常表现出这么简单的数字上的规则性这一更大的形而上学的问题，我确实一无所知，而且迷惑不解。

到现在为止，关于完美性的问题，我只谈到一半。我论述了“为什么”的问题。我提出了趋同绝不能使两个复杂的生物变得完全一样（趋同的情况属于达尔文式进化，并不是其他力量所为）。而且我试图将很相似的重复现象解释成一种最佳的适应，是不同的生物面对共同的问题所采取的为数不多的解决办法。

但是这种重复现象是“如何”形成的？我们可能已经知道了珠蚌的“鱼”和鱼诱饵的用途，但是它们是如何产生的？当考虑到最终的适应很复杂很特异，然而却是由祖先的功能不同的类似部分建立起来的时候，这个问题便显得尤为突出。如果垂钓者（即鱼）的诱饵鱼需要有500个完全不同的变化才能达到出色的模仿，那么，这个过程是怎么开始的？倘若不是某些非达尔文主义式的力量认识到最终的目的，从而驱动这个过程的话，这样的过程怎么可以继续下去？其中的单独一步又有什么益处？诱饵鱼这个圈套在形成5%时又能产生什么样的奇迹呢？

达西·汤普森对这个问题做了许多解答，但基本上是预言式的解答。他认为作用于生物体上的物理力直接决定了生物的形状：最佳的形状不过是可塑性物体面对一定的物理力所表现出的自然状态。随着物理力的变化，生物从一种最佳形态很快变成另一种最佳形态。我们现在已经知道，在多数情况下，物理力都弱得不足以直接确定生物的形状，所以我们便借助自然选择来解释。但是假如认为选择坚持不辍地对生物的逐个部分起作用，即以一步接一步的方式建立复杂适应的话，我们又走过了头。

我相信，如果我们把汤普森的论点中站不住脚的物理力直接决定形状的成分去掉的话，我们便可以在汤普森见解的本质中找到解决的办法。复杂的形状通常由比较简单（常常很简单）的生成因素造成。形状的各个部分按照生长中固有的方式相互关联，每一个部分的改变都会影响到整个生物，使生物的各个部分以无法预料的方式发生改变。芝加哥野外自然博物馆的戴维·劳普，根据达西·汤普森的见解，利用现代的计算机技术，证明从鹦鹉螺到蚌到蜗牛螺旋状壳的基本形状，可以通过改变三种简单生长因素来产生。利用劳普的技术，我只需改变三种因素中的两个，就可以将普通品种的蜗牛变成一种常见的蚌。

在这些计算机绘制的图中（没有真正的蜗牛，虽然看起来很相似），一个形状（右）看起来很像蛤，可以变成“蜗牛”（左），方式很简单，随着“壳”的增长，降低了产生椭圆的速度，并增长了将椭圆变成同心圆的速度。所有这些图由四维动画绘制。

D.M.保罗提供图片

而且，信不信由你，一种特定的现存蜗牛属具有很像蚌的瓣壳。当我在一个特定镜头中看到一个蜗牛的头从两个壳中伸出来时，我倒吸了一口冷气。

我的关于完美与不完美作为进化标记的三部曲就要结束了。整个系列确实是对有关熊猫“拇指”论述的扩展，这三篇文章中尽管有一些遐想和沉思，但都有单一确切的讨论对象。熊猫的拇指来自腕骨，由可以利用的部分构成，是历史的标记，也是不完美的形状。德怀特·戴维斯遇到了涉及自然选择是否重要的问题，即是否必然是自然选择经过无数的一步又一步，才能使熊变成熊猫。然而，他提倡利用达西·汤普森的方法，还原出简单的生成因素系统。他表明，熊猫的“拇指”这一复杂器官的所有肌肉和神经，都是作为桡籽骨简单增大的自然结果产生的。他接着指出，颅骨形态和功能的复杂变化，即从杂食到几乎专吃竹子，可以解释为是一两种根本性改变的结果。他得出结论：“在从熊到熊猫的主要适应的转变中，只发生了很少的遗传机制改变，改变的遗传机制大概有五个左右。这些机制的大多数作用都可以推导出来。”

这样，我们就可以把基本的遗传变化连续性（这是达尔文假说的本质）与表现出的可能是幕式 [8] 结果（一系列复杂的成体生物）之间的联系建立起来。在复杂的系统中，平稳的输入可以转译成输出的幕式变化。这里我们遇到了一个有关我们存在以及我们探讨理解我们构成的中心问题。没有这一层次构造的复杂性，我们就不能进化出提出这种问题的脑；有了复杂的脑，我们又不期望得到的答案太简单，好像太简单了便不是我们的脑想出来的。

[1] 中译本的书名为《兰花的传粉》，唐进等译，科学出版社，1965年。——译注

[2] —个美国动物玩具的名称。——译注

[3] 译文引自中译本《兰花的传粉》，唐进等译，科学出版社，1965年，209页。——译注

[4] 麻是鹭科麻亚科的鸟类，一般生活在沼泽地区，多数具有保护色，站立时可以模仿周围的植物。——译注

[5] 沃尔顿（1593—1683），英国作家，写过不少文学、传记著作，尤其以描述垂钓之乐和技巧的《钓客清谈》（中文版，海南出版社，2006）一书最为有名。——译注

[6] 直译，与沃尔顿的书名一样。——译注

[7] 斐波纳琴（1180—1250），意大利数学家。——译注

[8] 幕式（episode）是地质学用语，指一个区域或地貌地质史中的一种或一系列突出的事件；用在生物学中，指的是生物性状的非连续性变化。——译注

第二部分
关于达尔文

·自然选择与人类的脑：达尔文与华莱士

·达尔文的中间道路

·未生先死，或一种螨虫的西面颂

·拉马克的影子

·相互关心的群体与自私的基因

4
自然选择与人类的脑：达尔文与华莱士

在沙特尔大教堂的南耳堂，中世纪令人叹服的窗户上，画了四个传道士，他们很像小矮人，位于《旧约》中四个先知的肩上。这四个先知是以赛亚、耶利米、以西结和但以理。我在1961年，还是个自以为是的大学生，第一次看到了这个窗户，我当时立刻想到了牛顿的著名格言：“假如说我看得更远的话，那是因为我站在巨人的肩膀上。”我当时还以为自己有了一个重大的发现，揭示了牛顿的话并非他独创。几年以后，出于许多原因，我变得谦逊多了，我了解到哥伦比亚大学著名的科学社会学家罗伯特·默顿（Robert K. Merton）写了一部专著，他借用了这个比喻，论述前牛顿时期的状况。书名恰到好处，叫《论巨人的肩膀》（On The Shoulders of Giants ）。事实上，默顿把这句名言一直追溯到沙特尔的伯尔纳，是他于1126年首先讲出这句话的。默顿还援引了一些学者的看法，他们相信，在伯尔纳死后才安装的南耳堂窗户，显然是试图把他的名言保存在玻璃上。

虽然默顿很聪明、轻松地叙述了中世纪和文艺复兴时期欧洲知识分子的生活，但是他还是在书中提出了一些严肃的观点。因为默顿的主要工作是要研究科学中的重复发现。他表明，几乎所有的重要观点都不止产生过一次，而且是独立的，并通常几乎在同一时间做出。伟大的科学家根植于他们时代的文化中，不会与时代的文化脱节。绝大多数伟大的思想“是可以察觉的”，而且被若干学者同时捕捉到了。

在默顿提到的著名“重复发现”中，有一个发生在我的研究领域，进化生物学。简单来说，达尔文在1838年构想出自然选择的理论，并且分别于1842年和1844年写在未发表的纲要中。之后，他不再怀疑自己的理论，只是不愿意公开这个理论的革命性内涵，所以在以后的15年间，他担忧、犹豫、等待、沉思、收集材料。最终，在密友的全力支持下，他开始整理笔记，准备发表一本大部头的巨著，大概比《物种起源》长4倍。但是，在1858年，达尔文收到了年轻的博物学家阿尔弗莱德·拉塞尔·华莱士的一封信和一部手稿，华莱士在马来群岛因疟疾病倒在床上时，已经构想出自然选择的理论。达尔文对于华莱士的理论连细节上都与自己的理论相似感到很惊愕。华莱士甚至宣称也是从同一部非生物学的书籍——马尔萨斯的《人口论》中受到的启发。达尔文陷入了极大的焦虑之中，他虽然做出了人们预料的宽宏大度姿态，但是，他真心希望能找到某些办法来保留他合理的优先权。他写信给华莱士：“我宁愿把我的那本书烧掉，也不愿意他或者其他别人认为我的行为是卑鄙的。”但是，他接着又建议，“如果我可以光明正大地发表我的观点，我想声明，我之所以现在发表一个概要……是由于华莱士送给我的文章就像我的一般性结论的梗概。”赖尔和胡克帮助达尔文解开了这个结。当时达尔文待在家中，正陷入幼子死于猩红热的悲痛之中。赖尔和胡克向林奈学会提交了一份联合论文，其中包括达尔文1844年论文的梗概和华莱士的手稿。一年之后，达尔文发表了他根据更长的著作匆忙编辑的“梗概”——《物种起源》。华莱士的光芒则被掩盖了。

在历史上，华莱士成了达尔文的影子。无论在公开场合还是私下，达尔文对于这位年轻的同僚都很宽厚。1870年，他在给华莱士的信中写道：“虽然在一种意义上说我们是竞争对手，但是我们彼此之间从未相互嫉妒过，我希望想到这一点能使您感到满意。在我的一生中，没有什么比这更能使我心满意足的了。”而华莱士，作为回应，一直对达尔文很尊敬。1864年，他在给达尔文的信中写道：“至于自然选择理论本身，我一直坚持认为，这个理论是属于您的，而且只属于您。您对这个理论所做的详细研究，是我从未想到过的，若干年以前，我只是涉及过这个主题，而且我的文章从未使人信服，从未被当作过天才的猜想，而您的书已经给博物学的研究带来了革命，并且使当代最杰出的人都着迷了。”

这种真心的倾慕和双方的支持掩盖了两人在一些问题上的严重分歧，这些问题无论在过去还是今天都可能是进化理论中的最基本问题。自然选择是进化的唯一动因吗？观察到的所有生物特征肯定都是适应的吗？然而在公众的认识中，已经习惯了将华莱士看作是次要的人，是达尔文的知己，研究进化的人很少认识到，他们甚至在理论上也存在着分歧。而且，在一个特定的重要领域内，他们的公开分歧有案可查，这个领域就是人类智力的起源。许多作者对这段历史的叙述完全扭曲了，因为他们未能将这场争论放在对自然选择力量的限度这一更普遍问题的角度中去考虑。

如果单纯并绝对地去刻画的话，所有精深的思想都会显得琐碎而平庸。马克思认识到无法承认他是个马克思主义者，爱因斯坦很认真地反对过误传他认为“任何事物都是相对的”。达尔文生前便看到他的名字与一种他从未坚持过的极端观点联系在一起，即从他的时代到我们现在一直被称作“达尔文主义”的思想，这种思想认为，所有的进化变化都是自然选择的产物。事实上，达尔文经常（虽然不是明显不愉快地）抱怨对他观点的错误认识。他在《物种起源》的最后一版中写道：“对于我的结论一直被极大地误解——有人认为我将物种改变完全归因于自然选择——我应该指出，在这本书的第一版和以后的几版中，我在最明显的地方，即绪论的结尾部分，写下了这样的话：‘我确信自然选择是主要的，但不是唯一的修饰方式。’这也于事无补，误解的力量太顽固太强大了。”

在英格兰就有一小群坚定的选择论者，即不恰当含义上的“达尔文主义者”，而阿尔弗莱德·拉塞尔·华莱士则是他们的领袖。这些生物学家将所有的进化变化都归因于自然选择。他们认为生物的每一个细小的形态特征、器官的每一个功能、每一种行为，都是适应的，都是选样指导下向“更完美”生物变化的产物。他们深深地信奉自然是“正确的”，信奉所有生物都精美地适应生活的环境。从严格的角度看，他们几乎重新引入了特创论者的自然和谐观，只不过用万能的自然选择力量取代了仁慈的上帝。而达尔文则坚持用多元论的观点看待变化莫测的宇宙。他相信在进化的力量中，自然选择的作用举足轻重，因为他注意到存在许多适应及和谐。但是，他认为，其他过程也在起作用，而且有的生物也表现出一些不适应和不利于直接生存的特征。达尔文强调，导致非适应变化的原因有两个：（1）生物是整合的系统，某一部分的适应变化，可以导致其他特征的非适应改变（按达尔文的话说，就是存在“生长的相关性”）；（2）在选择的影响下建立的具有特定功能的器官，结果，其结构还可以表现出非适应的功能。

华莱士在1867年初写的一篇文章中，还是坚持超选择论的观点，按照他的话说，就是“纯达尔文主义”的观点，即要求“必须根据自然选择理论来演绎”。

假如不存在生物选择这个明确的事实，那么无论现在还是过去，个体还是族，都不可能具备有用的特定器官、特定的形状或者标志、特定的本能或者习性，也不可能存在物种之间或者不同物种类群之间的关系。

实际上，他后来提出，如果认为生物表现出什么不适用性，那肯定是由于我们认识上的错误。这个论点给人留下很深刻的印象，因为该论点所依据的原则是一个先验而脆弱的反证：“认为某一器官是无用的观点不是而且也绝不可能是实事求是的论点，只不过表现出我们对器官的目的和起源的无知。”

达尔文与华莱士之间所有公开和私下争论的问题，集中在对自然选择力量的不同认识上。他们第一次争辩的是“性选择”问题，这是达尔文为了解释显然与“生存斗争”（主要表现在取食和防卫中）无关甚至有害的特征的起源时，提出的附属过程。达尔文认为，可以将这些特征解释为增加交配成功的机制，例如精美的鹿角和孔雀的尾羽。达尔文提出了两种性选择，一种是雄性自己为了赢得雌性而发生的竞争，另一种是雌性的挑选。他将现代人类之间的种族差异主要归因于性选择，根据的是不同的人对美的标准不同。〔他关于人类进化的书籍《人类的由来》（1871），实际上是两部书的结合物，较长的部分是关于动物界性选择的论著，较短的部分是对人类起源的猜测性解释，主要根据的是性选择。〕

实际上，性选择的观点与自然选择的理论并不矛盾，性选择是达尔文解释差异生殖成功（即自然选择）必须经过的另一条路。但是，华莱士由于三个原因，不喜欢性选择的观点：性选择的观点放弃了19世纪特有的观点，这个观点认为自然选择就是为了自身生存，而不仅仅是为了交配。整个说来，性选择过于强调动物的“自决”，尤其在雌性挑选的概念中。更重要的是，性选择的概念允许大量无关甚至有害的特征发展，并作为精细的机制起作用。因此，华莱士认为，性选择的观点是对自己认为的动物是“工匠”制成的精美作品、是通过纯粹自然选择的物质力量精心制成的观点的威胁。实际上，达尔文之所以提出性选择的概念，主要是为了解释，为什么人类种群中有这么多与基于式样的生存无关的差异。这些差异所反映的只不过是不同种族关于美的多种多样的标准，这些标准与适应无关。华莱士只承认雄性竞争的性选择，他认为这种性选择与生存斗争的比喻还比较贴切。但是他否认存在雌性挑选，而且他非常不满意达尔文试图打算将所有来自雌性挑选的特征都归因于自然选择导致的适应作用。

1870年，达尔文写作《人类的由来》时，曾经在给华莱士的信中写道：“我的观点与您的不同，这使我实际上感到忧虑，而且一直使我对自己的观点产生怀疑。我怕我们不会彼此彻底了解。”他努力理解为什么华莱士不愿意接受性选择的概念，并且甚至不惜承认他的朋友对纯粹且不掺任何成分的自然选择的信奉。他写信告诉华莱士：“您可能会高兴地听说，我正在对动物的保护和性选择感到苦恼。今天早上我的动摇可能会使您感到欣喜，今天晚上我又回到我原来的观点上，否则，我怕我一无所获。”

但是，他们之间关于性选择的争论仅仅是一个更严重也更著名分歧的前奏，这次涉及的问题最具感情色彩，也最引起争议，即人类起源的问题。简单来说，华莱士是一位超选择论者，他批评过达尔文不愿意认为自然选择对生物形态的任何细微部分都起作用，但是一涉及人类的大脑时，华莱士便戛然而止。华莱士认为，我们的智力和道德不可能是自然选择的产物，因此，尽管自然选择是引起进化的唯一方式，但是某些直接由上帝产生的力量肯定介入到生物创造的最后和最伟大的产物中。

假如达尔文曾经因为未能说服华莱士相信性选择而感到的是忧虑的话，那么这次他对于华莱士在已经定好的方向上的突然转向简直就感到惊愕了。1869年，他在给华莱士的信中写道：“我希望您不要断送您自己和我的孩子。”一个月以后，他又告诫道，“假如不是您告诉我的，我会以为（你的关于人类的观点）是别人加上这些话的。正如您的预料，我的意见与您的差别很大，对此我感到非常遗憾。”华莱士对达尔文的指责很敏感，之后，他在提到自己的人类智力理论时，称那是“我特有的异端”。

对于华莱士离经叛道的传统解释认为，他在关键的时刻，没有勇气坚持到最后一步，不敢承认人类完全属于自然系统的一部分，而达尔文却令人钦佩地在他的两部书〔《人类的由来》（1871）、《人类和动物的表情》（1872）〕中坚持到这一步。所以，在多数历史论著中，华莱士都是远不及达尔文重要的人物。这样看问题主要根据的是三个原因中的一个（或多个），所有这些原因都与华莱士的人类智力起源的观点有关：由于简单的胆怯，由于不能超越文化传统上人类独特观的局限性，由于不能一直坚定地（像他在关于性选择的争论中那样）倡导自然选择，因而，在关键的时刻弃自然选择而去。

我无法分析华莱士的心理，也不打算评论他无法逾越人类智力与动物行为之间鸿沟的深层动机。但是，我可以评论他论点的逻辑，而且我认识到，对于这个问题的传统解释不仅不正确，而且确实是歪曲的。在论述人类时，华莱士并没有放弃自然选择。相反，正是由于他一直坚持特别严格的自然选择观点，才使他放弃用自然选择来解释人类的心灵。他的观点从未改变，他坚持认为自然选择是重要进化变化中的唯一原因。他在与达尔文的两次争论中——性选择和人类的起源——反映出的是他的同一种观点。华莱士并非缺乏一贯性，并非在一种情况中主张自然选择，在另一种情况中却避免使用自然选择。华莱士对人类智力的错误认识是由于严格选择论方面的欠缺，而不是由于不能应用选择理论。而且他的论点在我们今天的研究中也有反映，因为从我们当今的文献中可以看到，华莱士的论点与“现代的”进化猜想有着藕断丝连的联系。我们今天很有影响的理论，更接近华莱士的严格选择论，而不是达尔文的多元论。滑稽的是，这个理论的名字却叫“新达尔文主义”。

华莱士提出关于人类智力独特性的若干论据，但是他的中心论点却建立在那个时代极不寻常的立场上，当我们回顾时会对这种立场给予很高的评价。华莱士是19世纪为数不多的非种族论者之一，他真是相信所有人类种群都有天生平等的智力能力。华莱士利用解剖学和文化的论据，捍卫着自己那绝对非正统的平等主义。首先，他宣称，“野蛮人”的脑并不比我们的脑小很多，构造上也不比我们的脑欠缺：“最低等的野蛮人的脑，以及就我们所知的史前时期我们这个种族人的脑，与最高类型的脑相比，在大小和复杂性方面，一点也不逊色。”而且，通过文化条件的改善，可以将最粗野的野蛮人融合到我们典雅的生活中。所以，野蛮本身肯定是由于野蛮人不能使用他们已有的能力，并不是由于他们缺乏这些能力：“低等的种族是有潜力的，因为在世界的许多地方都有欧洲人训练的由当地人组成的军乐队，他们可以出色地演奏最好的现代音乐。”

我把华莱士称作非种族主义者，当然并不是说他认为所有人的文化活动的内在价值相等。像当时多数欧洲人一样，华莱士也是文化沙文主义者，他并不怀疑欧洲人的生活方式明显优越。他可能抬高了“野蛮人”的能力，但是，他确实轻视他们的生活。他曾经错误地认为：“我们的法律、我们的政府和我们的科学，使我们可以根据各种复杂现象推断出预期的结果。甚至我们的游戏，如象棋，都使我们在一定程度上练习了这些能力。再比较一下我们与野蛮人的语言，野蛮人的语言中没有抽象概念的词，野蛮人的全部追求只不过是满足他们最简单的需要。至于和他们的感觉不是直接相关的任何一般性问题，他们不能去结合、比较或推断。”

这样，华莱士便面临了一个难题：所有野蛮人，从我们实际的祖先，到现在的残存者，都具备了可以充分发展的脑，能够鉴赏欧洲的艺术、道德和哲学中最微妙之处。而他们在自然状态中，却只用了最少的能力建造了原初的文化，所以语言贫乏、道德矛盾。

但是，自然选择只能产生立刻见效的特征。人类的脑具备的能力极大地超出了在原始社会中的表现，因此，自然选择不可能再对人的脑起作用：

比大猩猩的脑大一倍半的人类的脑……完全满足了野蛮人有限的智力发展。因此，我们必须承认，人类拥有的大脑不可能仅仅由于任何进化的规律再发展下去，那些规律实质上已经导致物种达到与所需完全相适应的结构程度，但是绝不可能超越这些需求……自然选择只能赋予野蛮人具有略优于猿的脑，但是不能使野蛮人的脑比一个哲学家的脑更差。

华莱士并没有将这个一般性的论据仅限于说明抽象的智力，而是用其说明欧洲人的所有“高雅”方面，特别是说明语言和音乐方面。例如，他认为欧洲人的“喉咙，尤其是女性的喉咙，可以发出具有奇妙力度、音域、易变性和甜美的音乐之声”。

从野蛮人的习性中看不出音乐的技能，这种技能不是自然选择产生的，因为对于野蛮人来说，音乐技能并不是必须和有用的。在野蛮人中，唱歌基本上是单调的号叫，而且女性很少唱歌。野蛮人根本就不依据悦耳的声音来选择妻子，而是根据健康、结实和体质美来选择妻子。因此，性选择根本就不能产生歌唱这种奇妙的能力，歌唱能力仅仅在文明人中起作用。看起来歌唱的器官预先已经备好，以便人类以后的进一步使用，因为这个器官所含的能力在人类的早期状况中根本不用。

最后，如果我们更高的能力在我们使用或需要之前就已经具备的话，那么它们就不可能是自然选择的产物。而且，如果这些能力在人类需要之前已经预先产生了，那么它们必定是更高智慧的直接创造：“我从这一组现象中所能推导出的结论就是，一个更优越的智慧指导着人类，按一定的方向，向着一定的目标发展。”华莱士重新加入了自然神学的阵营，而达尔文的劝告也未能使他的伙伴改弦易辙，结局令人惋惜。

华莱士的错误并不是由于他不愿意用进化论来说明人类，而是由于他的进化思想中贯穿着超选择论。因为如果超选择是正确的，即如果每一种生物的每一个部分都是，而且只是由于有直接的用途而产生的，那么就无法驳倒华莱士。早期的克鲁马努人的脑比我们的脑大，他们在岩壁上绘制了令人惊叹的图画，但是，他们却没有写出交响乐，没有造出计算机。我们之所以在后来取得了这样的成就，则是由于建立在脑能力不变基础上的文化进化的结果。按照华莱士的观点，人类的脑不可能是自然选择的产物，因为脑具有超越基本功能的能力。

但是超选择并不正确。与达尔文的观点相比，超选择太夸张了，而且用超选择观点无法理解甚至会误解生物形态和功能的性质。自然选择可能为了一个或一组特定的功能而制造一个器官，但是这个目的并不需要完全具体地划定这个器官的能力。作为结构复杂性的结果，因明确目的而涉及的客体也可以表现出许多其他的作用。一个工厂装备一台计算机，可能仅仅用于计算每月的支出，但是同样可以用于分析选举报告，或者在画连城游 [1] 中很快找出别人的差错（至少与别人一直玩成平局）。我们的大脑可能产生为了满足采集食物、社会化活动或者其他活动中一些必要技能的需要，但是，我们的脑这个复杂的机器可以做的并不止这些技能。我们是幸运的，我们的脑还可以做许多其他的事情，比如，我们都可以填写购物账单，个别人还可以写高雅的歌剧。而且，我们的喉咙最初可能只是“为了”协调社会活动发出清晰的声音，但是喉咙的构造和功能却使我们做出其他许多事情，像人们都可以在众人面前唱上几句，少数人还可以成为出众的歌唱家。

超选择论已经以各种形式伴随我们很久了，这种观点代表了19世纪有关自然和谐神话的科学的看法——世界存在的万物都达到尽其可能完美的状态（这里指的是，每一种结构都是为了一个确定的目的而设计的）。这种观点是伏尔泰在《老实人》（又译为《贡第德》）一书中生动讽刺过的愚蠢的庞格罗斯博士的观点，即这个世界并不一定是善的，但却是我们可能拥有的最好的世界。早于华莱士100年前，这位善良的博士说的一段有名的话，正好抓住了华莱士论点的本质：“任何事物都不可能是别的样子……万物都是为了最好的目的设计的。我们的鼻子是为了夹住眼镜而造的，所以，我们有了眼镜。我们的腿显然是为了穿裤子而造的，所以，我们穿裤子。”庞格罗斯主义（即至善论）今天并没有消失——从许多论述人类行为的通俗书籍中就可以发现这一点。一些书中认为，我们进化出大的脑是为了狩猎，有些书还将我们现在的弊病归咎于我们的生活方式产生的思想和情感的局限性所致。

具有讽刺意味的是，华莱士的超选择论恰好回到了原本要取代的特创论的基本信念上，这种信念相信万物的“正确性”，相信在一个整合的世界中，每一个客体都有一个确定的位置。正如华莱士对达尔文的不太公平的评价中所说：

他的观点最初受到那些相信生物是特创的并且是和谐的人——他们怀着爱心、耐心和恒心，致力于研究各种生命现象——的指责和贬斥，但是他却阐明了无数的适应，并且证明了，就连最卑微的生命中最无意义的部分都有它的用途和目的。

我并不否认自然有一定的和谐，但结构也有潜在的能力。出于一种目的而建立的结构，也可以有其他的用途，而且在这种可塑性中，既包括我们生活中的困难和混乱，也蕴含着希望。

5
达尔文的中间道路

“我们满怀哀伤地开始穿过狭窄的海峡，”奥德修斯讲道，“因为在一边悬垂着近4米长的斯库拉，她的6个脖子格外长，每一个脖子上都有一个可怕的头，里面有3排坚硬紧密的牙齿，充满了黑暗的恐怖。而在另一边，巨大的卡律布狄斯吞咽着咸海水。她每一次吐出海水，都像是用一个大锅，架在熊熊烈火上，要煮沸所有深深的忧伤。”奥德修斯准备转向卡律布狄斯，但是斯库拉抓住了奥德修斯最出色的6个人，并且当着奥德修斯的面吞食了他们——“这是我设法走出这片海洋时看到的最悲惨的事情。”

在我们的传说和比喻中，骗人的诱惑与危险经常结伴而来。例如，油锅与火坑， [2] 或者魔鬼与深蓝色的海洋。逃避的办法或者是顽强的执着，如基督教传道士的义无反顾；或者是从两种不尽如人意的选择中各有取舍——亚里士多德的黄金律（中庸之道或中间道路），走一条位于两个不合意极端之间的道路，这种想法成了明智生活中一种主要的解决办法。

科学创造力的性质是一个长期争论的问题，而且经常被归因于是一条中间道路。两个极端立场并未征得对方的妥协。相反，它们不断相互取代，当一方占据统治地位后，另一方便淹没了。

一方是归纳主义，认为伟大的科学家主要是杰出的观察者和耐心的信息积累者。归纳主义者声称，有意义的新理论只能建立在事实的坚实基础上。按照这种建筑学式的观点，每一个事实就如同建设没有蓝图的大厦中的一块砖。在砖砌好之前，任何有关理论的谈论和设想（即完成大厦）都是虚幻和不成熟的。归纳主义曾经在科学方法中处于绝对统治的地位，甚至代表了“正式”的科学方法观。因为归纳主义鼓吹（当然是错误的）百分之百的诚实、完全的客观性，以及科学几乎自动地向着最终无可辩驳的真理进步。

然而，正如严厉批评归纳主义的人所正确指出的那样，归纳主义将科学描述为没有感情、没有人性的领域，并且认为灵机一动、直感和所有与我们的天才特点相关的主观能动性都不合理。批评者指出，伟大科学家出色的地方，就在于他们的预感和综合能力，而不是他们的实验或者观察的技巧。这样批评归纳主义当然有道理，我赞成过去30年对归纳主义的驳斥，这样的驳斥是更好地理解科学的前提。然而，在对归纳主义的激烈批评中，有些批评者企图用另一种同样极端贫乏的方法取而代之，这种方法强调创造性的思想完全是主观的。依照这种“尤里卡”的观点，创造性难以言说，只有天才的人物才能做出。创造力的产生犹如闪电，无法期待、无法预测、无法分析。但是，这种思想的闪光只降临到少数特殊的人头上，我们这些凡夫俗子只能敬畏和感激。（这里指的就是有关阿基米德的传说故事。他在洗澡时，身体进入浴盆后，看到溢出的水量，突然想到测量体积的方法。然后，他赤裸着身体，跑到叙拉古的大街上，高喊“尤里卡”，意思是“我发现了”。）

我对于两种极端的立场都不抱幻想。归纳主义把天才的活动简化成蠢笨、机械的工作；而尤里卡主义则把天才看作不可及的状态，完全是由奇迹统治的领域，我们根本就无法学习和理解。我们能否把每一方的观点中好的东西结合起来，摈弃尤里卡主义中高人一等的优越感和归纳主义中平淡无奇的特性，我们能否将创造性不是看作纯粹个人化的主观特性，而不过是我们大家都有可能具备的思维模式，只是更强调或者重视其中的创造能力，这样，对于创造性活动，我们即使不能模仿，至少也可以学习。

在偶像化的科学传记中，只有少数的人具有极高的地位，使得归纳主义和尤里卡主义这两方面的论点都适用于他们，好像无论从哪方面看，他们都是正确的。查尔斯·达尔文作为进化生物学的创始人，被刻画为既是归纳主义又是尤里卡主义的典型。我打算说明这些解释并不正确，最近对于达尔文得出自然选择理论走过的艰难历程的研究，则支持达尔文走过的是一条中间道路的观点。

在达尔文时代，归纳主义占据着重要的统治地位，达尔文本人也感到受它的统治，当他年老时，他错误地将自己年轻时的成就描述为是按照归纳主义的方式取得的。在一本主要为了教育他的孩子并且没有打算出版的自传中，他写了几行有名的话，这几句话100年来一直把历史学家引入了歧途。在描述自己得出自然选择理论的途径时，他声称：“我运用了真正的培根原理，而且，丝毫不根据已有的理论，极其广泛地搜集事实。”

归纳主义者的解释强调，是达尔文随“贝格尔”号的航海，把他从一个学习神学的学生，转变成向牧师复仇的人，而且，这是他对整个世界敏锐观察的结果。因此——传说的故事继续讲道，达尔文的眼界随着航海变得愈来愈宽，他相继看到南美巨大的哺乳类骨骼化石，加拉帕格斯群岛上的海龟和莺鸟、澳大利亚的有袋类动物群。当他用非常客观的筛子筛选出真正的事实后，他便逐渐得出了进化和自然选择机制的真理。

在这个故事中，一个传统的主要例子便是达尔文对于加拉帕格斯群岛上莺鸟的认识。然而，实际上，达尔文在航海期间，对于莺鸟的认识并不对，这样便说明这个故事本身就是错的。我们现在知道，虽然这些莺鸟与南美大陆的同类鸟的关系很近，有共同的祖先，但是，它们在遥远的加拉帕格斯群岛上已经进化辐射为其中包含明显差异的物种。大陆上的同类鸟几乎不可能跨越南美和加拉帕格斯群岛之间辽阔的海洋屏障。但是，幸运的是，迁徙者通常可能找到其他鸟类极少光顾的生居地。加拉帕格斯群岛没有拥挤的大陆上限制莺鸟生存的那些竞争者，所以莺鸟进化成正常情况下由其他鸟类充当的角色，并且形成了著名的摄食适应方式——捣碎种子、吃昆虫，甚至用仙人掌的针从植物中取出昆虫。加拉帕格斯群岛与大陆之间的隔离，以及群岛中岛与岛之间的隔离，为莺鸟的分离、独特的适应和成种事件创造了机会。

按照传统的看法，达尔文发现了这些莺鸟，正确地推断出它们的历史，并且在笔记中写下了下面这个有名的段落：“假如有略微的基础来说明的话，群岛的生物学将值得考察，因为这样的事实动摇了物种稳定性的观点。”但是，正像许多英雄故事一样——从华盛顿的樱桃树到十字军的虔诚——通常的说法是受期望，而非真实性驱动的。达尔文确实发现了莺鸟，但是，他当时并没有认识到这些莺鸟是同一原种的变种。事实上，他甚至没有记录下一些变种发现地的名称，他在一些标签上只写上了“加拉帕格斯群岛”、更不用说立即认识到隔离在新物种形成中的作用了。他只是回到伦敦后，才重建了莺鸟的故事，当时，大英博物馆的鸟类学家正确地将这些鸟都定为莺鸟。

在他的笔记中，还有一些提到加拉帕格斯群岛海龟的著名段落。他宣称，根据身体和鳞片的大小及形状的细微差别，就可以“立刻说出不同的海龟可能是哪个岛上的”。这种看法与传统的莺鸟故事不太一样，不过也更简单。莺鸟确实是分离的物种，是活生生的进化例子。加拉帕格斯群岛海龟之间细微的差别，是同一物种中存在的细小地理变异。根据这么小的差异就可以引申提出新种的产生，对于这样的推理，我们现在虽然知道是合理的，但是在当时却缺乏连贯性，而且所有的特创论者也认识到地理变异（例如人类的种族），但是，他们认为地理变异不可能跨越特创原型的严格界限。

我并不想低估随贝格尔号航行在达尔文的事业上所起到的关键作用。随贝格尔号航行给了他空间、自由和充分的时间，使他可以按照自己喜欢的独立、自我激发的方式去思考。（他在大学中缺乏独立自主，而且，按照传统的标准，他在大学期间成绩平平，反映出他对于所谓公认的智慧课程不满。）1834年，他从南美写信道：“我对于岩石的劈理、层理和隆起线没有一点清楚的认识。我没有讲得详细的书籍，不能将书中所讲的运用到我所看到的事物中。结果，我推出自己的结论，其中多数都非常荒谬。”他看到的岩石、植物和动物，激发他产生出最关键的怀疑态度。怀疑精神是创造力的助产士。1836年，在澳大利亚的悉尼，达尔文感到疑惑，为什么理性的上帝在澳大利亚创造出这么多有袋类动物，因为无论从气候还是地理上看，都没有显示出育儿袋有什么优越性：“我躺在洒满阳光的甲板上，思考着这个国家的动物与世界其他动物不同的奇怪形状。那真是一个难以置信的事情，唯有上帝自己有理由来解释，‘确实有两个性质不同的造物主在工作’。”

然而，达尔文回到伦敦时，并没有形成进化的理论。他想到了进化可能是正确的，但是没有可以解释进化的机制。自然选择的理论并不是直接来自理清从贝格尔号航行期间收集到的事实，而是来自接下去两年的思考和斗争，这一历程反映在一系列引人注目的笔记中。从这些笔记中，我们看到达尔文尝试并放弃了许多理论，而且历经了许多错误——并不像他后来所说，是怀着空白的心灵记下了事实。他阅读了一些哲学家、诗人和经济学家的著作，并一直在寻找思想和见解——自然选择根本就不是从贝格尔号航行期间收集的事实中归纳出来的。后来，他称一个笔记中“充满了有关道德的形而上学”。

不过，倘若这条曲折的历程说明归纳主义的斯库拉是错的，那么就产生了一个同样简单的神话——尤里卡主义的卡律布狄斯。达尔文在他的那部使人产生极大误解的自传中，记录了一次尤里卡。他提到在经历了一年多的探索并失败后，自然选择如同突然而幸运的闪光一样降临到他的头上：

1838年10月，就是在我开始进行自己有系统的问题调查以后的15个月，我为了消遣，偶尔翻阅了马尔萨斯的《人口论》一书。当时我根据长期对动物和植物的生活方式的观察，就已经胸有成竹，能够去正确估计这种随时随地都在发生的生存斗争的意义。马上在我头脑中出现一个想法，就是：在这些环境条件下，有利的变异应该有被保存的趋势，而无利的变异则应该有被消灭的趋势。这样的结果，应该会引起新种的形成。因此，最后，我终于获得了一个用来指导工作的理论……

但是，达尔文的早期笔记再次证明他晚年的回忆是错的——在笔记中他没有记录当得出马尔萨斯式见解时的喜悦。他对这件事情一笔带过，只不过作为一件平常的事情记下，甚至没有用惊叹号，而他在表达激动时，习惯用两三个惊叹号。他并没有放下其他的事情去根据这种见解重新解释令人迷惑的世界。在接下来的几天中，他用了较长的篇幅记述了灵长类在性行为方面的奇特性。

自然选择理论既不是通过勤奋收集事实归纳出来的，也不是由于阅读马尔萨斯的书从而激发了达尔文潜意识中的闪念。相反，自然选择理论是有意识创造性探索的产物。达尔文在探索自然选择理论时使用的方法多种多样，但是合乎规则。而且，他既利用了自然史的事实，又利用了比他的专业更广泛领域中的见解。达尔文走的是一条介于归纳主义和尤里卡主义之间的中间道路。他的才能既不平庸，也不是高不可及。自从1859年《物种起源》问世100年起，就开始了达尔文学。达尔文笔记的出版，以及一些学者通过对自达尔文随贝格尔号航行至发现马尔萨斯的见解这关键的两年的研究，从而确定了达尔文走的是一条中间道路。有两部这方面的研究著作尤为重要，一部涉及的面很广，另一部则很集中。霍华德·E.格鲁伯的传记著作《达尔文论人》，从智力和心理的角度深刻地分析了达尔文在这一时期的生活，追溯了达尔文在研究中经历的所有错误途径和转折点。格鲁伯表明，达尔文不断地提出、检验甚至放弃各种假说，而且绝没有简单地以盲目的方式搜集事实。达尔文开始时就有了一个富有想象力的理论，其中包含的一种观点认为，新物种产生时，已经有了预先确定的生命周期，而且达尔文按照自己的思路，逐渐或者断断续续地得出了观点：在充满斗争的世界中，生物因为竞争而灭绝。他在笔记中没有记下阅读马尔萨斯著作时的欣喜，是因为他的思索还有欠缺。

西尔文·S.施威伯尽可能详细地重建了达尔文在阅读马尔萨斯的书之前几个星期的活动（《重现〈物种起源〉的起源》，载《生物学史杂志》，1977）。施威伯认为，最后一步的实现并不是通过自然史的新事实，而是通过达尔文在不相关领域的智力漫游，特别是他阅读了一篇对奥古斯特·孔德 [3] 的最有名著作《实证哲学教程》的长篇评论。孔德坚持认为，恰当的理论应该具有预见性，而且至少应该考虑定量化。然后，他又阅读了杜格尔德·斯图加特的《论亚当·斯密的生平和著述》，并且吸收了这位苏格兰经济学家（即亚当·斯密）的基本信念，即涉及整个社会结构的理论，必须首先要分析个人无限制的活动。（自然选择就是关于生物个体为了繁殖成功而斗争的理论。）之后，为了了解定量化的方法，他又阅读了一篇分析当时最有名的统计学家、比利时人阿道夫·凯特尔工作的冗长评论文章。他从这篇对凯特尔工作的评论中，除了别的内容外，还发现了马尔萨斯的一段有关定量化的有力论述：人口按几何级数增长，而食物的供给则按算术级数增长，所以导致激烈的生存斗争。实际上，在此之前，达尔文多次读到过马尔萨斯的论述，但是只是到了这时，他才做好了准备，可以认识到其中的含义。所以说，他发现马尔萨斯的见解并非出于偶然，他已经知道了其中的意义。至于说他为了“消遣”，我敢说，只不过是一种要阅读原初公式的欲望，因为他已经通过关于凯特尔的二手评论，熟悉了马尔萨斯的观点。

我在阅读施威伯有关达尔文形成自然选择的系统观点之前生活的详细评论中，对于达尔文并没有受到他自己的专业——生物学的决定性影响这一点尤为感到震惊。直接的促成者是一位社会学家、一位经济学家和一位统计学家。如果说天才有什么共同的地方，我想那就是他们兴趣广泛，有丰富的进行跨学科类比的能力。

事实上，我相信，应该将自然选择视为一种对亚当·斯密的自由竞争经济学类比的引申，至于达尔文是否是有意这样做的，我并不清楚。斯密的论点是悖论性的，假如要使经济有序，给所有的人带来利益，那么就让每个人为了自己的利益去竞争和搏斗吧。经过恰当的清理和对失败者的淘汰，结果将形成稳定、和谐的体制。通过个体之间的搏斗，而不是通过预定的原则或者更高层次的控制，可以自然地产生明显的秩序。杜格尔德·斯图加特在达尔文读过的那本书中概述了斯密的体系：

推动人类前进的最有效的计划，就是让每个人，只要他遵守公平的规则，按照自己的方式谋求自己的利益，并且利用他的企业和资本与同他一样的公民进行竞争。任何努力……设法使某个企业比其按照自然状态下所得大得多地分享社会资本的每一种政治体系……实际上是对这种政策所倡导的目标的破坏。

正如施威伯所说，“这位苏格兰人通过对社会的分析，主张社会机制建立在个人活动的综合效应上，而且，只有这样，社会才能稳定进化，同时这样的社会功能无须设计和指导”。

我们知道，达尔文的独特之处并不在于他支持进化的思想，在他之前，有不少人都支持过进化的思想。他特殊的贡献主要体现在对进化的证明，再就是他那新颖的关于进化如何进行的理论。以前的进化论者根据生物内在的完美趋向和固有的方向性，提出了不切实际的理论框架。达尔文则根据生物个体之间的直接相互作用，提出一种自然的和能检验的理论（反对者认为，达尔文的理论是无情的机械论）。自然选择理论是把亚当·斯密的理性经济学创造性地向生物学转换：自然的平衡和规则并不是由于外在的、更高（神）的控制，也不是由于规则性直接作用于所有生物，而是生物个体为了自身利益的搏斗（按照现代的话说，就是生物通过有差异的生殖成功，将基因传递到以后的世代中）。

许多人对于这样的论点都不会很满意。如果自然选择理论产生于对当时政治学和文化的类比，而不是来自生物学领域本身的材料，那么，这不是有损于科学的独立完整吗？卡尔·马克思在一封给恩格斯的著名信中，认识到自然选择与英国社会状况之间的相似性：

值得注意的是，达尔文在动植物中重新认识了他自己的英国社会及其分工、竞争、市场、“发明”以及马尔萨斯的“生存斗争”。这是霍布斯的一切人反对一切人的战争。 [4]

马克思是钦慕达尔文的著名人士——答案就蕴含在这种明显的矛盾之中。至于原因，则包括我在这篇文章中强调的所有论题，即归纳主义并不正确，创造性要求见识广博，类比是新见解产生的重要源泉，再者，伟大的思想家不可能摆脱自己的社会背景。但是，一种观点的来源是一回事，而这种观点正确与否、是否富有成果，则是另一回事。发现的心理学与发现的正确性的确属于不同的问题。达尔文的自然选择理论可能来自经济学，但是这个理论却依然正确。1902年，德国社会主义者卡尔·考茨基说：“事实上，一种理论产生于哪个阶级，或者是否符合理论家们的利益，当然都不能证明这个理论是对还是错。”在我们这个案例中，具有讽刺意味的是，亚当·斯密倡导的自由竞争体制，并没有在他的经济学范围内运作，自由竞争导致的是垄断与革命，而不是有序与和谐。然而生物个体之间的搏斗，确实是自然的法则。

许多人根据这种观念依附社会背景的看法，将伟大见解的产生归因为有好运气这一难以把握的现象。所以，他们认为，达尔文幸运地生在一个殷实之家，幸运地登上了贝格尔号，幸运地在有生之年形成了他的思想，又幸运地看到了帕森·马尔萨斯的书——实际上等于说，一个人在正确的时间处于正确的地位。然而，当我们了解到，达尔文为理解自然所付出的个人奋斗、他涉猎和研究的领域之广博，以及他在探讨进化机制时的执着，我们就会理解巴斯德所讲的那句著名格言：幸运只光顾有准备的心灵。

6
未生先死，或一种螨虫的西面颂

或许最能暴露父母无能的事情，就是面对孩子提出的最明白、最天真的问题：为什么天是蓝的？为什么草是绿的？为什么月亮有阴晴圆缺？我们会很尴尬，因为我们自以为非常清楚地知道答案，但是我们却无法给出详细回答。当我们向上一代提出类似的问题时，得到的就是支支吾吾的回应。有些事情我们以为知道，因为它们太简单了，并且就存在于我们身边，但是当我们真的要解答这些问题时，便发现其实是很难解答的。

与我们生命的生物学有关的一个问题，就是这类问题，对它的回答显然也不正确。这个问题就是：为什么在人类和其他我们熟悉的物种中，雄性与雌性的数目大致相同？（实际上，在出生人口中，男性略多一些，然而，由于男性的死亡率高，所以，在老年人口中，女性占多数。）这个问题乍一看，不禁使人想起拉伯雷的名言：“像脸上的鼻子一样明白。”首要的是，性生殖要求有配偶，雌雄数目相同则意味着可以发生普遍的交配，这是上佳的达尔文式最大生殖能力状态。再一看，这个问题并不是很明白。我们感到很迷惑，如同莎士比亚对明喻的认识，“（明喻）是一个笑话，察觉不出，不突出，不明显，就像一个人脸上的鼻子一样”。假如保持最大生殖能力是物种的最佳状态，那么为什么产生出的雌雄数目一样呢？毕竟是雌性限制了后代的数量，因为在我们熟悉的物种中，相比之下，卵比较大、比较少，而且每一个卵可能产生一个后代，一个精子却不一定。一个男人可以使许多女人受孕，假如1个男性与9个女性交媾，为什么产生的100个后代中不是10个男性和90个女性？倘若生殖能力充分体现的话，当然不会产生只有50个男性和50个女性的群体。在群体中数量占优势的女性，利用更快的生殖速率，应该比两种性别数目相等的群体更有进化优势。

但是，未解决的问题依然很突出：为什么在多数有性生殖的物种中，雌雄的数目大致相等？按照多数进化生物学家的看法，答案在于，要认清达尔文的自然选择理论说的仅仅是个体之间为了生殖成功而进行搏斗，其中并不涉及群体、物种或者生态系统的利益。90个女性与10个男性的论点是从对整个群体有利的角度而言的，通常这种见解容易被人接受，然而却完全错了，不过多数人就是这样看待进化的。如果进化是使整个群体获利，那么，在有性生殖的物种中，雄性的数量就应该比较少。

如果进化是在类群角度起作用的话，那么雌性就会占明显的优势；然而，观察到的雌雄数目相等，便成了证明达尔文正确，即自然选择是通过个体取得最大的生殖成功而起作用的最好证据。首先提出这种达尔文主义论点的是英国伟大的数学家和生物学家R.A.费舍尔。费舍尔假设任意一种性别占优势，比如出生时雄性少于雌性。雄性由于数量少，从而配育的机会增加，于是雄性留下的后代多于雌性的后代，也就是说，一个雄性平均可以使一个以上的雌性受孕。所以，假如存在某种遗传因素导致父母生出相比之下比较少的雄性（而且这样的因素确实存在），那么具有这种遗传倾向的父母要生出雄性的话，便获得达尔文式优势——因为它们具有占明显优势的雄性后代，它们将获得超过平均数的孙辈后代。于是，有利生出雄性的基因便会扩散，从而增加雄性的频率。但是，随着雄性出生率的提高，雄性优势便失去了，这种优势在雌雄数目相同时，便不存在了。因为雌性数目减少时，同样的理由反过来也适用于雌性，有利于生出雌性。在达尔文式的过程的控制下，性别比例达到一比一的平衡值。

但是，生物学家如何检验费舍尔的性比例理论呢？具有讽刺意味的是，单凭简单的观察这类物种，无法证实费舍尔的判断。一旦我们形成基本的论点，并且确信我们最了解的物种大概有数目相同的雌雄数，我们通过发现其他成千上万的物种都具有类似的规则又能说明什么？那些生物确实都是适应的生物，但是新物种例证的增加，并不能增加我们的自信。或许一比一的比例是由于例外的原因？

为了检验费舍尔的理论，我们必须看一下例外的情况。我们必须寻找费舍尔的理论前提所不包容的不寻常情况，这种情况会使我们得出性别比如何不是一比一的特定判断。如果前提的更改导致一种截然不同但确实可以成立的判断，那么，我们便可以通过这种特殊的检验来加强我们的信念。这种方法就像谚语所说“例外证实规则”。许多人误解了这句谚语，因为其中的“证实”并非常用的含义。“证实”（prove）一词来自拉丁文probare（检验或尝试），“证实”的现代常见用法指的是最终明确的证明。这样的话，那句谚语似乎说的是：通过例外来确定正确性不容置疑。但是，在另外一个意义上，“证实”〔如在“试炮场”（proving ground）或印刷中的“校样”（proof）〕又接近本来的含义，很像同源词“探讨”（probe），具有检验或者探寻的含义。例外通过检验或探寻情况变更下的结果，来探讨规则。

自然的丰富性为我们提供了帮助。一个想象力贫乏的鸟类观察者，也可能经过一生的努力，发现赤褐冠的、似假腿的、斑点背的、交叉喙的、内斜眼的雀科鸟。这当然是一种不恰当的嘲笑，对于实际研究生命多样性的博物学家来说，这是对多样性的曲解。正是由于自然的丰富多彩，才使得博物学成为我们最先建立的一门科学，生物的变异可以确保我们能够发现例外来检验规则。奇特和离奇不单是值得描述的特异现象，不仅可以使人感到惊讶和好笑，而且还可以检验普遍性的看法。

幸运的是，大自然存在着大量违背费舍尔前提的物种和生命模式。1967年，英国生物学家W.D.汉密尔顿（目前在密歇根大学）在一篇名为《异常的性比例》的文章中，提出了大量的案例和论据。我在这篇文章中，要讨论的是这些作为检验用的例外中最清楚、最重要的部分。

大自然根本不理会我们对各种情况的说教。我们被告知，由于诸多理由，应该避免兄妹之间的配育，以免太多有害的隐性基因在数量加倍的情况下得到表达的机会。（这样的基因一般比较少，两个无亲缘关系的双亲携带这种基因的机会很小。但是两个同胞携带同样基因的概率为50%。）然而，有些动物并不遵从这个规则，而且经常（或者只是）进行同胞之间的交配。

专一性的同胞交配动摇了费舍尔一比一性比例论点的主要前提。假如雌性总是因为其兄弟而受孕，那么同一父母生出的便是相互交配的伴侣。费舍尔设想雌性的双亲不同，并且设想倘若雄性缺乏，会对那些能适时生出雄性后代的双亲有利，使它们占据遗传优势。但是，假如同一父母生出的是它们孙辈的母亲和父亲，那么，这对父母无论生出的孩子的雌雄比例如何，它们对孙辈的遗传投入都相等，而且前文提到过的雌雄优势又重新表现了出来。如果每一对祖亲投入到后代的能量有限，而且如果祖亲生出的后代中多数都具有达尔文式进化的优势，那么祖亲应该尽可能多地生女儿，并且生出的儿子数量只要能够确保女儿都受孕就行。事实上，如果儿子有足够的性能量的话，父母生出一个儿子就行了，而利用剩余的全部能量尽可能多地生女儿。丰富多彩的大自然像通常一样，为我们提供了大量的例外，来检验费舍尔的规则：一般说来，同胞之间交配的物种确实生出的雄性比较少。

例如，E.A.阿尔巴德里和M.S.F.陶菲克1966年描述的螨虫Adactylidium 属中雄螨的奇妙生活。这种雄螨离开母体后几个小时便死掉了，在短暂的生命中，它几乎无所作为。这种雄螨离开母体后，既不觅食，也不交配。我们知道，有一些生物成体的生命很短。例如，蜉游经过一段时间的胚胎生命后，离开母体后仅存活一天。但是蜉游就在这么短暂而宝贵的时间里，要进行交配，以确保种类的繁衍。而Adactylidium 属雄螨除了生与死外，什么都没做。

为了解开这个疑团，我们必须看一下这种螨虫的整个生命周期和在母体中的生命。怀孕的Adactylidium 属的雌螨要附在蓟马 [5] 的卵上。对于这只雌螨，附着的蓟马卵是它养育后代的唯一营养源，它在死之前不再觅食。就我们所知，这种螨虫完全行同胞交配，生出的雄螨很少。而且，因为这种螨的整个生殖能力受到蓟马卵这个营养源的严格限制，所以受孕很有限，而且生出的雌螨越多越好。Adactylidium 属的螨虫与我们的预测相符，每5～8只雌螨才有1只雄螨，对那些雌螨来说，这只雄螨既是兄弟又是丈夫。但是，仅生出一只雄螨很危险，如果它死了，所有的姐妹都无法受孕，母亲的进化生命也就中止了。

倘若这种螨抓住机会生出的雄螨不止一只，这样便加大能育雌螨的潜在种群数，两只雄螨式的适应会降低风险，既保证有雄螨，又增加了与姐妹交配的可能性。然而，更好的办法当然是在母体内养育整个种群，既养育幼虫，又养育成虫，甚至在母体的保护壳内进行交配。确实，Adactylidium 属的雌螨附着蓟马卵后58个小时，体内的卵已经孵化。幼虫在母体内进食，实际上就是在母体内吞食母亲。两天之后，后代接近成熟，唯一的雄螨与所有的姐妹进行交配。这时，母体的组织已经被吞食殆尽，它的体内充满了成体螨虫、它们的粪便、它们的幼虫和若虫脱去的外骨骼。之后，后代从母体身上钻开一个洞，然后钻了出来。这时，雌螨必须立刻找到蓟马的卵，又开始重复这个过程。雄螨在“出生”之前，已经完成了它的进化使命。雄螨出生后，面对外面的斑斓世界，做出了一个雄螨所能做出的反应后，很快便死了。

但是，为什么这个过程中的阶段不会再进一步？为什么雄螨还出生呢？在与姐妹交配后，它的工作已经完成。它要做的只是螨类的西面颂——主啊！现在可以照你的话，放你的仆人平安去了。 [6] 实际上，在丰富多彩的生命世界中，任何事情都有可能至少发生一次，与Adactylidium 属相近的螨虫也这样做。螨虫Acarophenex tribolii 也只发生同胞间的交配，在母体中发育出15个卵，其中只有一个雄螨。这只雄螨在母体内孵化后，便与所有的姐妹交配，而且在未出生之前便死掉了。Acarophenex 属的雄螨的生命并不太长，但是，为了它的进化连续性，却贡献了许多，就像亚伯拉罕一直到100岁还生儿育女一样。 [7]

自然的奥秘不仅是动听的故事，而且还可以检验那些涉及生命历史和含义的有趣理论的限度。

7
拉马克的影子

不幸的是，这个世界并不遂我们的愿，而且一直拒绝按照我们认为合理的方式行事。赞美诗的作者并不认为自己是准确的观察者，他曾经写道：“我做过幼童，现在已经年老，从未见过争议的人被抛弃，也从未见过他的后裔行乞讨。” [8] 有一些武断，看起来似乎合理，却经常阻碍科学的发展。在爱因斯坦之前，有谁相信，当一个物体的运行速度接近光速时，它的质量和寿命将会受到影响？

既然生物界是进化的产物，那么，为什么不认为生物界是以最简单的定向方式产生的呢？为什么不认为生物可以经过自身的努力来改善自己，并且以基因改变的形式将它们的优势传给下一代呢？——按照专业术语，这个过程一直被称作“获得性遗传”。这种观点之所以吸引一般人，不仅因为它简明，更因为其中的含义令人愉快。这种含义就是：进化以固有的进步方式进行，并且受到生物自身刻苦努力的推动。但是就像我们一定要死亡，就像我们并不居住在有限宇宙的中心一样，获得性遗传不过是人类受到自然嘲笑的另一个愿望而已。

获得性遗传通常有一个更短一点的名称：拉马克主义。让·巴蒂斯特·拉马克（1744—1829）是法国著名生物学家，早期进化论者。他虽然相信获得性遗传，但是获得性遗传并不是他的进化论的中心，而且也不是他首先提出这一思想的，已经有人写出长篇大论追溯在拉马克之前获得性遗传的源流〔参见参考文献中泽克尔（Zirkle）的著述〕。拉马克认为，生命从简单的形式连续而自然地形成。然后，生命在“不断使组织复杂化的力量”的推动下，攀上了复杂的自然阶梯。这种力量通过生物对“感到的需要”的创造性回应来起作用。但是，生命并不能自己构成一个阶梯，因为局部环境的变化常使按上升途径发展的生物走入岔道。所以，长颈鹿有了长的脖子，涉水禽鸟有了蹼状足，而鼹鼠和生活在洞穴中的鱼则失去了眼睛。在这个理论框架中，获得性遗传占有重要的地位，但是并不起中心的作用。获得性遗传确保亲代获利，但是不促使生物的进化沿着自然的阶梯上升。

在19世纪后期，许多进化论者寻找与达尔文的理论不同的其他解释。他们又拾起拉马克的理论，扔掉了其中的主要部分（连续发生和复杂化的力量），而把他的理论机制中的一个方面——获得性遗传，抬高到拉马克本人从未想到过的中心位置。他们坚持获得的性状可以遗传，然而，却将获得的形状看作是环境直接强加给生物的。

虽然我将根据当代的用法，把拉马克主义界定为生物可以获得适应的形状，并且以改变遗传信息的形式，将这些形状传给后代。但是，我的确想指出，用获得性遗传这个名称去指称一位150年以前去世的非常杰出的科学家是多么糟糕。我们这个世界经常贬斥精致和丰富的东西。例如，可怜的药蜀葵是一种植物，它的根可以制成很好吃的水果糖，而现在它的名字却主要指由糖、明胶和玉米糖浆合成的物质。 [9]

直到20世纪，拉马克主义仍然是一种流行的理论。达尔文在证明进化是事实方面赢得了胜利，但是直到20世纪30年代博物学的传统和遗传学的传统结合之后，他的进化机制理论——自然选择理论，才赢得人们的普遍赞同。而且，达尔文虽然把拉马克主义看作比自然选择理论次要的进化机制，但是他本人并没有否定拉马克主义。例如，直到1938年，哈佛的古生物学家珀西·雷蒙德在我现在使用的桌子上写下了对他的一个同事的评价（我猜想）：“可能太具有拉马克主义者的色彩了，要是在苛刻的批评者看来，似乎比拉马克还拉马克。”我们必须认清拉马克主义的持续影响，这样才能理解不久以前的一些社会思潮。如果我们侧重于按照达尔文主义的框架去理解这些思潮的话（我们通常就是这样认为的），我们就不可能得出全面的理解。当改革者谈到贫穷、酗酒和犯罪的“污点”时，他们通常就是从“污点”这个词的字面意思上去考虑问题的，即联想到那些人的父辈以硬遗传 [10] 的方式将污点传至三代。当李森科在20世纪30年代提倡用拉马克主义医治苏联农业的痼疾时，他并不是在复兴一个19世纪的荒谬理论，只是在利用当时依然有影响的一个理论，只不过这个理论很快便衰落了。虽然这个有趣的历史信息并不能抹杀李森科的霸道——也可以说是他习惯的武断方式，但是，该事实使这个事件的奇妙性降低了。开始时，李森科与俄国孟德尔主义者的争论是一个合情合理的科学争论。后来，他却通过诡计、欺骗、手腕和谋杀来维护自己的优势，这才是悲剧。

达尔文的自然选择理论比拉马克主义复杂得多，因为达尔文的理论需要两个分别的过程，而不是单一的力量。达尔文和拉马克的理论都建立在适应的概念之上，即认为生物通过进化的形态、功能或者行为，更好地适应新的环境，以对环境的变化做出反应。所以，按照两种理论，来自环境的信息必然传给后代。在拉马克主义中，这种传递是直接的：生物感受到环境的变化，以“正确”的方式做出回应，并将其以恰当的形式直接传给后代。

达尔文主义则是两个步骤的过程，而且认为造成变异和进化方面的力量是不同的。达尔文主义者认为，第一步是遗传变异，这一步是“随机的”。这是一个不幸的术语，因为我们所说的随机，并不是数学含义上的同样可能向各个方面的变化。我们所说的随机，不过是发生的变异在适应的方向上没有倾向性。假如气温降低，多毛的外表就会有助于生存，控制更多体毛的变异并不是一开始就以高频率的方式产生出来的。第二步，是自然选择作用于无倾向性的变异上，并且通过使优势变种具有更大的生殖成功而改变一个群体。

这就是拉马克主义与达尔文主义之间的本质区别，拉马克主义基本上是一种定向变异的理论。如果多毛的外表皮更好一些，动物便会感受到这种需要，使体毛生得更多，并且将这种潜力传给下一代。这样，变异便自动地向适应的方向发生，并不需要有自然选择这样的第二种力量。许多人并不理解定向变异在拉马克主义中的实质作用。他们通常认为，难道拉马克主义不对吗？因为环境确实影响了遗传——化学诱变剂和放射性诱变剂可以增加突变率，进而扩大群体基因库的变异。这种机制增加变异的量，但是不决定变异的方向。拉马克主义则认为，遗传变异以倾向于适应的方向产生。

例如，在1979年2月期英国著名的医学杂志《柳叶刀》上，保罗·E.M.法因博士通过论述多种获得性但不定向的遗传生化途径，提出了他所认为的“拉马克主义”。病毒的DNA基本上是裸露的，可以插入细菌的遗传物质，而且将细菌的部分染色体传给后代。有一种“反转录”酶，可以调节从细胞的RNA“反向”解读DNA的遗传信息。并非所有情况都符合过去所认为的遗传信息从核DNA，经过中介物质RNA，到构成身体的蛋白质，是单向、无法逆转的信息流动——尽管沃森本人也赞成这是分子生物学的“中心法则”：DNA制造出RNA，再制造出蛋白质。因为具有插入基因的病毒是一种“获得的形状”，而且可以传给后代，所以法因没有理解拉马克主义要求获得的形状是由于适应的缘故。因为拉马克主义是定向变异的理论。据我了解，并没有证据表明任何生化机制可以导致生物有倾向地结合有利的遗传信息。或许有这种可能，或许曾经发生过，倘若真是那样，那真是令人激动的新发展，而且是真正意义上的拉马克主义见解。

但是，迄今为止，在孟德尔主义或DNA的生化研究中，我没有发现任何论据有助于使人们相信环境或获得性的适应可以指导性细胞向特定的方向变异。寒冷的气候怎么能“告诉”精子或者卵的染色体产生出长毛的突变？皮特·罗斯 [11] 怎么能将积极进攻的能力传到他的生殖细胞中呢？真是那样的话当然好，当然简单，当然要比达尔文式的过程更快地促进生物的进化。但是，就我所知，那并不是大自然的途径。

然而，拉马克主义依然存在，至少存在于公众的想象中。我们禁不住要问，为什么会是这样。阿瑟·凯斯特勒尤其突出地在几本书中坚定地捍卫了拉马克主义，其中包括《产婆蛙案件》。这是一部长篇著作，作者试图证明奥地利的拉马克主义者保罗·卡莫勒是不幸的。当卡莫勒发现自己得意的作品原来是由于注射了印度墨，是作伪的产物后，于1926年开枪自杀了（当然，主要是因为其他原因）。凯斯特勒希望至少建立一种“狭义的拉马克主义”，以抗击他认为无情而机械的达尔文主义正统观念。我认为，拉马克主义之所以保持着吸引力，主要原因有两个。

首先，有少数进化现象，看起来符合拉马克主义的解释。拉马克主义之所以有吸引力，通常是由于人们对达尔文主义的误解。例如，常有人提出，许多遗传的适应在产生之前，必然存在非遗传性的行为改变。有一个近代的经典案例，一些山雀学会撬开英式奶瓶盖，喝瓶里的牛奶。人们可能会联想到，接下来的就是山雀喙型的进化，使偷窃牛奶更容易（当然我们只需改用纸盒包装并停止送货上门，就可以将山雀的这种行为遏止在萌芽状态）。在这种情况中，主动的、非遗传的行为创新成了进一步加强进化的阶段，难道这不是拉马克式进化吗？难道达尔文不是将环境当作烈火，而把生物当成受烈火考验的实体吗？

但是，达尔文主义并不是机械的环境决定论。达尔文主义并不将生物看作受环境变化任意摆布的碰球。这些行为创新的例子完全符合达尔文主义——不过，我却赞赏拉马克异常坚定地强调，是生物本身起到了环境创造者的主动作用。那些山雀在学习侵犯奶瓶中，通过改变自己的环境，建立了新的选择压力，这时，自然选择将有利于一种不同形状的喙。新的环境并不促使山雀产生向着有利喙型方向的遗传变异。这一点，并且只有这一点，才是拉马克主义的观点。

还有一种现象，虽然名称不同，如“鲍德温效应”“遗传同化”，虽然表面上很像拉马克式变化，但是更适合用达尔文主义来解释。看一下经典的说明：在那些经常需要跪在地上的鸵鸟的腿上，长有胼胝质，但是这种胼胝质在使用之前的卵中就已经发育了。难道这不需要用拉马克主义来解释吗？具有平滑腿的祖先开始下跪，并且需要胼胝质作为非遗传的适应，就像我们这些长期从事写作的人，有的作家手有老茧，或者厚实的底皮。然而，鸵鸟的胼胝质却作为可遗传的适应遗传了下来，在使用之前便形成了。

至于达尔文主义对“遗传同化”的解释，可以利用保罗·卡莫勒的产婆蛙例子来说明。凯斯特勒很喜欢这个例子，然而，具有讽刺意义的是，卡莫勒做了一项达尔文式进化的实验，但是他却没有认识到这一点。产婆蛙是来源于水生祖先的陆生蛙，水生蛙的前爪上长有粗糙的皱褶，即交配垫。在打滑的环境中，雄蛙用这些垫在交配时握住雌蛙。陆生产婆蛙在坚实的陆地上交配，已经丧失了交配垫，只有少数异常的个体在早期的形态中发育出过交配垫。这表明产生交配垫的遗传能力并没有完全丧失。

卡莫勒迫使一些产婆蛙在水中交配，并且通过极少数在这种不适应的环境中生存下来的卵培养出下一代。这个过程经过几代的重复后，卡莫勒得到了具有交配垫的雄产婆蛙〔虽然后来有的产婆蛙被注射了印度墨（冒充交配垫），提高了效果，这也许并非卡莫勒所为〕。卡莫勒得出结论，他已经证明拉马克式进化的效应：他将产婆蛙重新放回到其祖先生活的环境中，这些产婆蛙获得了祖先的适应，并将这种适应以遗传形式传给了后代。

但是，卡莫勒做的的确是一项达尔文式的实验。当他强迫产婆蛙在水中交配时，只有少量的卵生存了下来。卡莫勒对于不同的遗传变异施加了一种有力的选择压力，即鼓励在水中的生存成功。而且他对于产婆蛙连续几代都施加了这种压力。卡莫勒施加的选择压力融入产婆蛙有利于水中生活的基因中，第一代亲本中并没有这种遗传组合。因为交配垫是一种对水中生活的适应，所以它们的表达可能与有利于水中生活成功的基因组合有关——这种基因组在卡莫勒施加的达尔文式选择的作用下，增加了频率。同样的道理，鸵鸟最初的胼胝质只不过是非遗传的适应。但是下跪的习惯因为有了胼胝质而得到了加强，当然，也就产生了新的选择压力，保持了可以编码这些特征的遗传变异，而胼胝质本身并非奇迹般地从成体到幼体的获得性传递。

其次，我认为拉马克主义一直有吸引力的更主要原因，在于它给人们提供安慰，使我们不再感到生活中缺乏普遍性的内在含义。拉马克主义加强了我们两个最深的偏见——我们相信努力应该能得到回报，我们希望存在一个有天然目的性和进步的世界。拉马克主义之所以使凯斯特勒及其他人文主义者着迷，更多的原因是因为它提供的慰藉，而不是它关于遗传的解释。而达尔文主义并没有提供这样的慰藉，它只是认为生物通过斗争增加生殖成功来适应局部的环境。达尔文主义迫使我们无处不去发现其中的含义，而任何艺术、音乐、文学、道德学说、个人的奋斗和凯斯特勒之流的人文主义能做到这一点吗？当答案仅仅是我们自己得出的时候（即这些答案是个人的，而且不是绝对的），为什么要强求自然去遵守，而且还试图限制自然的道路呢？

因此，根据我们的判断，拉马克主义在所涉及的领域（关于遗传属性的生物学领域）内错了。然而，仅通过类比就能发现，拉马克式进化是另一种“进化”属性——人类的进化——的模式。智人种（Homo sapiens ）至少在5万年前就产生了，没有任何证据表明，自那时起，我们人类发生过遗传改变。我猜想，一般说来，克鲁马努人经过适当的训练，也会像我们一样出色地操作计算机（毕竟他们的脑比我们的脑还要大一些）。我们所创造的一切，无论好坏，都是文化进化的结果。我们推动文化进化的速度，要比以前的生命进化速度快好几个数量级。地质学家不可能测量出我们的星球几百年或几千年的历史。然而，在地质史事件上的这几毫秒内，我们在没有生物学创新的情况下，通过我们的自我意识，改变了我们星球的面貌。从大约10万人用斧头，到40亿人拥有了炸弹、宇宙飞船、城市、电视和计算机，所有这一切，都是在没有实质性遗传改变的情况下取得的。

文化进化的速度，是达尔文式的进化过程无法相比的。在智人种中，达尔文式的进化依然存在，但是速度很慢，并且对我们的历史不再有影响。已经有人涉及这个地球历史上的疑难，如拉马克式进化就最终可以套用这个过程。人类文化历史的特征在于它是拉马克式的，与我们的生物学历史形成了鲜明的对照。我们一代人学到的东西，通过交流和书写，可以直接传递给下一代。技术和文化上获得的东西，可以遗传下去。拉马克式进化呈快速和积累式的过程。拉马克主义解释了我们的过去（纯粹的生物变化模式）与我们现在的最主要区别，现在人类的自由度在加大，新东西产生的速度在加快——也许人类在加速走向地狱。

8
相互关心的群体与自私的基因

客观世界可以排列成由不同层次构成的等级序列，一环套一环。从原子到由原子组成的分子，到由分子组成的晶体，到矿石、岩石、地球、太阳系，到由恒星组成的银河系，由星系组成的宇宙。在不同的层次，起作用的力不同。石头因为引力下落，但是在原子和分子层次，引力则很薄弱。所以，标准的计算都忽略不计引力。

生命也有不同的层次，在进化的过程中，每一个层次都有特定的作用。我们看一下三个主要的层次：基因、生物个体和物种。基因是生物的蓝图，生物个体是建构物种的砖瓦。有变异才有进化，如果没有大量可挑选的余地，自然选择就无法起作用。突变产生大量的变异，基因是变异的单位。生物个体是选择的单位。但是生物个体无法进化，只能生长、繁殖和死亡。在相互作用的群体中，才能发生进化。物种是进化的单位。简而言之，按照哲学家戴维·霍尔的说法，基因产生突变，个体被选择，物种发生进化。或者说，这就是正统的达尔文主义的观点。

达尔文思想的中心就是证明生物个体是选择的单位。达尔文认为，自然界的奇妙并没有“更高的”原因。进化并不考虑“生态系统的利益”，更不考虑“物种的利益”。自然中的所有和谐和稳定，都不过是生物个体追求各自的自我利益的间接结果——按照现代的术语，就是生物个体通过增加生殖成功使自己的基因更多地传到以后的世代中。生物个体是选择的单位，“生存斗争”是个体之间的事情。

然而，在过去的15年，对于达尔文强调生物个体是选择单位的挑战，已经在进化论者中间引起了热烈的争论。在这些挑战中，有人认为，选择的单位是在个体层次以上；也有人认为，选择的单位是在个体层次以下。认为选择的单位在个体以上的，有苏格兰生物学家V.C.韦恩-爱德华兹。他在15年前就提出，至少就有社群行为的生物的进化而言，选择的单位是类群，而不是个体。他的观点激起了持正统观念的人的不满。认为选择的单位是在个体层次之下的，有英格兰生物学家理查德·道金斯。他最近激起了我的不满，因为他宣称基因本身就是选择的单位，而生物个体只不过是基因的储藏所。

韦恩-爱德华兹在一部名为《与社群行为相关的动物扩散》的大部头书中，提出了他所捍卫的“群选择”观点。在这部书的开始，他讨论了一个难题：如果只是生物个体经过斗争来增加选择成功，那么，为什么有那么多的物种维持了群体的相对恒定，使资源的供给能满足它们的需要？按照传统的达尔文式回答，是外界的食物、气候和捕食者的限度，导致只有那么多成员可以得到食物，其余的则被饿死（或者冻死，或者被吃掉），所以群体数量稳定。而韦恩-爱德华兹却从另一个角度提出，动物通过估量生存环境的限度，来调节群体的数量，相应地也调节了它们的繁殖。他很快认识到，群选择理论与达尔文坚持的“个体选择”观点相抵触，因为群选择要求许多生物个体为了种群的利益约束或者放弃繁殖。

韦恩-爱德华兹假定物种都分成分离的种群。有些种群从未进化出调节繁殖的途径。在这样的种群中，个体选择占优势。年景好的话，种群数量增加，种群繁荣；年景不好的话，种群便不能自我调节，濒临衰亡，甚至灭绝。另外一些种群则形成了调节系统，许多个体为了种群的利益，牺牲了自己的繁殖（选择不可能仅仅有利于只顾自己利益的个体）。无论年景好坏，这样的种群都能生存下来。进化是种群间的斗争，不是个体间的斗争。种群通过个体之间利他行为的调节，就可以生存下来。韦恩-爱德华兹写道：“有必要假定社会组织才是进化的实体，它凭自身的能力，可以发生进步的进化，并变得更加完美。”

韦恩-爱德华兹根据这种见解，重新解释了绝大多数生物的行为。无论如何，环境只允许一定数量的生物繁殖。因而动物通过正常而精致的竞争系统，来获得更多的繁殖份额。在陆生物种中，每一块陆地上只能生活一定数量的动物，而动物（通常是雄性）则要显示自己已经占据了这块土地。失败者则体面地接受现实，为了整体的利益成了次要的独居者。（韦恩-爱德华兹当然并没有认为胜利者和失败者具备有意识的倾向，他设想是某些无意识的激素机制造成失败者的善意表现。）

在等级划分明显的物种中，动物只有占据了一定的地位，才有可能繁殖，所以，动物为了占据高的地位而竞争。竞争是通过虚张声势和炫耀来进行的，这样，动物不必像古罗马的斗士那样在搏斗中毁灭自己。在竞争中，比的主要是运气，而不是技能，分配适量的生殖份额远比谁能获胜更重要。韦恩-爱德华兹宣称，“竞争的惯例化与社群的建立是一回事”。

但是，动物怎么能知道繁殖份额有多少？除非它们能统计自己的群体大小，但它们显然不知道。韦恩-爱德华兹在他那最令人吃惊的假说中提出，通过群选择，聚集、密集、共同的歌唱及合唱等行为作为有效的统计方法进化出来了。他指的是“鸟类的歌唱、螽斯的啁啾、蛙的鸣叫、水中的鱼发出的声响和萤火虫的发光”。

在韦恩-爱德华兹的书发表后的10年间，达尔文主义者予以了激烈的抨击。他们采取了两种策略。首先，他们接受了韦恩-爱德华兹的多数观察，但是将那些现象重新解释为个体选择的例证。比如在我们同意存在明显的等级划分和占据地盘的动物中，谁赢谁就有一切。例如，动物的雌雄比为50:50，如果成功的雄性可以独占若干雌性，那么就不是所有的雄性都能配育。每一个生物都按照达尔文式的方式竞争，这样才能更多地将它们的基因传递下去。失败者并非体面地离开和甘愿为了共同的利益做出牺牲。它们只不过是被击败，如果有运气，在下一次尝试中还有可能取胜。这样的结果也可以使群体井然有序，不过机制则是个体之间的斗争。

实际上，韦恩-爱德华兹所列举的利他主义的所有例子，都可以重新解释为个体之间的故事。例如，在许多鸟群中，首先发现捕食者的鸟会发出起警戒作用的叫声，于是鸟群散开。但是，按照群选择论者的观点，发出叫声的鸟，通过将注意力吸引到自己身上，而拯救了同伴，即为了鸟群的利益而自我牺牲（或者至少是遇到了危险）。发出叫声尽管对于单个的利他行为者有危险，但是存在利他行为喊叫者的种群，要比所有个体都自私、都不喊叫的群体有优势。但是，争论依然存在，不下10种观点认为，喊叫对喊叫者有利。有一种观点认为，喊叫的鸟想找到安全的位置，但是不敢擅自打破原有的队形，否则捕食者会发现脱离阵形的单个鸟。所以喊叫者向周围的鸟群发出喊叫声。作为喊叫者，和同伴相比，它可能不占优势（首先它可能更不安全），但是，比起保持沉默允许捕食者随便抓住其他鸟（也许是自己）来，发出喊叫会使它的状况更好一些。

反对群选择的第二种策略是，将显然无益处的利他行为解释为通过亲属的生存来传播自己基因的一种自私行为，即亲选择理论。同胞之间一般有一半的基因相同，假如你的死可以换来三个同胞的生，那么，通过他们的繁衍，便有150%的你可以传播下去。因此，即使不是为了你肉体的延续，你的行为也是为了你自身的进化利益。亲选择是达尔文式个体选择的一种形式。

这些不同的解释并没有驳倒群选择理论，因为它们只不过是以更传统的达尔文式个体选择模式重新讲述群选择的故事。对这个问题的争论已经成为过去，一种一致的意见（或许也不正确）似乎就要产生出来了。多数进化论者现在承认，在一些特定的情况（物种由许多分离但具有社群依附性的种群组成，种群之间存在竞争）中，有可能发生群选择。但是，他们认为这种情况并不常见，因为独立的种群常常是有亲缘关系的类群，这样更适合亲选择种群中的利他行为。

然而，当个体选择理论在与强调高于个体层次的群选择理论争论中相对来说并未受到损失时，有的学者又从低于个体层次的角度对个体选择理论进行了攻击。他们指出，选择的单位是基因，而不是生物个体。他们一开始便又抛出巴特勒的名言：一只鸡只不过是一个鸡蛋造就另一个鸡蛋的途径。他们认为，一个动物只不过是DNA制造更多的DNA的途径。道金斯在他新近出版的著作《自私的基因》中最起劲地倡导了这种观点。他在书中写道：“一个身体是基因保持基因不变的途径。”

在道金斯看来，进化是基因之间的战斗，每一个基因都在追求更多地复制自己。身体只不过是基因一时聚集的地方。身体是基因暂时的储藏所，是受基因控制的生存机器。一旦基因在身体的下一代中完成了复制，并且传递了尽可能多的拷贝，身体便被抛到地质堆里了。他写道：

我们是生存机器，是被盲目编程的自动机械，为的是保护叫作基因的自私分子……

基因聚集在巨大的克隆中，它们在庞大的机器中很安全……基因就存在于你我之间，它们创造了我们的灵与肉，保护基因是我们得以存在的最终理由。

道金斯显然放弃了达尔文主义的生物个体是选择单位的概念。他说：“我应该指出，选择的基本单位，即自私的基本单位，不是物种，不是种群，严格地说，也不是个体，而是遗传的基本单位——基因。”所以，我们不应该再讨论什么亲选择和表面上的利他行为。身体不是合适的选择单位，身体只不过是基因识别自己拷贝的地方，身体的作用仅仅是保存基因的拷贝和制造更多的拷贝。基因并不在意哪个身体碰巧是它暂时的家。

我在批评之前首先要指出，我对道金斯的论述中最令人吃惊和最令人不能忍受的成分——赋予基因以意识的行为，并不感到厌烦。道金斯像你我一样，知道基因并没有计划和方案，基因并不像一个有意识的动物一样保护自己。道金斯只不过习惯性地使用了一些比喻或简明的方式，所有写作有关进化通俗作品的作家都使用这种方法，我也是一样（虽然我希望节制一些），只不过他使用得更加丰富罢了。当他说基因努力制造更多自己的拷贝时，他的意思是：“选择的作用有利于那些不失时机地改变方式以使后代中有更多拷贝的基因。”第二种方法比较准确，但是冗长；第一种说法直截了当，虽然表达得不太准确，但是可以作为比喻来接受。

然而，我依然在道金斯从个体层次之下向个体选择理论发出的挑战中发现了致命的缺陷。无论道金斯赋予基因多大的力量，有一种东西他无法使基因具备，那就是自然选择施加影响时所应有的可见性。选择无法看到基因，无法直接作用于基因，选择必然需要身体做中介。基因是存在于细胞中的一段DNA，选择看得到的是身体。选择之所以有利于某些身体，是因为这些身体更强壮，隔离得更彻底，性成熟得更早，在搏斗中更凶猛，或者看起来更美。

假如在有利于更强壮的身体中，选择直接作用于导致身体强壮的基因上，那么道金斯可能是对的。如果身体是清晰的基因图像，而且DNA片段之间的搏斗会外在地表现出来，那么选择可能是直接作用于基因上。但是身体不是这个样子。

并不存在“决定”像你的左髌骨或指甲这样明确而细微的形态的基因。不可能将身体划分成一个又一个的部分，每一个部分由单一的基因造成。身体上大多数部分的构造与上百个基因有关，而且，基因的作用要通过环境千变万化的影响来传递。这些环境包括胚胎的、出生后的、体内的和体外的。身体的各个部分不能转译成基因，选择也不能直接作用于身体的各个部分。选择保留或者淘汰的是作为整体的生物，因为是身体的各个部分以复杂的方式相互作用，才表现出优势。设想单个的基因按照自己的生存轨迹发展，这与我们理解的发育遗传学毫不相干。道金斯需要的是另一种比喻：基因之间进行讨价还价，结成联盟，抓住机会，签订协议，把握住可能的环境。但是当聚合了这么多基因，它们组合成等级分层的链，其作用受环境的左右，那么我们便将生成的客体叫作身体了。

而且，道金斯的观点要求基因影响身体。选择无法看到基因，除非基因转译成导致生物出现差异的各种形态、生理和行为。我们不仅需要基因与身体一对一的安置（有关这个问题的批评，见下一段），我们还需要基因与适应一对一的安置。具有讽刺意味的是，道金斯的理论提出之时，正值越来越多的进化论者反对泛选择论者所宣称的身体的各个部分都要经受自然选择考验的时候。可能的情况是，许多基因，也许是多数基因，起的作用相同（至少是差不多相同），而且选择可能并不在基因中挑来选去。假如大多数基因并不表现出来，选择无法发现的话，基因就不可能是选择的单位。

简而言之，我认为道金斯的理论之所以产生出令人着迷的效果，是由于西方科学思想中的某些不良品性——是由于我们称作（请原谅，是专业术语）原子论、还原论和决定论的态度。这种观点认为，整体应该分解为“基本的”单位后才能理解，可以发现微观单位的性质并用来解释宏观结果的行为，所有事件和客体都有明确的、可预测的、决定性的原因。在我们研究内含成分少、不受以前历史影响的简单客体时，利用这种观点是成功的。我的确知道，当我打开电炉开关时，电炉会点燃（现在的确点燃了）。气体定律是根据分子及分子团的可预测性质形成的。但是，生物并不是基因的堆积物。生物有它的历史，生物的各个部分以复杂的方式相互作用。生物是基因的协调作用产生的，这种作用受环境的影响，并转化成看不见和看得见的部分。决定水的性质的分子无法和基因与身体进行类比。我不能决定我自己的命运，但是，我对于整体的直觉可能是一种生物学的真理。

[1] 戏连城游戏是两个人在一个井字方格中画“×”或“○”，先连成一行者获胜。——译注

[2] 西方比喻，意思是逃脱了小难又遇大难。——译注

[3] 孔德（1798—1857），法国哲学家，实证主义和社会学的创始人。——译注

[4] 见《马克思恩格斯全集》中文版，第30卷，人民出版社，1974年，262页。——译注

[5] 蓟马，缨翅目昆虫的泛称。——译注

[6] 《圣经·新约·路迦福音》2:29—32中所载老人西面吟诵的赞美诗。——译注

[7] 《圣经·旧约·创世记》25。——译注

[8] 《圣经·旧约·赞美诗》37:25。——译注

[9] 在目前的美式英语中，药蜀葵的意思是指一种合成的软糖。——译注

[10] 生物学用语，意思是生物的遗传性不改变。——译注

[11] 皮特·罗斯（1942—），美国著名棒球运动员。——译注

第三部分
人类的进化

·从生物学的角度向米老鼠致敬

·辟尔唐人回顾

·我们进化中最伟大的一步

·在生命中间

9
从生物学的角度向米老鼠致敬

岁月常使热情减退。利顿·斯特雷奇 [1] 在对弗洛伦斯·南丁格尔 [2] 的深刻描述中，提到了她的晚年：

耐心等待的命运，给南丁格尔小姐开了一个糟糕的玩笑，长期生活中的仁爱和公共精神，换来的却是苦涩。她的美德难以为继……现在，嘲弄人的岁月惩罚了这个骄傲的女人。她虽然还活着，但如同已经死去。她失去锋芒，她变得柔弱，蜕变为一个驯良的和无所追求的人。

由此，我毫不奇怪地发现，有一种生灵，虽然人们给它起的名字令人生厌，却充满激情。当然，有的人可能觉得我的这个类比是一种不恭。米老鼠已经受人喜爱了50年，为了纪念这一时刻，许多剧团重新演出了米老鼠第一次出演的节目《威利号轮船》（1928）。最初的米奇是个桀骜不驯，甚至有虐待狂倾向的家伙。有一个令人难忘的场景，米奇和明尼打算发明一种声响，它们得意而狂喜地击打、紧抱、转动船上的动物，让它们一起热烈地唱出“草堆里的火鸡”。米奇和明尼紧紧地抱着一只鸭子，使它喊叫不已。它们转动一只山羊的尾巴，拧一头猪的奶头，敲打母牛的牙当临时的木琴，并且用牛的乳房当风笛。

克里斯多弗·芬奇在一部有关迪士尼作品的半正式插图本历史书中提到：“20年前电影上米老鼠的行为，并不像我们今天熟悉的那样安详和举止得当。它爱捣鬼，至少可以说，它有残忍的品性。”但是，米奇的行为不久便焕然一新。人们谈论和猜测的只是米奇和明尼之间尚未明确的关系，以及默蒂和弗迪的情况。芬奇继续写道：“米奇……几乎成了国家的象征。这样，它们的行为在任何时候都要像人们期待的那样得体。倘若它们的行为越轨，电影制片厂就会收到许多市民和组织的来信，这些人和组织认为他们有责任维护国家的道德健康……米奇最终成了正直的角色。”

随着米奇的个性变得温和，它的外貌也发生了变化。许多迪士尼作品的影迷都意识到它的形态随着时间发生了变化，但是（我猜想），很少有人认识到在米奇的整个形体改变背后的协调性问题。事实上，我不清楚迪士尼公司的艺术家们是否明确意识到他们在做什么，因为米老鼠外形的改变是以非常缓慢而逐步的方式进行的。简单地说，更加温良和讨人喜欢的米老鼠，在外表上也不断变得年轻。（由于米奇的实足年龄从不改变，许多卡通人物面对时间的考验都无动于衷，所以年龄恒定的外表变化，是一种真正的进化变化。持续的年轻化是一种进化现象，叫作幼态持续，详见后文。）

许多生物学家都研究过人类生长中形态的典型变化。在子宫中，胚胎的头端比脚端先分化，而且生长速度比脚端快（按专业术语说，叫作前后梯度）。一个新生儿的头比较大，身材中等，腿和脚比较小。随着生长，这种梯度发生倒转，腿和脚的生长速度超过了头端。头仍然继续生长，但是生长的速度比身体的其他部分要慢得多，结果，头相对变小。

另外，在人类的生长中，头本身发生了许多变化。三岁之后，脑的生长减缓，婴儿的圆形颅变成了成年人的倾斜、低眉骨形状。眼睛也几乎不再增长，眼的相对大小骤然降低。颌却变得越来越大。与成年人相比，小孩儿的头和眼都比较大，颌比较小，颅向前凸，腿比较小、短且粗，脚小且宽。我很抱歉地要指出，成年人的头像猿的头。

然而，在过去的50年，米奇却走了一条反向的个体发育途径。与50年前在《威利号轮船》中的老鼠形状相比，米奇的外表更像小孩儿了，成了动画王国中惹人喜爱并且温良的主角。到了1940年，从前拧猪奶头的家伙，出人意料地变成了顺从的东西（例如在《幻想曲》和《魔法师的弟子》中）。到了1953年，在它最后的卡通片中，米奇在钓鱼时，甚至不去制服一个无足轻重的蛤。

迪士尼的艺术家们聪明地使米奇的外表静悄悄地发生了改变，他们含蓄地从不同的途径模仿自然本身的变化。为了使米奇有儿童似的短而粗的腿，艺术家们放低了米奇的裤子，并用宽松的外装罩住了米奇纤细的腿。（实际上，米奇的胳膊和腿变粗——有了关节，显得不僵硬。）米奇的头相对变大，特征更年轻了。米奇鼻子的长度并没有改变，但是声音变粗则意味着鼻子不再那么突出。米奇的眼睛按两种方式发展。首先，米奇当初的整个眼睛后来变成了瞳仁，从而显得大了，这是一种非连续性的进化转变；其次，眼睛向后移了。

米奇颅凸的改变途径很有意思，因为米奇的整个进化一直局限在某些形态不变的范围内，即头是圆的，上面有两个显眼的耳朵和一个长鼻子。这种圆形不改变，米奇便不可能有凸出的颅骨。不过变化的只是米奇的耳朵向后移了，鼻子和耳朵之间的距离加大，脸部比较浑圆，不太倾斜。

为了将这些观察进行科学的定量分析，我使用了我的最好的一副刻度卡尺，划分出米奇系统发育的三个阶段：30年代早期的特征是尖鼻子、耳朵朝前（第一阶段），后来的“水手杰克与豆茎”时的特征（1947年，第二阶段），以及现代的米老鼠（第三阶段）。我测量了米奇逐渐表现出来的三个幼体特征：眼睛的大小在头长（鼻子的根部到后耳顶端）中所占的比例增加（达到最高点）；头的长度在身长中所占的比例增加；经过前耳后置，颅顶增大（从由鼻根到后耳顶端，增大为由鼻根到前耳顶端）。

这些比例都稳定地增加，眼睛的大小在头长中的比例从27%增加到42%，头的大小在身长中的比例从42.7%增加到48.1%，鼻子到前耳距离占鼻子到后耳距离的比例从71.7%增加到异常大的95.6%。为了进行比较，我测量了米奇年轻的“侄子”默蒂。无论从哪一种情况看，米奇虽然保持了头的长度，但显然都在向更年轻的阶段进化。

这时你肯定要说，只有毫无名气的科学家才会去研究卡通片中的米老鼠。部分原因可能是由于无聊，而且还是个米老鼠迷（我依然喜欢《皮诺曹》和《公民凯恩》）。不过我是要提出两个严肃的观点。我们首先必须要问，为什么迪士尼公司如此逐步而一致地按相同的方向改变它最有名的角色呢？国家象征的更改并不显著，而且从事市场研究（尤其对于玩具业）的人已经投入了大量的时间和努力去了解什么样的特征惹人喜爱、友善、更吸引人。生物学家同样花费了大量的时间研究许多动物中存在的类似问题。

康拉德·洛伦兹在一篇很有名的文章中提出，人类利用婴儿和成人之间形态上的典型差异作为重要的行为线索。他相信，幼年的特征可以焕发成年人的慈爱和养育之心的“固有机制的释放”。当我们看到活生生的生灵具有婴儿的特征时，我们就会感到温馨，我们的顾虑也就自动消失了。这种反应的适应值是毫无疑问的，因为我们必须养育我们的婴儿。洛伦兹还列举了令人释然的明显婴儿特征，迪士尼公司不断地将这些特征赋予米奇：“相对大的头，明显的脑盖，眼睛大且位置低，突出的脸颊，短而粗的四肢，灵巧的呆板，笨拙的运动。”我不打算在这篇文章中讨论那个有争议的问题，即我们对婴儿式特征的友善反应是否像洛伦兹认为的那样，真正是天生的，或者是直接来自灵长类祖先，还是通过我们与孩子直接接触的经验习得的，却将友善的进化倾向与一定的习得印记联系了起来。对于每一种情况，我的论点都能说得过去，因为我只是宣称婴儿式的特征可以激发成年人产生出强烈的友善情感，无论这种情感是具有生物学基础的直接编程，还是由习得能力所固定的标记。我把我的观点看作是与洛伦兹文章中的主要论点并行的论点。洛伦兹的主要论点是，我们并非对全部特征做出反应，只是对令我们释然的特征做出反应。这个论点对于洛伦兹来说是重要的，因为他想提出人类与其他脊椎动物的行为模式具有进化的一致性。但是我们知道，某些鸟通常是对抽象的特征，而不是对全部的特征做出反应。洛伦兹的这篇文章发表于1950年，题目是《动物社群和人类社会中的整体与部分》。我们可以根据这篇文章的一些论点，来解释迪士尼公司的米奇的逐渐变化，米奇以连续的方式显示出洛伦兹所说的令人释然的特征。

米奇50年的进化（从左至右）。随着米奇的行为变得愈加可爱，它的外形也变得愈加年轻。通过对它发展的三个阶段的测量表明，它具有相对大的头、大的眼睛和大的颅——这些都是幼年的特征。

版权所有：沃尔特·迪士尼公司

洛伦兹重视我们保持幼年特征的力量和这种力量造成的影响。他指出，我们根据同样的标准来说明其他动物，从而强调了这种力量产生的影响具有抽象的性质。然而，或许从进化论的角度看，这样的判断并不合适。简而言之，我们对于婴儿的进化反应愚弄了我们，并且我们对于其他动物所具有的同样特征做出了类似的反应。

许多动物都具有人类婴儿的一些特征，不过原因并非要激发人类的友善情感。在这些特征中突出的是大眼睛、凸出的前额和塌陷的下巴。我们被这样的动物所吸引，我们把它们培养成为宠物，我们在野外驻足欣赏它们，但是我们却拒绝了它们的那些小眼睛、长鼻子的亲戚，它们也可能成为更友善或更具有观赏价值的对象。洛伦兹指出，在德语中，许多具有人类婴儿特征的动物的名称后面都有表示昵称的后缀chen，即使这些动物比没有这类特征的近亲个头儿大也是如此。例如Rotkehlchen（知更鸟），Eichhornchen（松鼠）和Kaminchen（兔子）。

米老鼠的进化

在米奇进化的早期阶段，它的头、颅穹、眼都不大。它向着它年幼的侄子默蒂的性状方向进化（通过虚线与米奇相连）。

人类喜欢有幼体特征的动物：大眼睛、前额突出、脸颊较小（左图）。而小眼睛、长鼻子的动物（右图）却不受人的待见。引自《动物和人的行为研究》第2卷，唐拉德·洛伦兹，1971年。梅图恩公司出版。

在他文章令人着迷的部分中，洛伦兹夸大了我们从生物学角度上对其他动物，甚至对具有人类特征的非生命事物的不恰当的回应能力。“大多数奇异的物体可以由于‘按照人类的经验附上’人类的特性，获得明显特定的情感价值……当一个人站在高处，身体略微向前倾斜时，狭长而陡峭的峭壁和乌云密布便直接呈现出同样的情感价值，即令人恐惧。”

我们可能会禁不住认为骆驼“冷漠、不友善”，因为骆驼虽然不是有意的，而是由于其他原因，模仿了许多人类文化中常见的“傲慢、独尊的姿势”。我们的这种姿势是仰起头，鼻子朝天，继而是眯着眼睛，用鼻子呼吸，像老式的英国上层人和他那训练有素的仆人“装模作样地清嗓子”。洛伦兹相当肯定地指出“这种姿势完全是对其他卑微的同伴的一种象征性蔑视的感觉形式”。但是，可怜的骆驼鼻子朝上、嘴巴朝下是不得已的。正如洛伦兹提醒我们的那样，要想控制一头骆驼，看它的耳朵部分，看它脸的其他部分则不管用。

查尔斯·达尔文在1872年出版的一部重要著作《人类和动物的表情》中，追溯了许多原先是动物的适应行为，但是后来被人类吸收作为共同姿势的进化基础。由此他提出，进化的连续性不仅体现在形态上，而且体现在情感上。我们在极度愤怒时，会咆哮并翘起我们的上唇，展示我们已经失去搏斗作用的犬齿。我们厌恶时，会表现出作呕状，而作呕则是在一定环境下高度适应的行为。达尔文的结论令当时许多维多利亚时代的人都感到不悦：“人类的许多表情，如我们在极度恐惧时毛发直立、在愤怒时露出牙齿，除非相信人类经历过更低等的动物阶段，否则无法理解。”

总而言之，抽象的人类孩童特征使我们生发出强烈的情感回应，即使其他动物也有这些特征。我认为米老鼠的进化历程与生长的途径正好相反，反映出迪士尼的艺术家们无意识地发现了这个生物学原理。事实上，绝大多数迪士尼公司创造的形象，它们的情感状态都建立在一些共同的特征上。由此可见，童话界掌握了生物学上的幻觉，即我们的抽象能力和倾向性，使我们把对生长中的婴儿做出的适宜反应不恰当地转移到其他动物身上。

唐老鸭也随着时间的推移表现出更多的幼体特征，它狭长的嘴缩短了，眼睛变大了。就像米奇追求明尼一样，唐老鸭向休易、路易和杜威套近乎。但是唐老鸭已经继承了当初米奇胡闹的衣钵，在形态上保留了更多的成体特征。例如，有突出的嘴和比较斜的前额。

而那些老鼠中的恶棍和嬉皮士 [3] 则与米奇的形象不一样。它们虽然与米奇的实龄相同，但是外貌却总像个成年。例如，1936年迪士尼制作了一部短片，叫作《米奇的对手》。在这部电影中，纨绔子弟莫蒂默乘着一辆黄色跑车，死乞白赖地要参加米奇和明尼宁静的郊外野餐。极不体面的莫蒂默的头长占身长的29%，而米奇的占45%；莫蒂默的鼻子占头长的80%，而米奇的占49%。（然而，尽管存在这样的差异，明尼却一直对莫蒂默很友好，直到邻近的一个庞然大物除掉了米奇的对手莫蒂默。）我们还可以看一下迪士尼在其他角色中夸大的成体特征。例如，妄自尊大、横行霸道的假腿彼特，单纯、可爱的笨蛋古菲。

我从生物学的角度对于米奇在形态上经历的漫长历程所要做的第二个认真的评论是，米奇永葆青春的途径是我们人类进化故事的缩影。人类是幼态持续的生灵。我们人类是通过在成体中保留了祖先的幼体特征进化的。我们的祖先南方古猿的成体，就像《威利号轮船》中的米奇一样，颌向前突出、颅顶低。

名声不佳的花花公子莫蒂默（正在夺米奇所爱），比米奇有更明显的成体特征。它的头在身体中所占的比例很小，鼻子占头长的80%。

版权所有：沃尔特·迪士尼公司

我们胚胎中的颅骨与黑猩猩胚胎的颅骨差不多。而且我们人类和黑猩猩生长中的形态改变途径差不多：由于出生后脑的生长比身体的生长慢，所以颅顶相对降低，而颌却继续相对地增长。但是，黑猩猩的这些变化更明显，使得黑猩猩的成体和幼体的形态有很大的区别，而我们人类的同样途径则很缓慢，成体和幼体的区别也不太大。所以，我们在成体中保留了幼体的特征。我们的婴儿和成年人之间确实有明显的差异，但是我们经历的变化要比黑猩猩及其他灵长类小得多。

我们明显降下来的发育速度导致了我们幼态的持续。在哺乳动物中，灵长类的发育速度是慢的。但是我们的发育速度慢到其他哺乳动物无法比拟的地步。我们的孕期很长，婴儿期延迟，在哺乳动物中，我们的寿命最长。持续年轻的形态特征使我们获益匪浅。我们的大脑增大，至少部分原因是我们出生前脑的快速生长延续到以后的岁月。（所有的哺乳动物都是脑在子宫中生长很快，不过，出生后的生长都很慢。而我们人类已经将这种胚胎中的快速生长延续到出生后的生命中。）

迪士尼的角度中卡通恶棍具有夸大的成体特征。古菲像莫蒂默一样，相对于身体来说，头比较小，有一个前突的鼻子。

版权所有：沃尔特·迪士尼公司

但是，定时发育本身的变化一直很重要。我们是出色的习得动物，我们儿童期的延长有助于通过教育来传播文化。许多动物的幼体也都表现出易变性，并且像人类的幼儿一样爱玩耍。但是，动物一到成体之后便在行为模式上变得循规蹈矩。洛伦兹在我上面提到的同一篇文章中写道：“真正的人类特征是一直保持着发育状态。这一富有活力的特征是人类幼态持续的本性赐予的一个礼物。”

简而言之，我们像米奇一样，虽然会长大，但是保持着年轻。米奇，祝你下一个50年交好运。我们可以像你一样的年轻，不过要比你智慧。

10
辟尔唐人回顾

多年未解的奥秘最引人入胜。许多行家将约瑟芬·泰的《时间的女儿》看作迄今最伟大的侦探故事。因为其中的主角是理查三世 [4] ，而不是像现代的罗杰·艾克罗依德那样无关紧要的谋杀者。陈年的故事一直是热烈而且无休止争论的话题。谁是“碎尸者”杰克 [5] ？到底谁是莎士比亚？

25年前，在我的专业古生物学中揭发出一个一流的历史之谜。1953年，披露出辟尔唐人原来是捉摸不定的骗子编造的一场骗局。从那时起，人们的兴趣就没有降低过。就连那些连霸王龙和翼龙都分不清的人，也对辟尔唐人的检验有明确的观点。除了一些“谁干的”之类的简单问题之外，报刊上的专栏也关注一个我认为只有知识分子才会感兴趣的问题：为什么当初人们承认了辟尔唐人？我之所以谈论这个问题，是由于最近的大量新闻报道中提出了另一种猜测，我认为这个猜测缺乏根据。作为一名对古老奥秘感兴趣的读者，我不得不表达我自己的见解，现在正逢其时。

1912年，来自苏塞克斯郡的律师和业余古生物学家查尔斯·道森，带着一些颅骨碎片来见大英（自然）博物馆地质部主任阿瑟·史密斯·伍德沃德。道森说，第一块碎片是1908年一个工人在一个墓穴中挖出来的。自那以后，道森一直在那个废石头堆中寻找，又发现了少量碎片。这些骨头经过磨制和染上深深的颜色，像是一直就在那个墓地似的，看起来不像近代埋葬的遗物。不过从形态上看，颅骨显然是现代的，就是骨头异常厚。

作为一位测量者，史密斯·伍德沃德很兴奋，他跟着道森去了辟尔唐，在那里，他们和泰依亚·德·夏尔丹神父一起，在废石堆中寻找出更多的证据。（无论你是否相信，就是这个泰依亚，后来成了著名的科学家和神学家，15年前，他在《人的前景》一书中试图将进化、自然和上帝协调起来，从而受到人们的景仰。泰依亚1908年在英国辟尔唐附近的黑斯廷斯耶稣学院学习。1909年5月31日，他在一个采石场与道森相遇。老到的律师和年轻的法国人成了挚友、同行及合作考察者。）

在他们的一次合作考察中，道森发现了那个著名的颚骨，即下颌骨。这个颌骨也像头盖骨碎片一样，被染上了较深的颜色，大脑从形态上看起来像猿的骨骼，颅骨则像人。这块颌骨中含有两个臼齿，臼齿的平滑程度在人类中很常见，但是与猿的臼齿不一样。不幸的是，这个颌骨断成两截，但是可以利用头盖骨将两块颌骨拼合起来。一块是颏部，与人和猿的颏部都不同，另一块是和颅骨相连的关节区。

史密斯·伍德沃德和道森带着头盖骨碎片、下颌骨和他们共同采集并经过加工的燧石及骨骼，加上已经确定属于很久以前哺乳动物的化石，于1912年12月18日在伦敦地质学会上做了第一次展出。整个说来，人们接受了这些样品，不过接受的程度不同。没有人发现这是一个骗局，不过一些批评者认为，这种人的颅骨和猿的下颌的结合物可能是两种不同的动物在采石场混在一起的遗物。

在接下来的三年，道森和史密斯·伍德沃德拿出了一系列新的发现，澄清了人们的怀疑。回过头再看的话，便会看出，这些发现编造得不太高明，无法消除人们的疑虑。1913年，泰依亚发现了重要的下犬齿。这个犬齿形状上像猿的犬齿，却是根据人类的犬齿形状研磨过的。然后，到了1915年，道森又在距原先地点三公里的第二个地点，发现了有相同联系的两块厚的人类颅骨碎片和按照人类牙齿研磨过的类猿牙齿，从而使多数反对者都折服了。

亨利·奥斯本当时是美国著名的古生物学家，他原来也怀疑辟尔唐人的真实性，后来转变了观点，他写道：

假如在史前时期真有天之骄子的人类存在，他们的形态也只能是这样，道森发现的第二个辟尔唐人的三个碎片确实符合我们设想的最初形态，与第一个辟尔唐人化石放在一起，两个辟尔唐人相当一致，没有什么差别。

奥斯本根本就不知道，辟尔唐的“天之骄子”按人类的姿势行走。

在以后的30年，辟尔唐人在人类的史前史上占据了一个不太恰当但被人们普遍认可的地位。然后，到了1949年，肯尼思·P.奥克利使用氟检验法检验了辟尔唐人遗骸。地层中的骨骼随时间的推移，会积累一定的氟，含量与周围的岩石和土壤中的氟含量相近。但是辟尔唐人的头盖骨和下颌骨的氟含量非常低，这些骨头不可能在那个地点埋了很长时间。不过，当时奥克利还没有猜想到辟尔唐人可能是一个骗局。他提出辟尔唐人是在比较近的年代埋到那个墓地的。

但是，过了几年，在J.S.韦纳和W.E.勒格罗斯·克拉克的合作下，奥克利终于想到了另一种可能——那些“埋葬品”是这个世纪的人有企图编造的骗局。他发现辟尔唐人的头盖骨和颌骨经过了人工染色，燧石和骨头则用现代的小刀加工过，陪葬的哺乳动物虽然是真正的化石，却是从其他地方移来的。而且辟尔唐人的牙齿仿造人类的牙齿磨制过。这个古老的异常现象——猿的下颌和人的颅骨——完全是以非常简单的方式制造的。头盖骨是现代的，颌骨是大猩猩的。

然而，是谁把这样的一个极为荒谬的发现呈现给那些对这样的发现感到如此惊奇的科学家面前的呢？甚至直到发现其中有些现象很异常，显然是制造出来的之前，那些科学家一直还被蒙在鼓里。三个基本的人员当中，泰依亚被认为太年轻了，不是故意的，只不过是上当受骗了。也没有人怀疑史密斯·伍德沃德（我认为这种看法正确），他性子很直，一直都在证明辟尔唐人的真实性，甚至他到了80多岁，已经退休了，眼睛失明，但还是出版了最后一部书，书名带有沙文主义色彩——《最早的英格兰人》（1948）。

人们主要怀疑道森。他当然有机会，但是至于他是出于什么动机，却没有人提出令人满意的解释。道森曾是很有名的业余爱好者，做出过一些重要的发现。他在与其他业余爱好者交往时，过于热心，缺乏鉴赏力，甚至有些不慎重。但是没有证据表明他曾经与谁串通过。不过，J.S.韦纳在《辟尔唐人的骗局》（1955）一书中对整个案件做了有力而出色的综述。

支持道森的人坚持认为，在辟尔唐人的骗局中一定有专业的科学家参与，至少是作为同谋。因为辟尔唐人是一个相当聪明的作伪。我一直认为这种看法站不住脚，提出这种看法的科学家主要想解脱自己未能及早发现这个不太复杂的骗局。不过辟尔唐人头盖骨的染色的确做得很完美。但是辟尔唐人的“工具”雕琢得很一般，而且牙齿的排放也很粗陋。一旦科学家根据正确的假说去看的话，就会发现出雕琢的痕迹。勒格罗斯·克拉克写道：“人们会立刻发现人为磨制的迹象。这一点确实非常明显，所以我们不禁要问，为什么以前就没有人注意到。”造伪者的主要技巧在于知晓舍弃什么——不要颏骨和关节骨。

辟尔唐人头盖骨。

美国自然博物馆提供

1978年11月，新闻中又大量重谈辟尔唐人，因为怀疑另一个科学家可能是同谋。牛津大学的地质学荣誉教授J.A.道格拉斯在一盒录音带中指出，他的前任W.J.索拉斯也是有罪的人。为了支持这种观点，道格拉斯提出了三个证据（不过在我的文章中它们很难成为证据）：（1）索拉斯和伍德沃德势不两立。（什么，学院成了蛇窝？但是，口诛笔伐和精心策划的骗局截然不同。）（2）在1910年，道格拉斯送给索拉斯一些庞大的骨骼化石，可能被用作“迁入”的动物。（但是这种骨骼和牙齿都不难搞到。）（3）索拉斯曾经弄到一包重铬酸钾，无论道格拉斯还是为索拉斯照相的摄影师，都不清楚他为什么要这个东西。辟尔唐人的骨骼是用重铬酸钾染色的。（重铬酸钾也是照相中的重要化学药品，然而，我不会把索拉斯摄影师含糊不清的看法当作证明索拉斯已经有了邪恶念头的依据。）简而言之，我发现证明索拉斯是罪犯的证据没有什么说服力，所以我奇怪为什么英美的著名科学杂志对此这么津津乐道。我把索拉斯完全排除在外，也许这样做会产生出一个疑难，因为索拉斯在他的著作《古代的猎手》中，明显恭维地赞扬了史密斯·伍德沃德关于辟尔唐人的观点，不过人们也可以把索拉斯的赞扬看作巧妙的嘲讽。

我觉得只有三个假说可以成立。首先，一些业余古生物学家怀疑道森，他们不太喜欢道森（其他人也有同样的看法）。一些同事把道森看作骗子，还有一些人非常妒忌道森在专业圈子里占有一定的地位。或许是道森的一个同事设想了这种复杂而特别的复仇方式。第二个假说，我认为也许这个假说最有可能成立，认为是道森独自干的，但是他到底是出于要出名还是要在专业圈子中露脸，我们则不得而知。

第三个假说最有意思。这个假说认为，辟尔唐人是个开过火的玩笑，而不是恶意的欺骗。许多对人类学很了解的杰出的脊椎动物古生物学家认为这个假说是个“有趣的看法”。我分析过这个假说中的所有证据，并打算尽力驳倒这个假说。然而，我却发现这个假说虽然并不是最合理的，但却说得过去，而且有一定的道理。我工作的哈佛这个博物馆的前任领导，同时也是最出色的无脊椎动物学家A.S.罗默，就曾经多次向我说起他有这种猜测。路易斯·利基也相信这个假说。他在传记中提到过“第二类人”，虽然没有点名，但是文中内在的证据，对于知情者来说，显然是指某个人。

当一个人在老年有另外的形象时，通常人们很难想象出他年轻时的样子。对于许多人来说，泰依亚·德·夏尔丹在晚年成了朴实无华和神圣的人物，他被广泛地誉为我们这个时代的杰出预言家。但是他年轻时，却是一个爱开玩笑的学生。当史密斯·伍德沃德加入到这个故事中时，泰依亚已经和道森相识三年了。他可能弄到一些原先在埃及（也许是在突尼斯和马耳他）发掘出的哺乳动物的骨头，组成“迁入”到辟尔唐地区动物群的一部分。我可以容易地想象出，道森和泰依亚，长时间在野外和小酒吧，出于不同的原因在谋划着：道森想揭发出自命不凡的专业人士其实很容易上当受骗。泰依亚则打算通过一个玩笑来说明英国并不存在人类化石，从而再一次嘲弄一下英国人；而法国人却发现了大量的人类化石，成了人类学的皇后。或许他们一起作假，但是当时并没有想到英国科学界的杰出人物会如此关注辟尔唐人；他们也许想出来澄清，但未能如愿。

泰依亚离开英国后，参加了第一次世界大战，成了担架队队员。这样看，是道森坚持完成了这个密谋，于1915年发现第二批辟尔唐人骨骼。但是这以后就不再是玩笑了，而是成了一场噩梦。道森于1916年出人意料地病倒，继而去世。泰依亚在第一次世界大战结束前再也没有回到英国。这时，英国人类学和古生物学的三个头面人物，阿瑟·史密斯·伍德沃德、格拉夫顿·艾略特·史密斯和阿瑟·基思，已经全身心地投入到证明辟尔唐人的真实性工作上。（实际上，他们最后都获得了爵士勋位，主要是因为他们的工作证明在英国也存在人类祖先的依据。）倘若泰依亚在1918年讲出实情的话，那么他的前程似锦的事业（其中包括在“北京人”的鉴定中起了主要作用）就会顷刻断送。所以，他一直到死都遵循赞美诗作者的教诲——那句话也是苏塞克斯大学的箴言，这所大学离辟尔唐仅几公里——“知道，但是缄默”。情况可能就是这样，仅仅是可能。

这个猜测令人感到有趣，同时也引起了无休止的争论。然而更重要更有意义的问题则是：为什么当初人们都相信辟尔唐人的存在？从一开始，辟尔唐人就是一个不恰当的创造物。为什么人们承认我们谱系中的祖先有一个现代人的颅骨和完全是猿的颌呢？

实际上，一直有人怀疑辟尔唐人的真实性。辟尔唐人在批评中取得了暂时有影响的地位，而这种地位通过争论却越发加强了。许多科学家一直认为，辟尔唐人是人为将同一地层中碰巧混在一起的两种动物组合起来的产物。早在20世纪40年代，弗朗茨·温德里克——他或许是当时世界上最伟大的人类解剖学家——就曾写道（回过头来再看的话，他的观点太正确了）：“始人（Eoanthropus ，对辟尔唐人的正式命名）不应属于化石人类。始人是一个现代人的头盖骨碎片和似猩猩的颌骨及牙齿的人为组合物。”针对这种异议，阿瑟·基思爵士反唇相讥：“这种方法抛弃了和已有理论不相符的事实。而科学家通常的探索方法，不是抛弃事实，而是构想出与事实相适应的理论。”

而且，只要谁愿意讨论这个问题，那么从一开始就可以发表怀疑辟尔唐人是作伪产物的文章。牙解剖学家C.W.莱因就曾指出，泰依亚发现的犬齿的齿龄不大，是在辟尔唐人死之前不久出生的，然而这颗牙的研磨程度与齿龄不符。还有人怀疑过辟尔唐人的工具并非远古制造的。在苏塞克斯郡的业余爱好者圈子里，道森的一些同事认为，辟尔唐人肯定是个骗局，但是他们并没有公开这种见解。

假如我们打算从辟尔唐人的案例中了解一些科学探索的性质，而不只是醉心于闲聊的乐趣，那么我们就要解决为什么辟尔唐人会被轻易地接受这个难题。我想，至少可以识别出四类原因，说明为什么英国所有最著名的古生物学家会轻易接受像辟尔唐人这样一个不合适的产物。这四类原因都与通常认为的科学实践方法——即事实是“响当当的”、最重要的，通过耐心收集事实，并对客观的信息进行过滤，科学的理解就会提高——相抵触。相反，我识别出的原因表明，科学作为一种人类的活动，受人们的期望、文化偏见和追求荣誉的驱使，并不一定能更好地理解自然。

强烈的期望抑制了对证据的怀疑。在发现辟尔唐人之前，英国古人类学的处境很凄凉，就像现在研究天外生命的人的处境一样，大胆的猜测有余，直接的证据不足。除了一些是否属于古人类制造还有待商榷的燧石“文化”和一些很容易认为是近代埋在古老墓地中的骨头外，在英国没有发现什么古老的人类祖先。而法国则幸运地发掘出大量的尼安德特人和克鲁马努人的化石，以及有关的艺术品和工具。法国人类学家因为有各种明显的证据而得意地嘲笑英国人。倘若辟尔唐人的式样不合适的话，也不可能扭转这种局面。辟尔唐人显然要比尼安德特人更古老。假如在低眉的尼安德特人出现之前的数万年，人类就有了现代人的颅骨，那么辟尔唐人肯定是我们的祖先，而法国发掘出的尼安德特人仅仅是旁支。史密斯·伍德沃德宣称：“尼安德特人是早期人类退化的旁支，而辟尔唐人的发现才首次提供了现代人直接来源的证据。”辟尔唐人的评论者们常常提到这是国际竞争，但是却没有人注意到其他同样重要的因素。

化减异常性，以适应文化上的偏见。今天，人们会非常怀疑一具带有猿的下颌和人的颅骨的化石，因为这样的化石太不恰当。但是在1913年时却不是这样。那时，许多知名的古人类学家都根据一种文化上的先见偏好，认为在人类的进化中，“脑是最重要的”。这个论点根据的是从现代的角度，而不是历史的角度的错误推断：今天我们人类之所以占据了统治地位，仰仗的是我们的智力。所以，在我们的进化中，肯定是先有了一个大的脑，而后，才导致我们身体的其他改变。我们发现的人类祖先应该具有大的，或许近似于现代人的脑和明显的类猿身体。（具有讽刺意味的是，大自然展示的却是一条正好相反的途径。我们最早的祖先南方古猿的身体完全是直立的，但是脑很小。）因此，辟尔唐人正好符合人们广泛预期的结果。格拉夫顿·艾略特·史密斯1924年写道：

辟尔唐人头盖骨发现的突出意义，在于证实了脑在人类进化中起主导作用的观点。人类通过不断丰富他的心灵结构而从猿的状态中脱颖出来，这是尽人皆知的老生常谈……当脑达到人类的程度时，颏骨、面颊，当然还有身体，仍保留了人类的类猿祖先的许多粗陋特征。换句话说，最初的人类……仅仅是脑长得很大的猿。辟尔唐人头盖骨发现的重要性，在于用事实明确证实了这些推断。

辟尔唐人也支持了在某些欧洲白种人中常见的一种种族主义观点，在20世纪30—40年代，随着在与辟尔唐人墓地的地质年代相近的地层中发现了北京人，于是，在文献中出现了基于辟尔唐人绘制的人类进化谱系树，而且有人声称白人的优越地位很古老（虽然辟尔唐人的主要支持者史密斯·伍德沃德、史密斯和基思绝对没有采纳过这种看法）。北京人（最初叫中国猿人，现在被划入直立人）生活在中国，脑量是现代人脑量的2/3，而辟尔唐人则具有充分发展的脑，生活在英格兰。假如作为最早英国人的辟尔唐人是白种人的先辈，而其他肤色人的祖先是直立人的话，那么白人就比其他种族的人更早地跨越了人—猿界限，完全具备了人的属性。随着这种优越性的持续，白种人表现出卓然超群的文明技艺。

通过使事实满足预期的观点来减少异常性。回顾起来，我们知道，辟尔唐人具有人类的颅骨和猿的下颌。于是，辟尔唐人成了一个理想的样本，来检验当科学家们面对不满意的异常现象时，会做些什么。G.E.史密斯和其他人会倡导脑先进化的观点，但是谁也没有想到脑会这么完全独立地进化，以致在颌根本没变的情况下，脑可能已经完全成了人的脑了！不幸的是，辟尔唐人完美得过了头，所以显得很不真实。

倘若基思对温德里克的嘲笑是正确的，那么，支持辟尔唐人的人们，应该根据辟尔唐人具有人类的颅骨和猿的下颌这个不太令人如意的事实，来构建他们的理论。相反，他们构建了“事实”，这再一次说明我们得到的信息总是经过文化、希望和预期的过滤。在所谓对辟尔唐人的“纯”描述这个一直有争议的问题中，我们从辟尔唐人的主要支持者那里得知，辟尔唐人的头盖骨虽然具有现代人的特征，却含有一些明显是猿的性状。事实上，史密斯·伍德沃德最初估计辟尔唐人的颅容为1070毫升（现代人平均颅容为1400～1500毫升），虽然基思后来使伍德沃德认识到辟尔唐人的颅容可以高达接近我们现代人颅容下限的程度。从格拉夫顿·艾略特·史密斯写于1913年的文章原件中，可以看出他确实扩大了辟尔唐人的脑量，以使辟尔唐人具有现代人脑的较高智能。他得出结论：“我们已经将辟尔唐人的脑当作迄今记录到的最原始，也是最具猿类特征的人类的脑。而且人们会自然地联想到，作为人类的祖先，肯定具有与其他动物祖先相联系的颌。”就在奥克利揭发出真相的前一年，阿瑟·基思爵士在他的最后一部重要著作中写道：“他（辟尔唐人）的前额像大猩猩，没有眶隆，他的额骨在许多方面都像婆罗洲和苏门答腊的大猩猩。”我禁不住要说明一下，现代的智人种也没有眶隆（又叫眉边）。

详细分析一下这样一个类猿颌骨，也会揭示出明显的人类特征（除了作伪磨制的牙）。阿瑟·基思爵士经常强调，辟尔唐人的牙像人类的牙一样，都是嵌在颌骨里的，与猿的式样差不多。

谨防接触实物。在以前的岁月里，大英博物馆在开放和让人们利用收集品方面做得不怎么样——最近，有一个可喜的趋向，有助于大型的研究性博物馆消除（字面意义上和象征意义上的）陈规陋习。如同死板的图书馆员通过防止使用书来保护图书一样，辟尔唐人的拥有者严格限制人们接触原物。一般只允许看，不允许接触辟尔唐人的遗骨，人们只能接触到石膏模型。所有人都赞扬无论从比例上还是细节上看，辟尔唐人的模型都准确地复制了原物，但是要检验是否是作伪，则需要通过原物。在石膏模型中不可能发现人为的染色和对牙齿的磨制。路易斯·利基在自传中写道：

我在1972年写这部书时曾经自问，这个骗局怎么能持续这么多年没有被揭穿。我的思路回到了1933年，当时我第一次去拜访巴瑟博士，他是史密斯·伍德沃德的继任者……我告诉他，我想仔细检查一下辟尔唐人化石，因为我当时正在准备写作一部有关早期人类的教科书。我被带到存放样品的地下室，那些样品从保险柜里拿了出来，放在桌子上。每一个化石旁边都有一个做得出色的模型。他们不允许我以任何方式接触原物，我只能看一看原物。让我欣慰的是，模型真是不错的复制品。然后，原物被拿走了，重新锁了起来，我在接下来的几个上午，只能用模型来从事研究。

我现在的看法是，在任何情况下，所有来访的科学家都应该可以检查辟尔唐人的样品，这种情况只是在我的朋友和同代人肯尼思·奥克利的关心下才得以实现。他认为不必像对待王冠钻石一样对待这些碎片，只不过将它们看成是重要的化石——应该细心保管，但是同时应该从中获得大量的科学依据。

亨利·费尔菲尔德·奥斯本（就我们所知）虽然不是一个大度的人，但是他在论述人类进步历史途径的著作《人类攀上帕纳塞斯山》（1927）中，却对史密斯·伍德沃德表达了近乎阿谀的敬意。他在1921年参观大英博物馆之前，还怀疑辟尔唐人的真实性。然而，在这一年7月24日星期天的早晨，“参加完威斯敏斯特教堂令人流连忘返的活动后”，奥斯本“去了大英博物馆，看一看现在已经完全证明是不列颠始人（辟尔唐人）的化石遗物”（奥斯本至少是美国自然博物馆的头头儿，因此可以看原物）。奥斯本很快便转变了态度，并且宣称，辟尔唐人是“人类史前史的极为重要的发现”。他接着又说道：“我们必须牢记住，自然界中充满了怪事，宇宙的规则不是人类拟定的规则。”然而，奥斯本所看到的恰恰是两个层次上人类拟定的规则——作伪的滑稽剧和非常精巧地用理论对自然的践踏。这种利用人类规则的幕布遮掩我们与宇宙相互关系的做法，并不使我感到非常焦虑，因为这种幕布无论质地多么致密，终归是半透明的。

附言

我对辟尔唐人案件的兴趣从未减弱。这篇文章最初发表于1979年3月，引起了一定的反响，招来了一些人的尖刻批评，也有一些人则赞同我的看法。争论的中心当然是集中在对泰依亚的看法上。我当时并不想为了哗众取宠而详细地谈论泰依亚，对有事实可以充分证明能独自行动的道森惜墨。韦纳已经对道森做了很多令人佩服的攻击，我没有什么可以补充的。我还是认为韦纳的看法是一种最可能的假说。但是，我也相信唯一合理的解释是存在一个同谋，一个道森的同谋（因为我认为第二个辟尔唐人的地点是道森与别人合谋建设的）。现在流行的一些提法认为索拉斯甚至G.E.史密斯本人是同谋，在我看来这不可能，也令人不可思议。我奇怪，为什么很少有人将目光投向唯一从一开始就与道森在一起的那位杰出的科学家。尤其是，与泰依亚一同共事的一些脊椎动物学家，隐瞒了他们私下对泰依亚可能起到的作用的看法（或公开讲出的话像谜语一样）。

阿什里·蒙塔古1979年12月3日写信告诉我，他在奥克利揭穿这个骗局之后，把这个消息透露给泰依亚。泰依亚表现出的惊讶显得很真实，不像是做作。信中说：“我的确感到你对泰依亚的看法错了。我很了解他，而且事实上是我在《纽约时报》上发布这个骗局那天告诉他这件事的。他的反应不可能是装出来的，我不得不怀疑骗子就是道森。”去年9月，我在巴黎与泰依亚的一些同辈人和科学事业上的同行谈过。其中包括皮埃尔·P.格拉塞和让·皮瓦图，他们都认为把泰依亚当作同谋有欠公允。佩雷·弗朗索瓦·卢索（S.J）后来送给了我一封泰依亚在奥克利揭发出这个骗局后写给奥克利一封信的复印件，他希望这份材料会打消我对他的教友（即泰依亚）的怀疑。然而，我的怀疑反而加深了，因为在这封信中泰依亚犯了致命的疏忽。为了进一步探索，我于1980年4月16日在英格兰拜访了肯尼斯·奥克利。他给我看了泰依亚的其他材料，并且同意我的怀疑。我现在相信有更清楚的证据表明，泰依亚与道森合谋在辟尔唐墓地做了手脚。我将在1980年夏季或秋季的《自然史》杂志上叙述整个案件，不过现在我们单从泰依亚给奥克利的第一封信中看一下内在的证据。

在这封信的开头，泰依亚显得挺满意，“我由衷地恭喜您解决了辟尔唐人的问题……我基本上对您的结论感到欣喜，尽管可以不无惋惜地说，您揭发的事实毁掉了我对早期古生物学工作的最美好记忆”。接着，他谈到了对“心理之谜”，即谁干的这个问题的看法。他和其他人一样，将史密斯·伍德沃德排除在外。但是，他也不认为是道森干的，依据是他对道森个性和能力的全面了解：“他是个有条不紊和热情的人……此外，他与阿瑟爵士情谊深厚，很难想象他会算计好了欺骗他的朋友许多年。我们在那个场地时，我从未发现他的举止有什么可疑的地方。”最后，泰依亚（按他自己的说法是淡然地）指出，整个事情的发生可能带有偶然性，当时一个业余采集者在一个废石堆上扔了一些猿的骨头，那里恰好也含有一些人类头盖骨的碎片（当然，泰依亚并没有告诉我们，按照这种说法如何解释两公里以外第二个辟尔唐人的发现）。

泰依亚疏忽的地方就是对第二个辟尔唐人发现的描述，他写道：“他带我到了第二个地点，而且向我解释（原文如此）他在整理这一地区表面的碎石堆后，发现了一颗臼齿和少量头盖骨碎片。”现在我们知道〔见韦纳（Weiner），142页〕，道森在1913年就偕同泰依亚到第二地点做过探矿旅行，道森在1914年还偕同史密斯·伍德沃德去过那里。但是在两次旅行中都没有什么发现。1915年之前，在第二号地点没有发现化石。道森1915年1月20日写信告诉史密斯·伍德沃德发现了两块颅骨碎片。1915年7月，道森再一次写信告诉了史密斯·伍德沃德一个好消息，即发现了一颗臼齿。史密斯·伍德沃德认为（以出版物的形式说的），道森在1915年已经发掘出那些样品（见韦纳，144页）。道森在1915年病得很厉害，并且于第二年就死了。史密斯·伍德沃德从未从道森那里得到过比较精确的关于第二地点发掘的消息。这里，就是要害之处：泰依亚在上面提到的那封信中明白地说，道森告诉过他在第二个发掘点发现了牙齿和头骨碎片。但是，撰写泰依亚传记的作家克劳德·居诺说，泰依亚在1914年12月应征入伍，而且我们知道1915年1月22日时，他正在前线〔见居诺（Cuenot），22—23页〕。但是假如道森直到1915年7月才“正式”发现了那颗臼齿，泰依亚怎么知道这颗牙齿？除非他参与了这个骗局。我认为道森不可能在1913年向不谙世故的泰依亚出示他的东西，却过了两年才让史密斯·伍德沃德知道（尤其在1914年道森还带着史密斯·伍德沃德到第二个发掘点做了两天的勘探）泰依亚与史密斯·伍德沃德是朋友，而且很有可能经常对比记录。道森方面如此不一致应该早就被揭穿。

其次，泰依亚在给奥克利的信中说，他在1911年之前没有见过道森：“我很了解道森，因为我（在1911年于黑斯汀采石场与他偶然相遇之后）和他及阿瑟爵士合作过三四次。”然而，泰依亚在1909年的春天或夏天期间确实见过道森（见韦纳，90页）。道森把泰依亚介绍给史密斯·伍德沃德，而泰依亚于1909年交给了史密斯·伍德沃德一些他找到的化石，包括一种哺乳动物的几颗牙齿。史密斯·伍德沃德1911年在伦敦地质学会上介绍了这些材料，在史密斯·伍德沃德讲话后的讨论中，道森提到了泰依亚及其他神父自1909年以来对他“耐心而高超的帮助”。我并不认为这是要害之处。对于合谋制造辟尔唐人骗局来讲，1911年才第一次见面已经足够早了（虽然道森说工人在“几年”前给了他第一块碎片，他却是在1911年秋天“发现”第一块辟尔唐人头盖骨碎片的），而且我不会根据记错两年来反对一个试图记起40年前时间的人。然而，后来的（也是不正确的）日期，揭示了道森发现的破绽，的确也转移了怀疑的视线。

放下“谁干的”这一引人入胜的问题，来看一下我原来文章中的主题（为什么人们当初都相信辟尔唐人是真实的），另一个同事给了我英格兰著名科学期刊《自然》1913年11月13日上的一篇文章，这是最初争论中的一篇文章。在这篇文章中，伦敦大学金史密斯学院的戴维·沃特斯顿正确（而且肯定）地说，辟尔唐人头盖骨是人类的，而颌骨是猿的。他得出结论：“我认为不可能将颌骨和颅骨看作同属于一个个体，它们像是将一个黑猩猩的足与本质上人的股骨连在一起一样。”从一开始就存在正确的看法，但是人们的希望、欲念和偏见阻碍了对正确看法的采纳。

11
我们进化中最伟大的一步

在我的前一部书《自达尔文以来》中，我在论述人类的进化时，一开始便写下了这些话：

近些年新的意义重大的前人类化石迅速地被挖掘出来，以致任何讲义只能用一句基本上非理性的经济口号来形容——计划过时。每年当我在课堂上讲到这一主题时，我只能打开我那个旧文件夹，倒出最新文件中的内容。这里我继续这样做。

我真庆幸当时写下了这些话，因为现在我要援引这段话，以放弃我在那篇文章后面提出的一个论点。

在那篇文章中，我报道了玛丽·利基（在坦桑尼亚奥杜韦峡谷以南近50公里的莱托里）发现距今330万～375万年的最古老的人科动物牙齿和颌骨化石。玛丽·利基认为（就我所知，现在她仍然坚持认为），这些遗物代表的动物应该被归为我们人属（Homo ）中。于是，我就在当时提出，可能需要重新评价传统上认为的人科动物进化经历了从脑小但完全直立的南方古猿到脑大的人属顺序，同时我还提出，南方古猿可能代表了人类进化树上的旁枝。

1979年初，报纸上充斥了有关一个新物种的报道，这个新物种比其他人科动物化石都要古老，外形上也更原始，唐·约翰逊和蒂姆·怀特将这个新物种命名为南方古猿阿法种（Australopithecus afarensis ）。于是产生出两种区别很大的看法，玛丽·利基认为，最古老的人科动物还是我们人属，而约翰逊和怀特则认为，应该命名一个新种，因为最古老的人科动物具有其他化石人科动物所没有的一些类猿特征。难道是约翰逊和怀特发现了某些新的、根本不同的骨骼？然而情况完全不是这样。利基与约翰逊和怀特是就同样的骨骼发生的争论。我们看到的是一场有关同一样品不同解释的争论，而不是因为新发现引起的争论。

从1972到1977年，约翰逊在埃塞俄比亚的阿法地区从事研究，他发掘出一系列令人注目的人科动物遗迹。这些在阿法地区发现的样品，历史超过290万～330万年，其中最主要的是一个叫作露西的南方古猿骨架。露西的骨架收集到了40%，比我们已有的关于人类历史上哪个时期的任何个体化石都要多。（多数人科动物化石，虽然使人们生发出大量的猜想和详细的故事，但却是颌骨碎片和头盖骨碎片。）

约翰逊和怀特认为，阿法地区的样品和玛丽·利基在莱托里发现的化石形态上相同，属于同一物种。他们还指出，就我们所知，在阿法和莱托里发现的那些骨骼和牙齿，年代都超过了250万年，而其他非洲样品的年代都没有那么久远。最后，他们宣称，这些古老遗迹中的牙齿和头盖骨碎片，具有年代较近的人科动物化石中缺乏的一些特征，具有猿的一些特征。因此，他们将在莱托里和阿法发现的遗骨定为一个新种——南方古猿阿法种。

现在这场争论刚开始激烈起来，但已经提出了三种观点。有些人类学家，根据不同的特征，认为在阿法和莱托里发现的样品属于我们人属。还有一些人则接受约翰逊和怀特的结论，认为这些比较古老的化石与年代略近的南非、东非南方古猿的亲缘关系更近，而与人属的关系却要远一些。然而，他们认为，根据一种差异并不足以认可一个新种，他们愿意把在阿法和莱托里发现的化石归为南方古猿非洲种中，这是20世纪20年代命名的南部非洲的样品。也有一些人赞同约翰逊和怀特的观点，认为阿法和莱托里化石应该有一个新的种名。

我只是一个业余的解剖学爱好者，所以我的意见不值一提。然而假如一幅图比我这篇文章中所有的文字（或只是一半，如果按照传统等式一幅图等于1000字的话）都有价值，我肯定要说，我根据这个颚骨当然会认为发现于阿法的人科动物就是“猿”。〔我必须承认，南方古猿阿法种的命名有利于我支持的一些看法。约翰逊和怀特强调阿法和莱托里的样品相差了100万年，但是形态几乎相同。我相信多数物种在其经历的漫长时间内并不发生改变，最重要的进化变化是在新种从原种中分离出来的时间中迅速积累产生的（见文章17 和18 ）。而且，因为我认为人类的进化呈枝状而非梯状，所以人科动物中的物种越多越令我欣慰。然而，约翰逊和怀特在对南方古猿以后的人类进化看法上，比我更倡导渐变论。〕

在有关头盖骨、牙齿和分类地位的讨论中，还没有人争论阿法遗物的另一个更有意义的特征。露西的骨盆和腿清楚地表明，南方古猿阿法种像你我一样是直立的。报刊上突出地报道过这个事实，但是报道的方式容易使人产生误解。报纸上几乎一致地说，以前的正统学说认为，大的脑与直立姿势是一前一后进化来的。或许是先有大的脑，即人类的进化经由脑小的四足动物，到半大脑、弯腰站立的动物，到脑大、直立的人属。《纽约时报》（1979年1月）写道：“据认为两足行走是一个逐渐形成的过程，在这一过程中，现代人的直接祖先中有些类型的智力比猿高，不过没有现代人聪明，是半直立姿势、拖着脚行走的猿人生物。”这种说法绝对不对，至少与我们过去50年的知识不符。

自从20世纪20年代发现了南方古猿以来，我们就已经知道，这些人科动物的脑比较小，但姿势却完全是直立的。（南方古猿非洲种的脑容是我们脑容的1/3，但是已经具备了完全直立的姿势，即使考虑到身体的大小，也表明南方古猿非洲种的脑与我们的脑有很大的区别。）人类祖先的脑小，但是姿势直立，这一“异常”现象已经成为近几十年讨论的主要问题，并在所有重要的教科书中都占据了显著位置。

所以南方古猿阿法种的命名并没有确立直立姿势比大的脑在历史上更具优先性。但是与其他两个观点相连，南方古猿阿法种的命名却昭示了一些新颖和令人激动的观点。然而令人费解的是，在报刊上却看不到这些观点，也许被淹没在对直立姿势重要性的错误认识中。南方古猿之所以重要，在于它使我们了解到在大约400万年前，我们的祖先就具备了完美的直立姿势。露西的骨盆结构表明，南方古猿阿法种具有双足行走的姿势，而在莱托里发现的著名脚印遗迹则是直立行走的直接证据。比它们生活年代晚的南非和东非的南方古猿生活的年代距今大约250万年。这样我们祖先呈完全直立姿势的历史还要再加上150万年。

为了解释为什么加上这段时间是重要的，我必须中止叙述，来看一下生物学中另一个层次的问题。我们要从动物的化石转向分子。在过去的15年中，研究分子进化的学者积累了有关各种动物中类似的酶和蛋白质中氨基酸序列的大量资料。这种信息产生出一个令人吃惊的结果。假如我们从化石记录中得到两个物种从共同祖先分开的确切时期，我们会发现这两个物种氨基酸数目上的差异与分开的时间非常吻合。两个物种分开的时间越长，氨基酸分子的差异就越多。有人根据这种规则性建立了分子钟的概念，这样可以在没有良好化石证据的情况下，估测物种分开的时间。分子钟当然不像昂贵的钟表那么准确，一位支持分子钟概念的学者将分子钟称作“不太准的钟”，但是，分子钟也很少发生重大故障。

分子钟的规则性曾使达尔文主义者感到惊讶，因为自然选择显然是对不同的谱系、在不同的时间、以不同的速率起作用：对于适应环境急剧变化的复杂形态，自然选择的作用非常迅速；对于良好适应的稳定群体，自然选择的作用则非常缓慢。倘若自然选择是群体进化的重要动因，那么，除非选择的速度保持一定的恒定，否则，我们不应该认为遗传变化与时间之间相互关联，至少不应该赞同上面提到的论点。达尔文主义者通过提出在长时间内可以使选择速率的不规则性得到平均，从而避免了分子钟规则性这一异常现象。可能在几代中，选择的作用很强烈，但是在以后的时期，几乎不存在选择的作用。但是，在一个长时期里，平均的净变化仍然是规则的。然而，达尔文主义者不得不面对一种可能性，分子钟的规则性可能反映的是不受自然选择调控的一种进化过程，即中性突变的随机固定。（我肯定会在其他时间，利用更多的篇幅来讨论这个“热点”问题。）

南非古猿阿法种（中），比较一下咸淡的黑猩猩（左）和人类（右）。

蒂姆·怀特及卡利弗兰自然博物馆提供

毕竟，对于人类与现存的非洲大型猿（大猩猩和黑猩猩）的氨基酸差异的测量，已经取得非常惊人的结果。虽然我们人类与那些猿在形态上存在明显的差异，但是从已经研究的基因看，我们与它们基本上相同。人类与非洲猿之间氨基酸顺序的平均差异不到1%（确切地说，是0.8%），根据分子钟的推算，二者从共同祖先分开的时间仅仅在500万年前。研究这个问题的伯克利科学家艾伦·威尔逊和文森特·萨里奇考虑到偏差，他们认为，人类与现存非洲的猿从共同祖先分开的时间是在600万年前，但是不会更远。简而言之，假如分子钟是合理的，从理论上说，南方古猿阿法种不太可能是人科动物最早的祖先。

直到最近，人类学家仍不太承认分子钟是合理的。他们提出，对于已知的规则性来说，人科动物是个真正的例外。他们的主要依据来自对一种叫作腊玛古猿动物分子钟的怀疑。腊玛古猿是在非洲和亚洲发现的化石动物，主要发现的是下颌骨碎片，年代测定为1400万年前。许多人类学家认为，腊玛古猿属于猿人分支中的旁支，换句话说，人科动物与猿的分开发生在1400万年前。但是，根据一系列对腊玛古猿牙齿及其比例的研究，极大地削弱了这种看法。某些原先积极倡导腊玛古猿属于人科动物的科学家，转而重新认为腊玛古猿是猿，或者认为腊玛古猿是和猿及人的共同祖先很近的生物，其生活的年代早于人与猿实际分开的时间。来自根据颌骨碎片推测出的论点，常使人们放弃根据分子钟得出的看法。（现在我想用10赔1与艾伦·威尔逊打赌，我认为人科动物的起源更早一些。他慷慨地认为，最古老的猿与人的共同祖先顶多距今是700万年，但是我认为还要古老。假如我输了，我绝不后悔。 [6] ）

现在，我根据三个方面综合起来的看法，重新提出有关人类进化的观点。这三个方面是，南方古猿阿法种生活的年代和直立姿势、分子钟上猿和人分开的时间，以及将腊玛古猿排除在人科之外。

我们未能放弃人类进化的脑中心观，然而这种观点不过是解释自然时的浓厚文化偏见。早期的进化论者认为脑的扩大一定先于我们身体构造的任何改变。（见文章10 中G.E.史密斯的观点。史密斯之所以相信辟尔唐人，在于他狂热地信奉脑在人类进化中是首要的观念。）但是20世纪20年代，却发现南方古猿非洲种都是姿势直立，脑也比较小，这样正好符合一些十分敏锐的进化论者和哲学家，如恩斯特·海克尔和弗里德里克·恩格斯的预言，从而使脑在人类进化中起首要作用的自大观寿终正寝。不过，依然有人以其他形式坚持“颅首要”（我喜欢这种叫法）的观念。有些进化论者赞同，从历史上看，直立姿势是首要的，但是他们推断直立姿势的产生经过了缓慢逐渐的过程，而真正的飞跃，即让我们成为人的一步，却很晚才发生，但是发生时的进化速度却前所未有，使我们人类的脑在100万年左右的时间内增加了三倍。

看一看下面的一段话，这是一位著名专家于10年前写的：“在过去的200万年，在人属中发生了脑形成这一重要的飞跃，在此之前，经历了1000万年的准备式的进化，出现了双足行走、使用工具等等。”阿瑟·凯斯特勒在他的最后一部书《杰纳斯》中，根据不合理的臆想，将颅飞跃导致人类产生的观点张扬到前所未有的地步。他认为，我们的脑增加得太快，以至于产生智慧和理性的脑外皮层不可能再控制脑深层的动物性情感中心。人类的原始兽性表现为战争、凶杀及其他的暴力形式。

我相信，我们肯定会从根本上重新评价对直立姿势和脑容的增加在人类进化中相对重要作用的认识。我们以为直立姿势比较容易形成，是一种逐渐的趋势，而脑容的增加速度惊人，呈飞跃状，因此，脑的进化模式及其产生的巨大效果都很特殊。我则想提出一个正好相反的看法。我认为，人类直立姿势的产生是一个异常困难的事件，直立姿势迅速地和从根本上重建了我们的解剖结构。这样，从解剖学的角度看，接下来的我们脑的增大，则成为一种其次的副现象，是在人类进化的一般图景中容易转变的现象。

假如分子钟是准确的，那么至少在600万年前（威尔逊和萨里奇认为是在500万年前），我们人类与大猩猩和黑猩猩还拥有一个共同的祖先。那时，我们的祖先主要还是四条腿爬行，当然，它们偶尔也可以用两条腿行走，就像现存的猿和许多猴子一样。又过了不到100万年，我们的祖先就像你我一样双足行走了。是这一点，而不是后来的脑增大，成为人类进化中最伟大的飞跃。

双足行走的建立绝非易事。双足行走需要从根本上重建我们的解剖结构，尤其要重建脚和骨盆。而且，双足行走代表的是人类一般图景以外的解剖结构重建。正如我在文章9 中在谈论米老鼠时指出的那样，人类是幼态持续的动物，我们人类通过保持祖先的幼年特征而进化。我们大的脑、小的颌，以及其他的许多特征，如体毛的分布和阴道的腹向性，都是保持祖先幼体特征的结果。但是，直立姿势则是不同的现象，不可能通过已经存在于幼体阶段的特征“轻易”地产生出直立姿势。婴儿的腿比较小、比较软弱，而双足行走的姿势要求腿增大、增强。

当我们像南方古猿阿法种那样变得直立时，这场游戏基本上也就结束了。我们身体的主要变化已经完成，进一步的变化已经激发。从解剖学的角度看，我们接下来的脑增加就比较容易了。我们有大的脑并不背离我们生长的图景，经由的途径只不过是将胚胎期间脑的迅速生长速度延续到出生后的一段时间，我们的成体保存了灵长类幼体的颅骨特征。再者，我们进化出这样的脑与保持其他的幼体特征是协调一致的。所有这些特征都是我们生长的一般图景中的组成部分。

然而我必须尽快打住，以避免推理上的谬说，否则会错误地将效果的增大，等同于动因的强烈。作为一个纯粹的构造重建问题，直立姿势的影响更深远，也更根本，而脑增大则属于表面的、次要的现象。但是，我们的大脑虽然建构起来比较容易，产生的效果却太大了。也许所有的复杂系统作为整体都令人惊奇，而我们的脑又是最复杂的系统。我们的脑可以通过结构中的量变产生出功能上形形色色的质变。

现在已是深夜两点，我必须收笔了。我想从冰箱中拿出一瓶啤酒喝，然后睡觉。我是有文化的生灵，一个多小时后，我的睡梦会比我现在直立走在地板上给我带来的震惊更大。

12
生命中间

出色的说书人经常插进一些幽默的话来松弛一下紧张的剧情。因此，《哈姆雷特》中的挖墓人或普契尼《图兰朵》中的乡巴佬平、彭和庞，使我们对接下来的痛苦和死亡剧情有了准备。然而，有时激起微笑或大笑的插曲并不是这样设计的。时间的流逝抹去了一些插曲的内容，使得在我们这个已经变化了的世界中，不经意地使一些话语显得有些幽默。在地质学最著名的严肃文献中就存在这样的段落，那就是查尔斯·赖尔于1830—1833年出版的三卷本著作《地质学原理》。在这部书中，赖尔认为，往昔的一些大型动物会再次出现，为我们这个世界增添光彩：

届时，那些我们只是通过在大陆古老岩石中保持的遗骸才知道的动物种类又回来了。巨大的禽龙再次出现在丛林中，鱼龙再次出现在海洋中，翼手龙再次穿过羊齿树的茂密叶子。

赖尔为什么想象到这些东西，确实令人惊奇，但是这种论点本质上却是他伟大著作中的主题。赖尔写作《地质学原理》的目的，是要进一步发展均一论的概念。他相信，地球从最初的形式“安顿下来”后，基本上保持着一致，不存在全球式的剧变，不存在向着更高状态的进步。而恐龙的灭绝显然对赖尔的均一论构成了挑战。难道恐龙不是被更优越的哺乳动物取代了吗？难道这不表明生命的历史具有方向性吗？赖尔的回答是，哺乳动物取代恐龙只是更大的反复周期性“大年”的一部分，而不是在一个不断完美阶梯上进了一个台阶。气候是循环往复的，生命要跟得上气候的变化，因此，当大年的夏天再次转过来时，冷血爬行动物会再次出现，并再次占据统治地位。

在这幅由赖尔的一位同事所绘制的讽刺画中，作者对于有关鱼龙和翼手龙再次出现的观点做出的反应。图中未来的鱼龙教授在给学生讲课，它下面是上一次创生时奇异动物的头盖骨。

但是，虽然赖尔对均一论有极大的热情，他仍然允许在自己的地表基本不变观中存在一个重要的例外，他认为现代智人是在地质时间的最后一刻出现的。他认为，我们必须将人类的出现视为我们星球历史上的一次飞跃：“倘若认为这一步或一跃可能属于动物界中的规则、系统变化的组成部分，那才是强做不合理的类比。”实际上，赖尔是想缓解他给自己的体系带来的打击。他认为，人类的出现这一飞跃，反映的只是道德层次上的事件，这样，赖尔通过增加了一个领域，瓦解了纯物质世界的连续稳定状态。总之，不能将人类看作哺乳动物中的罗尔斯·罗依斯。 [7]

之所以认为人类比地球上以前存在的任何生物更高贵，只是因为我们人类具有智力和道德特征，而动物则没有。我们并不清楚是人类的身体构造使之注定具有卓越的特征，还是除了理性的力量外，人类的其他特征只不过是低等动物也有的本能罢了。

然而，赖尔的论点只是更明显地反映出在博物学家中常见的一种倾向，即在他们所属的人类物种的周围竖起一道栅栏，这个栅栏上还有一个醒目的标记：“到此止步。”我们一次又一次地提出概括性的观点，其中包括了任何事物，从原始星云到黑猩猩。然而，在每一次综合性体系的门槛，传统的自傲和偏见都会介入，以确保一种特殊的灵长类具有例外的地位。我在文章4 中讨论过另一个不成功的例子——阿尔弗莱德·拉塞尔·华莱士关于人类智力是特创的观点。他认为，生命世界的形成完全是自然选择作用的结果，但是人类智力的产生却是由于神的力量。这种论点的具体形式虽然不同，但是意图却一样，是想把人与自然分开。在赖尔设立的栅栏上，醒目的标记上写着“此处是有道德规则的生灵”，而华莱士设立的栅栏上则写着“此处自然选择不再起作用”。

另一方面，达尔文却将他的革命思想彻底地贯彻到整个动物界，并且明确地扩展到最敏感的人类生命领域。认为人类的身体是进化的产物，这已经使人够不安的了，但是这种观点至少还不涉及人类的心灵。达尔文则毫无顾忌。他专门写了一本书，提出就连人类最高雅的表情也起源于动物。假如人类的情感都是进化的产物，那么思想呢？

在环绕现代智人中的栅栏中还有若干个桩子做支持。最重要的桩子就是宣称所谓的准备和超越。人类不仅超越了基本的自然力，而且从更重要的意义上说，在超越之前，已经做好了我们最终出现的准备。在这两个论点中，我认为所谓准备的观点最值得怀疑，其中所表达出来的，是我们应该尽力抛弃的一些持久的偏见。

现代形式的超越观指的是，原先从未在地球上起过作用的过程，一直控制着我们这个特殊物种的历史。正如我在文章7 中所说，文化的进化是我们的主要创新。文化的进化是通过技术、知识和行为的习得传承的，是文化的获得性遗传。这种非生物学的过程以迅速的“拉马克式”方式进行，而生物学的变化则按照达尔文式的步骤缓慢地进行，相比之下非常慢。我并不把这种拉马克式过程的摆脱束缚看作含有通常的战胜意义的超越。生物学意义上的进化既不是去除什么，也不是胜过什么。在人类中，生物学意义的进化像以前一样持续地进行，并且限定了文化的图景。但是生物学意义的进化进行得太慢，不可能对我们文化变化的迅猛节奏有很大的影响。

另一方面，所谓准备观则是更深的自傲，仅凭超越观，我们不一定要认为人类出现前的40亿年历史预示了具有特殊才能的人类的出现。通过无法预示的好运，我们人类也可能出现，并且仍然会具备某些新颖有利的特征。但是准备观却使我们将我们人类的出现追溯到以前的更长久和更复杂的年代。我们人类这个物种存在的时间仅占地球历史的1/100000（在大约50亿年中仅占5万年），因此，准备观是一种毫无根据的、十足的自傲表现。

赖尔和华莱士都宣扬过某种形式的准备观，实际上所有在人类物种周围设立栅栏的人都这样做过。在赖尔的笔下，地球一如既往，实际上几乎是在盼望一个可以理解、鉴赏地球崇高而均一式样的有意识生灵。华莱士晚年转向了唯灵论，他的观点更常见：一直发生的物质进化最终要将预先存在的心灵和一个能够利用这个心灵的身体结合起来。

我们这些接受存在一个精神世界的人，可以将宇宙看作一个庄严和谐的整体，其中的所有部分都适于具有无限生命的、完美的、具有精神的个体的发展。对于我们来说，这个物质结构复杂，存在重大的地质进步、缓慢的动植物进化和使人类最终出现的世界，它的全部目的或存在的唯一理由，就是伴随人类身体发展的人类的精神发展。

我想所有的进化论者都会抛弃华莱士的准备观的论点，那是十足的预先决定论。但是，现代形式的、更合情合理的、一般意义上的准备观有存在的可能吗？我相信会有人提出这种形式的准备观，但我也相信那也是对生命史的错误认识。

现代的准备观放弃了人类的出现具有可预测性的预先决定论，而且不认为智人种的种子存在于最原始的细菌中，也就是说，不认为存在某些精神的力量指导着生命的进化，直至将心灵注入最有资格具备心灵的生物体上。相反，现代的准备观认为，整个生命进化的自然过程遵循一定的途径，因为进化的主要动因——自然选择造就出的成功样式在与旧模式生命的竞争中会获得胜利。生命样式改善的途径受着建构生命的基本物质的性质和地球环境的严格限制。只有少数途径，或许只有一条途径，可以造就出更好的飞翔者、游动者或奔跑者。假如可以退回到原始的细菌状态，重新开始生命的进化过程，进化大致会遵循同样的途径。进化变化更像是齿轮转动，一环扣一环，而不像是把水洒在平展、均匀的斜坡上，散漫而不定。进化的进程已经锁定，每到一个阶段，这个过程便迈出一步，而每一步又是下一步的前奏。

由于生命发端于微小的化学物质，现在又达到了有意识生命的阶段，所以在生命这个齿轮结构中包含了许多环节。这些环节可能不能视为旧的、预先决定意义上的“准备”，但是在一个有规则的顺序中，这些环节都可预测，都是必然的。从重要的意义上看，这些环节为人类的进化做好了准备。总之，我们人类不可能无缘无故地出现，当然，这次人类出现的原因被视为像工程师设计的机器那样，是机械的，而不是由神决定的。

但是，假如认为进化的进程已经锁定，那么化石记录在构造上应该表现为逐渐和持续发展的图景。然而事实却不是。我认为这是反驳将进化视作齿轮转动的最有力的论据。正如我在文章21 中指出的，地球形成不久，生命便产生了，但是，生命却在接下来的将近30亿年中保持着不变的稳定状态，这段时间占整个生命史的大约5/6。在这么一个漫长的时间里，生命处于原核细胞的水平，生命是细菌和没有内部结构（细胞核、线粒体及其他）的蓝绿藻，就是在这些生命中产生出性和复杂的新陈代谢。在大约30亿年当中，最高等的生命形式是藻席，那是固着了沉积岩薄层的原核藻类。然而，大约6亿年前，在跨度不超过几百万年的化石记录中，出现了几乎所有主要的动物生命式样。我们并不知道为什么在那个时候发生了“寒武纪爆发”，但是我们也没有理由认为那场爆发在那个时候一定会发生，或爆发肯定发生。

有些科学家认为，以前的低氧水平阻碍了进化出复杂的动物生命。如果真是这样，进化的过程可能还是像齿轮转动，这种状态维持了30亿年。齿轮必然以某种方式运转，但是需要氧，而且必须等着原核生物的光合作用使地球的原始大气中具有了原来缺乏的那种宝贵气体。的确，在原始大气中，氧可能稀少或者缺乏，但是，现在已经清楚，在寒武纪爆发前的10亿年，生物的光合作用已经产生了大量的氧。

因此，应该认为寒武纪爆发只不过是一个幸运的事件，它并非一定发生，也并非只能按照已有的方式发生。寒武纪的爆发可能是真核（有细胞核）细胞在一个膜内共生聚合了一些原核生物的进化结果。寒武纪爆发之所以可能发生，是因为真核细胞能够进化出有效的有性生殖，而性的出现产生并重排了达尔文式进化过程所需的变异性。但是，关键在于，假如寒武纪爆发能够在它实际发生之前10亿年的任何时候发生，也就是说，复杂生命进化的时间再多大约两倍，那么将生命的进化史比喻为齿轮转动就不太合适了。

假如我们一定要对生命的进程打个比喻的话，我倒喜欢比喻为水在宽大、低矮、均匀的斜坡上流落。水从坡顶随机流下，而且通常在流动过程中便干了。偶尔，水在下斜的斜坡上形成一个通道，刻蚀出一个沟槽，水顺着沟槽流淌。在那个斜坡上可能形成了无数这样的沟槽，沟槽的位置是偶然形成的。倘若整个过程重来一遍，可能根本形成不了沟槽，或者形成一个全然不同的体系。然而，我们现在是在斜坡的底端注视着那些沟槽和它们与大海的连接。我们太容易受这种景观的左右，从而认为不可能产生出其他的景观。

我承认，在斜坡景观的比喻中，含有从相对的齿轮结构比喻那里承袭的一个弱点。对于从坡顶流下来的水来说，最初的斜坡已经限定了水流动的方向，然而，所有的水滴在流动和可以流动之前都有可能干涸，如果水流动的话，便有无数条途径。难道最初的斜坡不意味着一些可预测性吗？也许有意识的生物就位于坡底的延伸部位，某些沟槽最终会通向那里。

但是这里存在另一个限制，正是这一点促使我写了这篇文章（我承认我费了较长的时间才谈到这一点）。几乎所有的水滴都干了。在地球最初的斜坡上，花了30亿年才形成后来的那些沟槽。也许经过60亿、120亿、200亿年，一定会形成这些沟槽。假如地球是永恒的，我们也许会认为那是必然的，但是地球不是永恒的。

天体物理学家威廉·A.福勒认为，太阳经过100亿～120亿年的燃烧，就要耗尽它的全部燃料。然后，太阳就会爆炸，变成一颗红色的巨大星球，这个星球非常大，会延伸到木星的轨道上，这样就会吞没地球。认识到正是在我们这个行星的寿命到了一半的时候人类才出现，这真是一种令人心惊的思想，这种思想会使你惊呆而茫然，会叫你不寒而栗。假如将生命的进程视为水在斜坡流落的比喻（即带有随机性和不可预测性）站得住脚的话，那么，我想得出的结论便是：地球不一定进化出复杂的生命。经历了30亿年，地球上才不再仅有藻席，如果地球的生命能够延续足够长久的话，也可能经过5倍这么长的时间才能做到这一点。换句话说，如果整个生命过程重新开始，那样也许直到太阳系历史上最耀眼的事件——太阳大爆炸时，地球上最高等的生命形态可能就是藻席，这样连见证者都不会存在。

阿尔弗莱德·拉塞尔·华莱士也想到最终地球上的生命会毁灭（不过，在他所处的时代，物理学家认为太阳的热能会燃尽，地球则要冷凝）。他无法接受这一点。他写道：“怀着凝重的精神重负，人们……被迫认为，所有我们这个种族向着更高生命阶段缓慢生长中的搏斗，所有殉难者的痛苦，所有牺牲者的呻吟，所有各个时代人们经历的无法承受的噩梦般的折磨，所有为了自由的斗争，所有为了公正的奋斗，所有对更高境界的追求，所有为人类的造福，都会完全消失。”华莱士最终选择了传统基督教方法，相信精神生命的永存：“具有这样天赋、高贵、能力发达的生灵，肯定是高尚的生灵，而且肯定可以长久存在下去。”

我则持不同的意见。化石记录表明，一般的化石无脊椎动物生活了500万～1000万年（生活最久的无脊椎动物可能达到2亿年，对此，我不敢相信），脊椎动物的生活时限一般要短一些。假如人类可以生存到目睹50亿年或再长一些时间后我们星球的毁灭，那样人类生存的历史肯定是生命史中史无前例的。届时，我们会欣慰地唱出我们人类的最后哀歌——富贵如浮云。当然，我们有可能大批人乘着空间飞船离去，挤在一起等待着下一次宇宙大爆炸。但是，果真那样的话，我就不会再喜欢读科学幻想小说了。

[1] 斯特雷奇（1880—1932），英国传记作家、评论家，代表作有《维多利亚女王传》和《维多利亚女王时代四名人传》等。——译注

[2] 南丁格尔（1820—1910），英国女护士，近代护理学和护士教育的创始人。——译注

[3] 嬉皮士原指澳大利亚留长发着怪装的青少年。——译注

[4] 理查三世（1452—1485），英格兰国王（1483—1485）。——译注

[5] “碎尸者”杰克，指1888年8—11月在伦敦东区至少杀死7名妓女并始终未查明身份的一名杀人犯。——译注

[6] 从1980年起，我开始投注，直到10年以后。——原注

[7] 英国名牌汽车，又译作劳斯莱斯。用在这里的意思是“极品”。——译注

第四部分
人类差异的科学与政治学

·硕大的脑袋，狭小的心灵

·女人的脑

·唐式综合征

·维多利亚时代面纱下的瑕疵

13
硕大的脑袋，狭小的心灵

1861年，从2到6月，巴隆·乔治·居维叶的幽灵一直在巴黎人类学会上徘徊。伟大的居维叶，这位法兰西生物学领域中的亚里士多德（这是一种不谦逊的叫法，但是他并未拒绝这个称呼），死于1832年。但是在保罗·布鲁卡与皮埃尔·格拉蒂奥洛就脑的大小是否与智力有关的激烈争论中，曾经是居维叶精神世界栖居地的颅骨，一直都被派上了用场。

在首轮辩论中，格拉蒂奥洛就勇敢地指出，头大的人不一定就是最好、最出色的人。（格拉蒂奥洛坚决拥护君主主义，并不赞成平等主义，他根据其他标准来证明欧洲白种人具有优越性。）布鲁卡是巴黎人类学会的创始人，是世界上最伟大的颅测量家。他则认为，假如脑的大小不能说明任何问题，那么“研究人类种族的脑就失去了主要的意义和用途”。他问道，假如人类学家得出的结果与他认为的最重要问题——不同的人价值不同——无关，那么，他为什么还要花那么多时间去测量人的头？

在人类学家迄今讨论过的问题中，以前没有哪个问题像这个问题那么有意义和重要……颅骨学的巨大重要性已经强有力地震动了人类学家。我们许多人都搁置了这门科学中的其他问题，尽全力专门研究颅骨……我们希望根据现有的材料，找到某些与人类不同种族智力有关的信息。

布鲁卡与格拉蒂奥洛争论了五个月，在专业刊物上发表的有关文章大约有200页。怒火煽起来了。在争论到白热化的时候，布鲁卡的一名追随者给出了致命的一击：“我已经注意很长时间了，一般说来，那些否认脑容量与智力有关的人，头都不大。”最后，布鲁卡赢了，对手败了。在这场争论中，对布鲁卡最有价值的信息，同时没有引起广泛议论和太大异议的论据，莫过于乔治·居维叶的脑。

居维叶是那个时代最伟大的解剖学家，是他通过将动物按照功能（如何活动）分类，而不是按照一种人类中心说的从低等到高等的排列，纠正了我们对动物的理解。居维叶是古生物学之父，是他首次确定了灭绝是事实，是他强调了剧变在生命和地球历史中起到过重要作用。居维叶是个了不起的政治家，他像塔列朗 [1] 一样，曾为法兰西不同的政府效力，从大革命时期的政府到君主制的政府，并且有个善终。（实际上，虽然居维叶在书信中故作同情法国大革命，但是在大革命的岁月中，他却在诺曼底当私人教师，度过了那段动荡的生活。1795年，他来到了巴黎，从此再也没有离开过这座城市。）最近的一位传记作家F.布尔迪埃描述过居维叶的身体发育过程，但是也可以用他的话来比喻居维叶的权力和影响的变化：“居维叶个子不高，在法国大革命时期非常瘦，在帝国时期 [2] 健壮多了，到了王朝复辟后则很胖。”

与居维叶同时代的人都对他“硕大的头”感到惊讶。一位崇拜居维叶的人说，这个大头“使整个人具备了一种无法抗拒的高贵特征，而且使他的脸带有一种沉思的表情”。所以，当居维叶死后，他的同事们，为了科学的利益，并且出于好奇，决定打开这颗最伟大的头颅。1832年5月15日，星期二，早晨7点，法兰西的一群最著名医生和生物学家，一齐解剖了居维叶的尸体。它们首先解剖了内脏器官，发现“没有什么出奇之处”，注意力又转向了居维叶的头颅。一位负责的医生写道：“于是，我们将要看到这个极有才气的装置。”而且他们的期待得到了回报。乔治·居维叶的脑重达1830克，比人的平均脑量重400克，而且比以前称量过的最重的无病脑还重200克。未经证实的报道和不确切的推断，曾将奥列佛·克伦威尔、乔纳森·斯威夫特和拜伦爵士的脑放在同一水平上，但是，居维叶的脑是人们得到的第一个可以将才华与大脑尺寸联系起来的直接证据。

布鲁卡占有优势，他的大部分论点就基于居维叶的脑。但是格拉蒂奥洛却发现这个证据中的一个弱点。解剖居维叶头颅的那些医生，由于惊喜和兴奋，竟然忘记测量他的脑和头盖骨。而且，从记录上看，根本没有测量过头盖骨。脑重1800克的数据无法核实，或许这个数字本身并不对。格拉蒂奥洛当时寻找过一种现存的替代物，并从中得到很大的启发，他说：“医生们绝没有称重过所有的脑，但是制帽商却量过所有的头，考虑到这一点，我设法搞到了我想你们也会感兴趣的信息。”简单地说，格拉蒂奥洛拿出来的东西与那个伟大的脑相比，似乎很平庸，他找到了居维叶的帽子。因此，在两次会议上，一些法兰西最伟大的大脑，认真估量了那顶帽子适合多大的头。

格拉蒂奥洛报告说，经过测量，居维叶的帽子长21.8厘米、宽18.0厘米。然后，他又向“巴黎最高超的也是最知名的制帽匠M.皮里奥”核准。皮里奥告诉他，帽子的尺寸最大的是21.5×18.5厘米。虽然戴这么大帽子的人很少，但是居维叶的头并没有太出格。而且，格拉蒂奥洛显然很高兴指出，帽子很容易变形，而且“长期使用会变松”。这顶帽子在居维叶买时并没有这么大。而且，居维叶的头发比较浓密，他戴这顶帽子时正是满头浓发。格拉蒂奥洛宣称：“这显然清楚地表明，即使居维叶的头很大，但他的脑并没有大得出奇，并不是特殊的。”

格拉蒂奥洛的反对者更愿意相信那些医生，而不太看重一顶帽子。20多年以后，1883年，G.埃尔韦重又研究了居维叶脑的问题，并且发现缺乏一个环节：虽然测量过居维叶的头，但是在尸体解剖报告中却删除了有关的数据。去掉著名的茂密头发，这样按照尸体解剖报告中的说法，居维叶头的周长在“科学家和学者”中只有6%可以相比（测量活人时还包括了头发），而在家仆中则无人可以相比。至于那顶名声不佳的帽子，埃尔韦认为应该忽略不计，不过他却提到下面这段轶事：“居维叶有一个习惯，他在接待室中常把帽子放在桌子上。经常有教授或者官员试着戴这顶帽子，他们戴上后，帽子显得过大，会遮住他们的眼睛。”

然而，就在“多就是好”的原则快要达到胜利的边缘时，埃尔韦却使布鲁卡反胜为败。好事太多反而成了麻烦，埃尔韦开始担忧了。为什么居维叶的脑超出其他“天才人物”的脑那么多？埃尔韦重新审查了有关的尸体解剖报告和居维叶早期健康不佳的记录，认为居维叶可能得过“幼年临时脑积水”。如果居维叶的头是在生长的早期由于液体压力导致的非自然增大的话，那么，他的脑也会因为密度降低而扩大，以充填颅腔的空间，这不是脑的自然增大。可以说，主要是颅腔的增大，使居维叶的脑大得不同寻常吗？埃尔韦无法解决这个问题，因为居维叶的脑经过测量后便处理掉了，留下来的只是那个权威性的数字——1830克。埃尔韦写道：“就居维叶的脑而言，科学失去了曾拥有的最宝贵资料。”

表面上看，这个故事有些荒唐可笑。考虑到法兰西最出色的人类学家竟然热烈争论一个故去同行的帽子的含义，这很容易使人得出对历史的错误和危险的推断，认为过去是无知者当道，并且会将历史的途径看作进步的过程，认为现在的人更高超更明智。

但是，假如我们只是去嘲笑，我们将永远不会理解。我可以说，数千年来人的智力没有变化。倘若聪明的人曾就我们今天看起来愚蠢的事情投入了大量的精力，这种反差的形成，主要在于我们无法理解他们的世界，并不在于他们扭曲了看问题的角度。就拿有关针尖上有多少天使这个看起来毫无意义的古代典型例子来说，只要你认识到神学家讨论的并不是针尖上有5个还是18个天使，而是针尖的面积是否无限可分，那么你便可以理解了。在一些神学体系中，天使有形还是无形，确实是一个重要的问题。

在我们这个案例中，从上文引述过的布鲁卡论述的最后一段话中，就可以发现，对于19世纪的人类学家来说，居维叶的脑是极为重要的：“我们希望根据现有的资料，找到某些与人类不同种族的智力有关的信息。”布鲁卡及其学派打算通过表明脑的大小与智力的联系，能够解决他们认为是“人的科学”中的首要问题：为什么有些人和类群比其他人和类群更成功？为了达到目的，他们根据先验确定的价值，将人分成男人和女人、白人和黑人、天才和老百姓，而且试图证明从脑的大小上可以反映出这种差异。卓越的人（当然是男性）的脑成了论据中的关键环节，而居维叶则是精英中的精英。布鲁卡得出结论：

一般说，男人的脑比女人的大，卓越人的脑比平庸之辈的大，优等种族的脑比劣等种族的大。在其他方面也是一样，智力的发展与脑容量之间存在着明显的关联。

布鲁卡死于1880年，不过他的追随者们继承了他的记录卓越人士脑的工作（实际上，他们研究了布鲁卡本人的脑，布鲁卡的脑量很平常，为1484克）。解剖学家和人类学家经常解剖有名望的同事的脑。美国最著名的参与者E.A.施皮茨克哄骗他的那些卓有成就的朋友：“我认为，想到尸体被解剖，总不比想象尸体在坟墓中被分解更令人厌恶吧。”美国的两位一流人种科学家约翰·威斯利·鲍威尔和W.J.迈克基曾就谁的脑更大打过一个赌，施皮茨克答应在他们死后解决这个问题。（结果不分胜负，鲍威尔和迈克基的脑差别不大，与身体大小可以导致的差别差不多。）

到了1907年，施皮茨克大概已经掌握了115名著名人物脑的资料了。随着人数的增多，得出的结果也很快变得模糊了。在上限部分，居维叶的脑量最终被超过，1883年去世的屠格涅夫 [3] 的脑量打破2000克的界限。但是下限部分的结果却很糟糕，令人尴尬。沃尔特·惠特曼 [4] 用了只有1282克的脑吟诵着对美利坚的颂歌。弗朗茨·约瑟夫·戈尔是颅相学之父，颅相学最初是根据大脑不同区域的大小判断精神价值的“科学”，他的脑容却只有1198克。1924年去世的阿纳托尔·法朗士 [5] 的脑量差不多只占屠格涅夫2012克脑量的一半，仅有1017克。

尽管如此，施皮茨克依然乐此不疲。有一个令人无法容忍的根据先验偏见选择材料的例子，他按照脑的大小，将杰出男性白人、非洲乡下女人和大猩猩依次排列在一起。（假如，他挑选了一个黑人大的脑和白人小的脑，就可以轻易颠倒一下前两者的顺序。）施皮茨克再次援引乔治·居维叶的脑为例，总结道：“居维叶或萨克雷 [6] 与一个祖鲁人 [7] 或布须曼人 [8] 之间的脑差距，并没有后者与长臂猿之间的脑差距大。”

在科学家当中已经不再常见这么明显的种族主义了，而且我相信，没有人再试图根据脑的平均大小来排列种族和性别了。然而，我们有些人对于智力的实体基础却依然有兴趣（好像应该存在似的），而且有些人一直幼稚地期待，根据头的大小或某些比较清晰的外在特征，就可以了解到头里面的微妙之处。实际上，我们有些人还坚持“多就是了”这种粗俗的观点，利用容易定量的标准不恰当地评估非常微妙并难以分辨的定性特征。而且，某些人用判断他们的阳具或汽车价值的方式来判断脑。这篇文章是受最近有关爱因斯坦的脑在何处的报道启发下写成的。是的，爱因斯坦的脑被留下来用作研究，但是他死了已经25年了，研究的结果却一直未发表。留下来的部分脑（其余分给了其他专家）放在梅森瓶 [9] 中，外面包了一个纸盒子，上面标有“科斯塔·塞德”，存放在堪萨斯州维辛塔的一个办公室中。什么都没有发表，是因为没有发现什么不寻常的东西。这个梅森瓶的主人说：“他的脑没有超出他那个年纪人脑的正常界限。”

我好像听到居维叶和阿纳托尔在天堂的某个角落发出的笑声。他们是否在重复他们祖国的一句名言？——变化的东西越多，就有越多的东西保持不变。脑的物质结构肯定以某种方式记录着智力，但是粗略的大小和外在的形状不可能反映出任何有价值的东西。我对爱因斯坦脑的重量和回数确实不感兴趣，因为我相信在棉花地和工厂度过一生的人，具有同样的才智。

14
女人的脑

在《米德尔马奇》的前言中，乔治·艾略特 [10] 对天才女子的生活无法满足发出了感叹：

一些女人感到她们糟糕的生活是由于麻烦的不确定性造成的，并认为正是上帝使女人有了这些不确定的本性。即使为数不多的女人的水平不受限制，并且卓有成就，但科学的确定性已经限定了社会上的多数女人。

艾略特进而对女人天生受限制的思想产生了怀疑。但是就在她1872年写下她的看法时，欧洲人类测量学的领袖们则正在试图“利用科学的确定性”测量妇女的劣等性。人类测量学，即对人体的测量，在当时并不是一个时髦的领域，但却统治了19世纪的人类科学很长时间，而且直到智力测验取代颅骨测量之前，一直都很流行。智力测验也曾受到人们的青睐，但却做出了对种族、阶级和性别有害的比较。颅骨测量学，即对颅骨的测量，曾经很受重视，很有名望。这门学科的创始人当然是保罗·布鲁卡（1824—1880），他是巴黎医学院的临床外科教授，在他的周围聚集了一群追随者和仿效者。他们的工作一丝不苟，而且似乎无可厚非，产生过极大的影响，赢得了很高的荣誉，并成为19世纪科学中的瑰宝。

布鲁卡的工作尤其显得无懈可击，谁能说他的测量不是最精细最准确的呢？（他的测量确实是准确的，我对布鲁卡的细致程序非常崇敬，他的数据是可靠的。但是科学是一种推导性的工作，而不是事实的罗列。数据本身不说明任何问题，要看你如何利用那些数据。）布鲁卡把自己描绘为客观性的使徒，一个服从事实、放弃迷信和情感的人，他宣称：“不存在信念，无论它多么崇高；不存在兴趣，无论它多么合情合理。它们都不能推动人类知识的进步，并且都要服从真实的事实。”无论你喜欢还是不喜欢，女人的脑就是比男人的脑小，因此，男女的智力不可能一样。布鲁卡认为，这个事实可能会加强男性占主导的社会中的一种常见的偏见，但它确实是科学真理。L.马诺夫里埃算得上是布鲁卡学派中的持不同意见者，他否认女人是劣等的，他曾充满感情地写下布鲁卡的数据对女性施加的负担：

女人也能表现出天才和学识，她们也能引经据典。然而，孔多塞 [11] 和约翰·斯图尔特·穆勒 [12] 所不知晓的一些数据却压制了女人。这些数据像巨锤一样砸到女人的身上，伴随这些数据的，是比教堂神父厌恶女人的一些诅咒还要可怕的评论和挖苦。神学家顶多怀疑女人是否有灵魂，几个世纪以后，一些科学家却认为女人缺乏人的智力。

布鲁卡的论点根据的是两套资料：现代社会中的男性有更大的脑，再有就是所谓男性优势随时间而增长。他的资料主要来自四家巴黎医院的验尸报告。他根据292个男性的脑计算出平均脑量为1325克；140个女性平均脑量为1144克，比男性的平均脑量少181克，或少14%。布鲁卡当然明白，这种差异可能部分是由于男性的体重大。然而他却没有打算测量身体大小的影响，而且他说，身体的大小不能说明全部差异，因为我们（预先）知道，男女的智力不同（这个前提要用资料来检验，而不能作为基础）：

我们可能会问，女性的脑小是否完全因为她们的身体小，泰德曼提出过这种看法。但是我们一定不要忘记，女性的平均智力比男性低得多，我们不应该夸大这个差异，但是它却是真实存在的。因此我们认为，女性的脑之所以比较小，部分是由于她们体质上的劣势，部分是由于她们智力上的劣势。

1873年，就在艾略特出版《米德尔马奇》之后，布鲁卡测量了在勒莫山岩洞中发掘的史前人类头盖骨的颅量，他发现男女的颅量差仅为99.5毫升，而现代人的男女颅量差为129.5～220毫升。布鲁卡的主要追随者托皮纳尔认为，这种差异之所以随着时间而增加，是由于占优势的男人和被动的女人受到的选择压力不同：

男人在生存斗争中要为两个或更多的人奋斗，他承担着全部的责任，还要考虑到明天，他在与环境及人类中的对手搏斗中，要积极主动，所以需要有比他养护的女人更大的脑；而女人的活动少，缺乏固有的侵占性，她的作用只是哺育孩子、爱他人和顺从。

1879年，布鲁卡学派中最厌恶女人的古斯塔夫·勒庞利用这些资料发表了一些文章。在现代的科学文献中，这些文章算得上是对女性最恶毒的攻击（在这方面还没有人超过亚里士多德）。我并不是说他的观点代表了布鲁卡学派，但是那些文章却发表在法国最有名的人类学杂志上。勒庞得出结论：

在多数种群中，例如在巴黎人当中，许多女人的脑大小更接近大猩猩的脑，与发达的男人的脑相去甚远。这种劣势非常明显，无可争辩，只是劣势的程度尚可商榷。所有研究过女人智力的心理学家，以及诗人和小说家，今天都认识到女人是人类进化中最低等的类型，她们不像有教养的成年男人，而更像孩子和野蛮人。女人的特点在于情绪变幻莫测，不坚定，缺乏思想和逻辑，没有推理能力。当然也有一些杰出的女性，她们甚至比普通的男人还要出色，但是她们属于例外，就像偶然生出的畸形儿一样，例如，就像有的大猩猩长有两个头，所以我们完全可以忽略这些女性。

勒庞并不回避他的观点的社会含义。他对某些美国改良者倡导的让具有同样基础的男女接受高等教育的建议感到惊讶：

想让她们受同样的教育，其结果就是给她们提出同样的目标。这是一个危险的幻想……这样，我们便不能认识到大自然给了女性劣等的条件，却使女性离开家庭，参加到我们的斗争中。到了这一天，社会就会发生革命，维系家庭的纽带就会断裂。

这个声音熟悉吗？ [13]

我重新检验了布鲁卡的资料，这是派生出各种观点的基础。我发现他的数据可靠，至于他的解释，至少可以说，是站不住脚的。可以轻易地驳倒他所宣称的男女脑的大小差别随时间增加的资料。布鲁卡这个论点的依据只是来自勒莫山的例证——总共才有7个男性和6个女性的头盖骨，从这么少的资料中绝不应该得出涵盖广泛的结论。

1888年，托皮纳尔发表了布鲁卡从巴黎数家医院收集到的广泛资料。由于布鲁卡记录了身高、年龄和脑的大小，所以我们可以利用现代统计学去除其他因素的影响。脑重随年龄降低，布鲁卡记录的女性，平均年龄都比男性大。脑重随身高增加，布鲁卡记录的女性，平均身高比男性矮15厘米。我使用了多重回归方法，利用这项技术，我可以同时评估身高和年龄对脑大小的影响。我在对有关女性资料的分析中发现，倘若男女的平均身高和年龄相同，女性的脑重则达到1212克。通过身高和年龄的校正，布鲁卡测定的男女脑重的180克差异要降低1/3还要多，变成了113克。

我不知道为什么还是存在一定的差异，因为我无法评估影响脑大小的其他重要因素。死亡的原因有重要的影响，恶性疾病也常使脑变小（这种效应与由于年龄增加导致的脑变小不同）。尤金·施雷德也研究过布鲁卡的资料，他发现，因事故死亡的人的脑，比死于传染病的人的脑平均重60克。因为布鲁卡的许多研究对象都是上了年纪的女子，我们可以想象，在她们中间患长期恶性疾病的情况比在男子中更常见。

更重要的是，现在研究脑大小的人，对于消除身体大小的影响是否是合适的测量方法这个问题还有争议。身高只是部分因素，不过身高相同的男女，身材不一定相同。体重的数据比身高的数据还要糟糕，因为导致体重差异的原因主要是营养，而不是先天的，也就是说，胖和瘦对脑重的影响不大。马诺夫里埃在19世纪80年代研究过这个问题，他提出，应该考虑到肌肉的质量和力量。他试过各种方法，试图只测量脑重这个单一的特征。他发现，即使男女身高相同，也存在男性的脑重于女性的现象。当他校正了他称作的“性别质量”时，他发现女性的脑量实际上还略大一些呢。

所以说，校正后的113克差异确实太大了，真正的差数大概接近零，就是说，男女的脑量差不多。顺便说一下，在布鲁卡的资料中，确切地说，113克就是162.56厘米和193.04厘米的男子之间的脑量差。我们不会（特别是对于我们这些矮个子的人来说）认为凡是高个子的男子就有高智力。简而言之，谁知道布鲁卡的资料有什么用？根据这些资料确实不一定得出男人比女人的脑更发达的结论。

为了理解布鲁卡及其学派的社会作用，我们必须认识到，布鲁卡有关女性脑的论述，并不单单只是对一个地位低下类群的偏见。要衡量他的论述，必须考虑到一种普遍性的理论，即受诋毁的不仅有女人，还有黑人和穷人。但是女人之所以受到布鲁卡论点的打击，是因为他更容易搞到女性脑的资料。受诋毁的是女人，但她们是作为其他地位低下类群的替身受到诋毁的。布鲁卡的一名追随者在1881年就曾写道：“黑人男子的脑还没有白人女人的重呢。”在人类学的论据中，如此这般的并列比比皆是，甚至有人宣称，从解剖学和情感的角度看，女人和黑人都像白人的孩子，而根据重演论，白人的孩子代表的是人类进化的原始阶段。我并不认为女性要向我们开战是一句空话。

玛丽亚·蒙台梭利 [14] 不仅从事儿童教育的改革，她还在罗马大学讲了许多年的人类学，写过一部很有影响的名为《教学人类学》的书（英文版1913年）。蒙台梭利并不是平等主义者，她支持布鲁卡的大部分工作，并且支持她的同胞塞萨尔·隆布罗索提出的存在天生罪犯的观点。她测量过她学校中孩子的头围，并且认为头大的孩子比较有前途，但是她没有使用过布鲁卡有关女人的结论。她大量论述过马诺夫里埃的工作，并且利用了他经过对资料的校正得出的女人比男人的头略大的探讨性看法。她得出结论，女人在智力上是出色的，但是迄今为止，男人因体力而占据优势。一旦机器作为动力取代了人的体力，女人的时代不久便会来临：“在这个时代，才会出现真正杰出的人，才会出现道德情操上出色的人。也许沿着这条道路，会达到女性统治的王朝，届时，女人在人类特征上的优势就会表现出来。女人过去一直是人类情操、道德和荣誉的守护人。”

这种观点是对“科学”宣称的一种类群身体劣等观的反抗。人们可能会认为，对人做生物学的划分是合理的，只不过那些受偏见左右的人利用这些资料得出错误的观点，并且还会认为，所谓劣等类群实际上是出色的。最近，伊莱恩·摩根在《女人的由来》一书中遵循了这个策略。在这部书中，她根据猜测，从女性的角度重建了人类的史前史，实际上却像许多由男人为男人而杜撰的著名的无稽之谈一样滑稽。

我赞成另一种策略。蒙台梭利和摩根遵循了布鲁卡的哲学，只不过得出的结论令她们惬意。我则认为，从生物学的角度给人类的任何类群做标记都是缺乏根据的和有害的。乔治·艾略特清楚地认识到从生物学角度判定某一类群劣等所带来的悲剧，她指的是像她一样天才的女子。我想利用她的观点，但涵盖的范围要更广，不仅包括那些梦想无法实现的人，还包括那些没有意识到会有梦想的人。但是，我写不出她那样有文采的散文。在《米德尔马奇》的序言中，艾略特总结道：

尽管她们的头饰相同，尽管她们喜爱散文和诗歌中同样的爱情故事，但是女性之间的差异太大了。到处都有那孤独的小天鹅，它和鸭群一起生活在褐色的池塘，它没有找到生有和它一样蹼爪的同伴。到处都有天生的圣特雷萨 [15] ，但她们毫无建树，当期待的仁慈飘然而去，留下来的只是破碎的爱心和抽泣，她们无法克服艰难险阻，无法做出令人铭记的丰功伟绩。

15
唐式综合征

减数分裂，即染色体在性细胞形成中的分离，是生命历程上的一个伟大的胜利。只有卵和精子中都准确无误地含有正常体细胞遗传信息的一半时，有性生殖才能进行。两个一半的遗传信息通过受精结合，恢复了遗传信息的总量，同时，在每一个后代中，两个亲体基因的结合提供了达尔文式进化所需要的变异。这种减半或“还原分裂”发生在减数分裂中。届时，染色体两两配对，并且拉开，每一对染色体中的一条进入到一个性细胞中。面对某些蕨类植物中含有600多对染色体，而且在绝大多数情况下，减数分裂使每一对染色体分开，我们便会对减数分裂的精确性肃然起敬。

与工业中的机器相比，生命的机器并不太容易出故障。然而，在细胞分裂中，也时有错误发生。在极少数情况下，这样的错误成了新进化的起点。在多数情况下，这样的错误导致有缺陷的卵和精子形成不幸的子代。最常见的减数分裂错误，叫作不分离，即染色体未能分开。配对的两条染色体一齐进入一个性细胞中，另一个性细胞便会少一条染色体。一个小孩儿要是由一个正常性细胞和一个由于不分离而具有额外染色体的性细胞形成的话，每一个细胞中就会有三套这样的染色体，而不是正常的两套。这种异常叫作三连性。

在人类中，第21对染色体不分离的比例比较高，导致的结果相当悲惨。大约1/600或者1/1000的新生儿带有一条额外的第21条染色体，这种情况的专业名称叫“三体性-21”。这些不幸的孩子，即使病情中度，也会有严重的智力迟钝，而且寿命会减损。此外，他们还有其他一些明显的特征，如手短而宽、腭窄而高、鼻子小且根部扁平、舌头厚而且有沟。随着产妇年龄的增加，三体性-21的频率会骤然提高。我们不太清楚导致三体性-21的原因是什么。实际上，直到1951年，才发现三体性-21的染色体基础。我们不清楚为什么第21条染色体的不分离发生得这么频繁，而其他的染色体几乎不存在不分离的现象。我们也不知道，为什么一条额外的第21条染色体会产生出这么多与三体性-21相关的特殊畸形。但是，至少通过数一下胚胎细胞的染色体数，就可以在子宫中确诊三体性-21，以便早点流产。

你也许对这个陈述太熟悉了，但是别着急，我还要谈与此相关的一些事。三体性-21的常用名称叫蒙古人愚型，或唐式综合征。我们都见过唐式综合征的孩子，但是我确实感到不止我一个人对于为什么这种病叫蒙古人愚型迷惑不解。对于绝大多数患有唐式综合征的小孩儿，我们会立刻辨认出来，但是（正如上面列举的症状所表明的那样），他们的明确症状中并不带有东方人的特征。有些患病的孩子确实有很小但可以看到的内眦赘皮，这是东方人眼睛的典型特征。还有些患病的孩子肤色略黄。正是这些次要、不确定的特征，使约翰·兰登、海登·唐恩在1866年描述这些症状时，与东方人做了比较。不过，唐恩为这种病命名的故事绝不是偶然、误解和根据表面的类似性，其中包括了科学种族主义历史上的一个有趣的故事。

使用蒙古人愚型这个词的人几乎不知道，唐恩医生之所以用蒙古人和愚型作为专业术语，根源在于当时流行的文化偏见，而且这种偏见并没有消亡。它把人按照单一的线性次序排列，而排列者则位于顶端。在三种心理缺陷中，愚型被排在最低等。愚型患者不能讲话，比愚型高一等的弱智者能讲话，但是不能写字。第三等级，即轻微的“弱智”，在叫法上还有激烈的争论。在美国，一般使用H.H.戈达德限定的“痴愚者”，这个词来自古希腊，意思是蠢人。虽然存在过许多糟糕的关于老蠢货的比喻式笑话，痴愚者却是这个世纪的专业词，而非古代的名称。戈达德是严格地从遗传学角度解释智商测验的三名创始人之一。他相信，这种单一线性的心理分类，可以径直地扩展到痴愚者以上的层次，自然地排列人类的种族和民族。其中，他把南欧和东欧的移民排在了底层（就平均程度看，依然处于痴愚者的水平），而祖先是白种英国新教徒的原美国人则位于顶端。（在戈达德对在艾利斯登陆的移民进行了智力测验后，他宣称他们中间有80%的人属于弱智，并且敦促他们返回欧洲。）

1866年，唐恩医生在《伦敦医院报道》上发表“关于愚型患者的种族分类”时，他还在位于萨里的厄尔尼斯伍德的愚型患者收容院中当医疗主管。在那篇仅有3页的文章中，他描述了高加索“愚型患者”，同时将非洲人、马来人、美国印第安人和东方人扯了进来。在这些不着边际的比较中，只有“带有蒙古人类型特征的愚型患者”作为专业名称，在文献中沿用了下来。

任何缺乏理论背景的人，读了唐恩的文章，都会低估这篇文章的普遍性和严肃的目的。在我们今天看来，在这篇文章中，一个带有偏见的人提出了脆弱、肤浅、几乎随心所欲的类比。而在他那个时代，人们则非常热心于尝试利用当时最好的生物学理论（和无处不在的种族主义），建立具有普遍因果联系的心理缺陷分类体系。唐恩医生的所作所为，远不止是将某些奇特而没有因果联系的类比联系起来。针对以前对心理缺陷的分类尝试，唐恩抱怨道：

那些关注先天心理缺陷的人，一定经常疑惑如何以合适的方式将他们观察到的不同缺陷类型排列起来。求助于已经发表的关于这个问题的文章，并不能解决困难。已有的分类系统，一般都比较模糊，过于人为化，不仅得不到各种已知的心理现象的支持，而且对这个问题没有任何实际的影响。

在唐恩时代，重演律为生物学家提供了按照高等和低等排列生命形式的最好向导。〔在今天，无论重演的理论，还是重演论鼓吹的“梯状”分类都已经过时（见我写的书《个体发育与系统发育》，哈佛大学出版社，1977）。〕重演论通常可以表述为上口的“个体发育重演系统发育”。它认为，高等动物在胚胎发育中所经历的一系列阶段，以相应的顺序，代表了其低等动物祖先的成体类型。所以，人的胚胎首先发育出鳃裂，像鱼；然后是三房心脏，像爬行动物；后来又有了哺乳动物的尾。重演论为具有种族主义思想的众多白人科学家提供了惬意的关注焦点：他们观察自己孩子的活动，与低种族正常成年人的行为进行比较。

他们试图将路易·阿加西称作古生物学、比较解剖学和胚胎学的“三重平行论”——化石中实际祖先、原始类型的现存代表，以及高等动物发育中的胚胎或幼体阶段——确立为一种具有可操作性的程序。在种族主义研究人类的传统中，三重平行指的是化石祖先（尚未发现）、“野蛮人”或低等种族的成年人，以及白人的孩子。

但是，许多重演论者还倡导增加一个平行，即第四平行——优等种族中的异常成年人。他们把异常的类型或行为归咎为“返祖”或“发育阻滞”。返祖或返祖现象指的是，成体中自然再现发展的谱系中已经消失的祖先特征。例如，“罪犯人类学”的奠基人塞萨尔·隆布罗索相信，许多违法者的行为是受生物学特性所迫，是由于过去残忍的禀性在他的体内复活了。他试图根据类似猿的形态“痕迹”，鉴别出“天生的罪犯”，这些痕迹有向后倾斜的前额、凸出的下巴、长臂等。

发育阻滞指的是，在胚胎期间，正常产生的特征，在没有经过进一步复杂改变或替代的情况下，异常地转变为成体特征。按照重演论，正常的胚胎生命特征反映的是更原始类型的成体阶段。如果一个高加索人遭受发育阻滞，他可能属于人类生命的较低阶段，即他可能回返出较低种族的典型形态。这样便形成了由人类化石、较低种族的成年人、白人孩子和受着返祖现象或发育阻滞折磨的不幸白人这四重平行。正是在这样的背景下，唐恩医生提出了谬见：高加索人当中的愚型患者，一定反映的是发育阻滞。而且唐恩医生将这种患者的心理缺陷归咎为患者身体中保留了正常低种族成年人的特征和能力。

于是，唐恩医生详细检查了研究对象的低种族特征，恰似20年后隆布罗索测量罪犯身上类似猿形态的标记。怀着预先具备的充分信念去寻找证据，谁都会找到。唐恩在叙述自己的探索时，掩抑不住兴奋的心情：他已经（或他已经想到）建立关于心理缺陷的一种自然的、具有因果联系的分类体系。他写道：“我长期以来一直致力于尽可能按照各种种族的标准来排列，以建立弱智患者的分类体系，也就是说，形成一个自然的体系。心理缺陷得愈厉害，表明发育阻滞得愈严重，反映出的便是愈低种族的类型。”

他发现了“一些标志显著的埃塞俄比亚变异”，而且描述了他们“凸出的眼睛”“膨大的唇”和“卷曲的头发……虽然不总是黑的”。他写道，他们“虽然是欧洲人的后裔，却是典型的白种尼格鲁人”。接着，他描述了其他“可以归属为马来人变异”的愚型患者，以及其他具有“短前额、面颊突出、眼睛深陷和鼻子略像猿”的愚型患者，他认为这些人很像“最初居住在美洲大陆”的人。

最后，顺着种族阶梯，他论述到次于高加索人的台阶——“著名的蒙古人谱系”。他继续写道：“许多天生的愚型患者是典型的蒙古人。这种特征非常明显，当患有这种病的人和健康的同胞在一起时，很难相信他们生自同一父母。”接着，唐恩比较准确（并未与东方人相联系，除了谈到皮肤“略黄”外）地描述了一个患有三体性-21疾病的小孩儿。

唐恩不只描述了东方人与“蒙古人愚型患者”之间在解剖结构上的相似，他也谈到那些儿童患者的行为：“他们有极强的模仿能力，甚至仅仅是照着样子去做。”要想理解这段话，需要比较熟悉19世纪种族主义的文献。东方文化的成熟与复杂令高加索人中的种族主义者很尴尬，尤其是当欧洲人还处在蒙昧状态时，中国社会早已非常典雅了。（正如本杰明·德斯累里 [16] 在回答反闪米特人 [17] 的讽刺时所说：“是的，我是犹太人，然而，当那些体面绅士的祖先还是粗野的野蛮人时……我的先人已经是所罗门庙宇中的祭司了。”）高加索人解决这个难题的办法是承认东方人的智力，但是认为东方人的智力主要体现在模仿、仿造上，而没有创新的才能。

唐恩在总结对患有三体性-21小孩儿的描述时，将这种病症归咎为发育阻滞（唐恩认为，原因在于父母患有结核病）：“从这些孩子的外貌看，很难认为他们是欧洲人的孩子，然而这些性状的出现很常见，无疑，这些种族特征是退化的结果。”

按照他那个时代的标准，在种族问题上，唐恩还算得上是个“开明人士”。他认为所有的人都来自同一种族，而且可以组成一个大家庭，但人种之间确实存在逐渐的阶段性变化。他利用对愚型患者的种族式分类，来反对一些科学家的主张——低种族来源于不同的特创，而且不能“改善”为白种人。他写道：

倘若对种族的伟大划分是固定和明确的，疾病怎么打破了这种界限，并且如此逼真地再现了其他分支成员的一些特征？我只能认为，我所记录的一些观察表明，种族之间的差异不是特定的，而是可变的。在我看来，人类中退化结果的例子也是支持人类种族具有统一性的论据。

唐恩关于心理缺陷的一般理论博得了公众的欢迎，但是在专业领域中却反应平平。当然，即使许多医生早就忘记了唐恩为什么发明蒙古人愚型这个名称，但他的名字却是与一种特定的异常现象——蒙古人愚型（有时淡化一点叫蒙古人症状）联系在一起的。唐恩的儿子反驳了父亲将东方人与患三体性-21的孩子扯在一起的做法，当然，他也赞同东方人地位低下，并赞同将心理缺陷与进化回返相连的理论：

最初那些容易使人联想到蒙古人身体特征的症状显然是偶然产生的、表面的，考虑一下那个种族的其他典型特征，这种联系则不能成立。而且，假如这种情况真是一种回返，回返的类型也比蒙古人种更古老。一些人种学家认为，就是在那种古老的人种中，发源出现存的人类各个种族。

当医生们从东方人的角度，从唐恩分类体系中比东方人还低的种族的角度检验时，便证明了唐恩关于三体性-21的理论缺乏合理性，即使在唐恩脆弱的种族体系中同样也不合理。（当一名医生提到“蒙古人愚型患者”时，已不再坚持唐恩的拙劣看法了。）倘若愚型患者表现出一个更高种族的正常特征，便不会归因于退化。我们现在知道，黑猩猩如果携带与人类第21条染色体同源的额外染色体，也表现出一些类似的特征。

唐恩的理论被反驳了，如何处理他发明的术语呢？几年以前，彼特·梅达沃爵士和一群东方科学家建议在不列颠出版物上用“唐式综合征”替代“蒙古人愚型”和“蒙古人症状”。虽然蒙古人病症一词仍然普遍使用着，我则发现在这个世纪有个类似的倾向。某些人可能会抱怨，一些头脑糊涂的自由主义者，在错误思想的引导下，竭力想改换一些名称，从而混淆已经接受的用法。实际上，我认为，对已经确立的名称不应乱改。每当我唱起巴赫的《圣马太受难曲》时，作为一名犹太人，我就感到极不舒服，也想大声疾呼这段歌词多少世纪以来就是反闪米特主义的“正式”借口：“他的血流在我们和我们孩子的身上。”然而，置于其他背景下，“他”也可以指其他人。我主张对巴赫的歌词不做丝毫改动。

但是，科学名称不是文学纪念文。蒙古人愚型不仅是含有诬蔑色彩的用法，无论怎么看，这个名称都不对。我们已不再按单一线性顺序对心理缺陷进行分类了，患有唐式综合征的孩子根本不像东方人。更重要的是，这个名称只有在唐恩的种族回返是心理缺陷原因这个声名狼藉的理论中才有意义。假如我们一定要尊重这位出色的医生，那么就用他的名字来命名三体性-21吧——唐式综合征。

16
维多利亚时代面纱下的瑕疵

维多利亚时代的人写出了大量的小说。不过，他们也强夺人愿，留下了在冗长和杜撰方面无与伦比的一种文学体裁：多卷本的名人“生平与书信”。这类著作不乏夸大的颂词，通常由悲伤的遗孀或孝敬的儿女们撰写，伪装得很谦逊，像是客观记述名人说过的话和做过的事。倘若我们按照字面的意思理解这些著作，我们便会以为维多利亚时代的名人都是按照他们信奉的伦理价值生活的，利顿·斯特雷奇50年前在《维多利亚时代名人传》中揭穿了这种空想。

伊丽莎白·卡里·阿加西是波士顿的名人，拉德克利夫学院的创始人和第一任院长、美国第一流博物学家的忠诚的妻子，她完全有资格胜任这样的作者（还有一个故去而令人哀悼的丈夫）。她的《路易斯·阿加西的生平及书信》，把一个有魅力、爱争吵、不太忠诚的人，刻画成节制、有政治家风度、智慧、正直、杰出的绅士。

我写这篇文章时所在的地方就是路易斯·阿加西1859年创建的哈佛比较动物博物馆的原厢房。阿加西是研究化石鱼类的世界级专家，伟大的居维叶的门客（见文章13 ）。他于19世纪40年代后期离开了他的祖国瑞士，来到美国从事他的事业。阿加西是位有名望的欧洲人，而且有魅力，无论在波士顿还是在查尔斯顿，他都是社交圈子和知识分子圈子中的名人。他直到1873年去世前，一直都是美国博物学研究的领袖。

阿加西公开的言论一直是得体的典范，不过，我认为他在私人信件中会表现出他那热情的个性。然而，伊丽莎白的书，表面上一字不差地收录了阿加西的信件，却试图将这个很有争议和精力充沛的人物修饰成一个端庄得体的绅士。

最近，为了研究阿加西的种族观点，而且，由于受卢里的传记（《路易斯·阿加西：科学生涯》）中一些暗示的启迪，我发现了伊丽莎白的书与阿加西的原信中存在着一些有趣的差异。我又发现，伊丽莎白省略了一些内容，却没有加省略号（那些烦人的三个点）来表示删减。哈佛存有阿加西信的原件，我像个侦探一样，发现了一些有刺激性的材料。

在美国内战前的十几年前，阿加西表达了许多有关黑人和印第安人地位的观点。作为一名移居美国北方的人，他反对奴隶制。但是身为上流社会的高加索人，他在种族平等的问题上，却没有贯彻反奴隶制的原则。

阿加西的种族态度是基于基本原则的清晰而必然的演绎。他坚持认为，物种是神创的、恒定不变的实体（直到他1873年去世，他是生物学家中仅有的坚持反对达尔文思潮的人）。他认为所有物种不是起源于同一祖先，而是全方位同时特创出来的。通常在不同的地理区域，可以特创出相关联的物种，每一个物种都适应于所在的环境。在商业交流和迁徙将人类混合之前，人类的不同种族也是这样，因此，人类的每一个种族就是生物上的一个物种。

美国最出色的生物学家就这样坚定地站在了一场争论的错误一方，这场争论在他到达美国前的十几年就开始了。争论的问题是：亚当是所有人的祖先，还是只是白人的祖先？黑人和印第安人是我们的兄弟，还是只不过是和我们相似的人？人种多元论者（阿加西也是其中的一员）认为，每一个大种族是作为真正不同物种特创出来的；而人种单元论者则认为，人类诸多种族都有单一的起源，他们还根据种族从远古伊甸园时的完美状态退化的不同，来排列了种族。在这场争论中没有平等主义者。从逻辑上看，倡导种族的不同起源，并不意味着主张不平等的人种观，比如1896年普莱西与弗格森争论中的胜利者。但是，按照在布朗与托波卡教育委员会1954年争论中的胜利者所坚持的观点看，有权势的类群既是不同的特创物，又是优越的。我不知道还有哪个美国的人种多元论者不认为白人既有不同起源，又是优越的。

阿加西强调，他维护人种多元论与政治主张和社会偏见无涉。他说，他只是一个无足轻重、不偏不倚的学者，是在确定一个吸引人的自然史事实。

人们一直认为，提倡这种观点就是支持奴隶制。对于一种哲学探讨来说，这样的反驳公正吗？我们在这里探讨的仅是人类起源问题。让那些政治家、让那些感到有责任改良人类社会的人，根据这个结果去做什么吧……我们不愿把任何问题都与政治联系起来……博物学家有权利把有关人类体质的问题仅仅当作科学的问题来考虑，而且不受政治和宗教见解的左右来分析那些问题。

这些话真是冠冕堂皇，但阿加西在关于种族的论述（发表在1850年的《基督教考察者》上结尾处）中，提出了一些明确的社会建议。首先，他证实人类种族中存在不同的起源而且是不平等的观点：“地球上有不同的人类种族，生居在地表的不同地方……这个事实使我们有责任排列各种种族。”毋庸赘言，得出的是等级体系：“无论从什么角度看，顽强、勇敢、自豪的印第安人，都与卑躬屈膝、顺从、好模仿的尼格罗人相邻，或者是与精明、狡黠、怯懦的蒙古人种相邻！难道这些事实不恰好表明，在自然中，不同的种族并不处于同一层次吗？”最后，即使他没有概括而清晰地表明他的政治见解，但他至少在文章结束时倡导了一种特殊的社会政策，这样又推翻了他当初保证的不在纯思想的生活中掺进政治见解。他提出，教育必须考虑种族固有的能力，要训练黑人从事体力工作，教育白人从事脑力工作。

最好的教育应该是根据不同种族原有的差异来施教……我们认为，在我们与有色人种的交流中，应该使他们受更恰当的教育，我们应该充分认识到我们与他们之间存在的差异，保护他们那些明显的个性，而不是以平等的方式对待他们。

因为这些“明显的”个性是卑躬屈膝、顺从和好模仿，于是，我们便明白了阿加西心里想的是什么。

阿加西在政治上有影响，主要在于他是作为科学家讲话的，好像是受观察到的事实和其中蕴含的抽象理论的驱使。在这种情况下，阿加西种族观的实际来源便成了重要的问题。除了出自对自然史的钟爱外，他真的没有个人的打算、没有倾向性、没有推波助澜吗？从《路易斯·阿加西生平及书信》中删略的部分可以看得很清楚。根据那些删略的部分，我们看到的是一个在种族问题上怀有偏见的人，他的偏见主要来自本能的反感和深深的性恐惧。

删略的第一段话中记载了阿加西首次经历的与黑人的接触（他在欧洲从未见过黑人）。即使130年后的今天，这段话也很骇人听闻。他于1846年首次访问了美国，其间，他在给母亲的一封长信中，详细讲述了他的经历。在有关费城的部分，伊丽莎白·阿加西只记载了他参观博物馆和私下登门拜访科学家，而删掉了（而且没有用适当的省略号）他对黑人的第一印象——在一个饭店的餐厅中对一名侍者的本能反应。1846年时，阿加西依然相信人类的统一性，但是这一段话表明，他转向人种多元发生论根本没有科学的基础。下面这段话首次未经删减：

正是在费城，我第一次与黑人有了长时间的接触。在我居住的旅馆中，所有仆人都是有色人。我无法表达我感受到的痛苦印象，尤其是，他们使我产生出有悖于所有人类如兄弟和人类物种单一起源的情感。但是真理胜过一切。尽管如此，我对这个低等、退化的种族深表同情。他们使我生出许多怜悯之情，我想，他们也是真正的人。尽管如此，我仍然压抑着我的情感，坚持认为他们与我们有不同的血统。看到他们黝黑的脸、厚实的嘴唇、怪异的牙齿、头上浓密的短卷毛、弯曲的膝、细长的手、大且弯的指甲，尤其是他们手掌苍白的颜色，我不得不看着他们的脸，好让他们离远点。当他们靠近我并把丑陋的手伸向我的盘子为我服务时，我真恨不得离开这里，到别处随便吃几块面包，我不愿意进餐时有这样的服务员在旁边。白人怎么啦——在一些国家让黑人靠得这么近！上帝并不让我们彼此接触！

删略的第二组文件写于美国国内战争期间。朱丽亚·沃德·豪（《共和国战歌》的作者）的丈夫萨缪尔·豪是林肯总统咨询委员会的成员，他曾写信向阿加西征求对重新统一的国家中黑人作用的看法。1863年8月，阿加西回复了一封长达4页但是语气冷淡的信。伊丽莎白·阿加西对这封信做了删改，使阿加西的话显得很得体（尽管内容特殊），好像他的看法符合基本原则，而且只受对真理热爱的驱使。

简单地说，路易斯认为，不同的种族应当分开，以免白人的优越性降低。这种分开应自然地进行，因为黑白混血儿是一种脆弱的种类，最终将灭绝。黑人不适应北方的气候（因为他们是作为不同的物种在非洲特创出来的），他们会离开。他们将大批迁往南方，最终在一些低地州繁荣起来，白人则主要居住在沿海地区和高地。我们还得承认这些州，甚至接纳它们为合众国的成员，这不失为对糟糕状况的一种解决办法。不管怎么说，我们承认了“海地和利比里亚”。

伊丽莎白实际删去的部分表明，路易斯·阿加西有完全不同的动机，这些动机就是基本的恐惧和盲目的偏见。她系统地删掉了三种陈述。首先，她删掉了诋毁黑人的话。路易斯·阿加西写道：“黑人在许多方面都和其他种族不同，他们和小孩儿差不多，虽然有成年人的身材，但是保留了孩子的心理。”其次，她删掉了所有所谓智慧、财富、社会地位与种族相关联的精英论者的观点。从这些被删去的段落中，我们发现，路易斯·阿加西真是恐惧黑人与白人通婚。

我对结果感到恐惧。我们的进步在于我们一直反对普遍平等观的影响，换来的个体卓越性得之不易，正是在一些经过挑选的类群中产生出典雅文化的财富。如果困难增加，体质上无能的影响加大，我们的状况可想而知。我们教育体制的改善……可能会迟早抵消蒙昧、粗野、下等阶层的冷漠和提高他们地位所产生的影响。但是，当低种族人的血流入到我们孩子的身上时，我们怎么能根除低种族的痕迹？

第三，也是最重要的，她删去了有关通婚的一些更长的段落，这些段落足以使她编纂的通信产生完全不同的影响。从中我们看到，路易斯·阿加西对于种族之间的性接触有一种本能上强烈的厌恶。正是这种深刻而非理性的恐惧，促使他提出不同的种族分别特创的抽象观点。他写道：“制造混血儿是对自然犯下的原罪，如同在文明社会中的乱伦是违背性状纯洁的一种原罪一样……我认为，这种行为是自然情感倒错的产物。”

他的这种发自本能的反感太强烈了，以至于即使他有废奴主义的情感，也难以使他同情黑人。他之所以反感，还在于许多黑人有了一定的白人血统，而白人在本能上会认识到这一点：“奴隶制产生的社会动荡，最终导致我们的国内战争，我内心厌恶奴隶制，然而，由于认识到一些南方绅士的孩子在类型上与我们不同，而更像黑人（原文如此），然而又不是黑人，于是我对奴隶制的厌恶骤然无意识地加深了。”

但是，如果在自然状态下各个种族之间相互排斥，那么为什么“南方的绅士”愿意诱骗他们奴役的女子呢？阿加西认为，产生黑白混血儿的原因在于白人蓄奴。白人的白皙具有诱惑力，而黑女人的黝黑带有淫荡气，可怜、无知的年轻男子容易上当受骗。

一旦南方白人的性欲苏醒，他们会发现从身边的有色（混血）家奴身上很容易得到性满足。（这种接触）使他更好的本能变得麻木了，并且致使他寻找更多淫猥的性伙伴。我听说，放荡的青年男子常寻找纯黑的女人。有一件事情确定无疑，在不同种族的个人交往中，不存在任何高尚的事情。既没有爱情，也没有任何不断完善的欲望，那完全是肉体接触。

至于早一代绅士如何克服对第一代黑白混血儿的反感，我们不得而知。

我们并不十分清楚伊丽莎白是怎样选择删改的。我想，她的删改大概是有意识的，是想把路易斯·阿加西受偏见左右的行为修饰成合乎逻辑的行为。可能只是由于维多利亚时代人的过分拘谨，才使得她不愿意公开有关性的论述。但无论如何，她的删改曲解了路易斯·阿加西的思想，并且按照有些科学家所喜欢的但实际上是骗人和谋私的模式——观点的获得来自对纯信息的不带感情的探讨——来展示他的意图。

恢复这些被删去的部分后，我们看到，路易斯·阿加西是出于基本的本能反感与黑人接触，并使他省悟到应该赞同种族是不同物种的人种多元发生论。这些被删去的部分还表明，他之所以极为反感种族混合，主要源于他从性角度的强烈反感，而不是由于受杂种理论的驱使。

种族主义通常受到那些在公开场合侈谈客观性以掩盖他们带有倾向性偏见的科学家的支持。阿加西的情况发生在过去，但从中我们可以发现对这个世纪依然有警示的东西。

[1] 塔列朗（1754—1838），是拿破仑时期的外交部长和外交大臣（1797—1807），在波旁王朝复辟后仍任高官，当过外交大臣（1814—1815）和驻英大使（1830—1834）。——译注

[2] 指拿破仑称帝时期（1804—1815）。——译注

[3] 屠格涅夫（1818—1883），俄国作家，代表作有《猎人笔记》《前夜》《罗亭》等。——译注

[4] 惠特曼（1819—1892），美国诗人，代表作有《草叶集》《桴鼓集》等。——译注

[5] 法朗士（1844—1924），法国作家，1921年获诺贝尔奖，代表作有《现代史话》等。——译注

[6] 萨克雷（1811—1863），英国作家，代表作有《名利场》《势利人脸谱》等。——译注

[7] 祖鲁人是生活在非洲纳塔尔等地的居民。——译注

[8] 布须曼人是生活在非洲纳米比亚和博茨瓦纳等地的居民。——译注

[9] 梅森瓶是带有密封螺旋盖的大口玻璃瓶，约翰·梅森于1858年获得该项专利。——译注

[10] 艾略特（1819—1880），英国女作家，代表作还有《弗洛斯河上的磨坊《》亚当·比德》等。——译注

[11] 孔多塞（1743—1794），法国哲学家、数学家，代表作有《人类精神进步历史概观》等。——译注

[12] 穆勒（1806—1873），英国哲学家、经济学家和逻辑学家，代表作有《逻辑体系《》功利主义》等。——译注

[13] 当我写这篇文章时，我想勒庞可能是个有特色但微不足道的人。从那以后，我才知道，他是位著名的科学家，以开创研究群体行为（《群体心理学》1895）和对非意识激励的研究而著称。——原注

[14] 蒙台梭利（1870—1952），意大利女教育家、医生，创办了“儿童之家”，提出蒙台梭利教育法，重视使儿童的潜能得到发展。代表作有《蒙台梭利教育法》《启发人的潜力》等。——译注

[15] 圣特雷萨（1515—1582），西班牙修女，在阿维拉建立了圣约瑟女修道院，著有《到达完美之路》、自传《生活》等。——译注

[16] 德斯累里（1804—1881），曾任英国首相（1868、1874—1880）、保守党领袖、作家。——译注

[17] 闪米特人，近代主要指阿拉伯人和犹太人，古代指巴比伦人、希伯来人、亚述人、腓尼基人等近东人。——译注

第五部分
变化的节奏

·进化变化的幕式性

·有希望畸形的归来

·关于贫瘠地的著名争论

·帘蛤是帘蛤

17
进化变化的幕式性

1859年11月23日，查尔斯·达尔文在他的革命性著作出版前两天，接到了朋友托马斯·亨利·赫胥黎的一封特殊的信。赫胥黎在信中承诺了在将来的冲突中对达尔文的热情支持，甚至愿意做出高尚的牺牲：“如果需要的话，我准备接受火刑……我正在磨利我的爪和牙，以做准备。”但是在这封信中也包括一个劝告，“你竟然这样毅然决然地采纳Natura non facit saltum这个观点，以致使你负担了不必要的困难。”

这句拉丁语，通常认为是林奈说的，意思是“自然不产生飞跃”。达尔文严格地遵循这句古训。作为查尔斯·赖尔（地质学中渐变论的倡导者）的追随者，达尔文把进化描绘成一个稳定、规范的过程，进化的速度很缓慢，谁都没有希望终其一生观察到进化的发生。达尔文提出，祖先与后代之间必定是由“大量过渡环节”连接在一起的，形成了“完美的、逐渐过渡的阶段”，需要很长时间才能形成这样缓慢的过程。

赫胥黎感到达尔文是在作茧自缚。自然选择理论无须提出关于进化速率的假设，即使进化的速度很快，自然选择也依然会起作用。达尔文选择的道路充满了荆棘，为什么要把自然选择与一个既不必要，又可能是错误的假设联系在一起呢？化石记录并不支持逐渐变化的观点，动物群在很短时间就灭绝了。在化石记录中，新物种几乎是瞬间出现的，而在同一地区更古老的岩石中，并不存在与祖先类型相关的过渡类型。赫胥黎相信，进化的过程很迅速，即使缓慢而充分的沉积作用也几乎无法记下这个过程。

在达尔文刚进入科学领域时，在地质学圈子中，在信奉迅速的变化还是信奉逐渐的变化问题上，发生了激烈的争论。我不知道达尔文为什么决定严格地追随赖尔和渐变论者，但是，有一件事我可以确定：倾向于这种或那种观点与明显的有说服力的经验性信息无关。在这个问题上，自然界昭示过（而且继续昭示着）迥然不同的现象。至于做出什么样的决定，文化和方法论上的偏好，要比材料的限制有更大的影响。

对于这个属于一般性变化这样基本的哲学问题，科学和社会的作用通常紧密地结合了起来。欧洲君主制的静态体系曾博得大量学者的支持，他们认为这种体系是自然规律的具体表现。亚历山大·蒲柏 [1] 曾经写道：

秩序是上天的第一法则，并且确定一些人要比，而且必定比其他人伟大。

随着君主制的衰落，随着18世纪在革命的浪潮中君主制的结束，科学家开始将变化看作宇宙规则的正常部分，而不再看作反常和例外。学者们进而认为，自然界也像他们倡导的人类社会的转变那样，经历着缓慢而规则的变化。在许多科学家看来，自然界中的剧变就像他们著名的同事拉瓦锡在恐怖时期经历的恐惧一样。

然而，地质记录似乎提供了更多的剧变证据，而渐变的证据则比较少。因此，为了捍卫渐变是普遍性的变化节奏，达尔文不得不使用典型的赖尔式论证方法，他不得不为了更根本的“实在”而不顾实际现象和常识。（与普通流传的神话不同，达尔文和赖尔并不是捍卫科学真实性的英雄，他们并不是为了捍卫客观行为而反对居维叶和布克兰等“剧变论者”的神学幻想。剧变论者像渐变论者一样忠诚于科学。事实上，剧变论者采纳的是更“客观”的观点，他们认为，人们应该相信所看到的现象，而不应该把真实的、迅速变化的历史篡改为记录缺失的逐渐变化的历史。）简而言之，达尔文认为，地质记录极不完备，就好像一部书仅剩下了几页，每一页仅有几行，每一行仅有几个字。我们之所以没有在化石记录中看到缓慢的进化变化，是因为我们研究的阶段是成千上万阶段中的一个。变化看起来像是突然的，是因为缺失了中间环节。

化石中极为缺乏过渡类型，这一直是古生物学中的专业秘密。我们教科书上绘制的进化树，只是枝的末梢的树杈上有东西，其余部分则是推断出来的，无论多么合理，也没有化石证据。然而，达尔文却深陷于渐变论，以致把他的整个理论建立在对实际化石记录的否认上：

地质记录极不完备，这个事实在很大程度上解释了为什么我们找不到以出色的逐渐阶段将灭绝的生命与现存的生命联系起来的中间变异类型。谁否认地质记录的这个性质，谁也就会坚定地反对我的整个理论。

感到化石记录不太可能直接证明进化的多数古生物学家，依然采纳达尔文的论点做遁词。在探讨逐渐论的文化和方法论根源中，我打算先不怀疑渐变论可能是合理的（因为所有一般性的观点都有类似的根源），我只想指出，渐变绝不是在岩石中“看到的”。

古生物学家一直给予达尔文的论点极高的评价。我们把自己描绘为唯一真正研究生命历史的人。然而，为了坚持所喜欢的自然选择导致进化的观点，我们认为手边的资料太差强人意了，我们几乎不去理会我们专业所研究的确切过程。

这几年来，我和美国自然博物馆的尼尔斯·埃尔德里奇一直在倡导一种解决这一棘手难题的办法。我们相信赫胥黎的劝告是正确的。现代的进化论无须坚持认为进化变化是逐渐的过程。事实上，我们在化石记录中确实可以看到达尔文式进化的进程。我们要抛弃的是渐变论，而不是达尔文主义。

物种历史中有两个特征与渐变论极不相符。

1. 稳定性。多数物种在地球上生存期间，并没有发生方向性改变。它们在地质记录中出现和消失时的外形几乎一样，形态的变化通常有限，而且没有方向性。

2. 突然出现。任何局部地区的新物种，都不是由其祖先类型，经过稳定的转变产生出来的，物种是一下子出现的，并且已经“完全成型”。

进化进程有两个主要的模式。一是整个谱系的转变，即整个群体从一种状态转变成另一种状态。假如所有进化变化都按这种模式发生，生命就不会保持长久。谱系进化不能导致生命多样性的增加，只能使一个谱系变成另一个谱系。由于灭绝（即整个群体的消亡，而不是进化成别的类型）如此常见，所以缺少多样性增加机制的生物群体不久就会灭亡。第二种模式是成种事件，使地球布满生物，新的物种是从保存下来的原种中生出的分支。

实际上，达尔文认识到并论述的是成种事件过程，但是他几乎完全按照谱系演变的模式来论述进化变化。在这种情况下，只能把化石物种的稳定性和突然出现的现象归咎于地质记录不完备。因为假如新物种的产生是通过整个祖先群体的演变，而且假如我们几乎看不出这种演变（因为，从变化的程度看，物种实质上是稳定的），那么地质记录肯定不完备，而且无大帮助。

我和埃尔德里奇相信，利用成种事件几乎可以解释所有的进化变化。而且，利用成种事件还可以解释为什么在化石记录中物种的突然出现和物种保持静态是更普遍的现象。

主要的成种事件理论都认为，物种的增殖发生在很小的群体中，而且发生得很迅速。多种进化论者认为，地理的物种形成或异域成种事件，是最常见的现象（异域指的是“在其他地方”） [2] 。当原来群体中的一小批成员在原先区域的外周隔离以后，就可能产生新的物种。大而稳定的中央群体对群体的均一性产生了强有力的影响。中央群体在扩散中，庞大的个体数量淹没了有利的新突变类型。有利的新突变类型可能要经过漫长的时间，才能形成一定的频率，但是这样的频率固定之前，变化的环境已经消去了那些新突变类型的选择值。这样，就像化石记录中显示的那样，在大的群体中，大概很少发生谱系演变。

但是外周隔离的小群体与原种隔开了。它们是小群体，生活在原种地理分布区的一隅。这里的选择压力通常很强，因为对于祖先类型来说，外周区是生态承受的边缘，这样，使有利的变异散布得很快。小的外周隔离体是进化变化的实验室。

如果多数进化是通过外周隔离体的成种事件进行的，那么化石记录呈什么状态？物种的底层分布应该呈稳定状态，因为化石所保留的是中央大群体的遗迹。在任何祖先类型居住过的局部地域，由外周区域进化出的后裔物种的迁入应该呈突然性。而在外周区域，我们可能会找到成种事件的直接证据，但是这样的好运气确实很少见，因为在这种群体中，这样事件的发生太迅速了。因此，化石记录如实地记下了进化理论的预测，而不只是记下点滴曾经丰富的内容。

我和埃尔德里奇将这种方案看作间断平衡模式。谱系在其历史上的变化很小，但是迅速的成种事件使这种平稳状态发生偶然的间断，进化就是这些间断有差异的生存和发展。（我是站在地质学家的角度说成种事件很迅速。这个过程可能经历了上百年，甚至成千上万年。即使你花费一生的时光专门注视一棵树上一种蜜蜂的成种过程，你可能什么也看不到。但是，1000年只相当于化石无脊椎动物平均生存时期——500万～1000万年——的1%中的很小部分。地质学家根本无法分析这么短间隔期内的事件，我们将这么短的事件视为一瞬间。）

如果渐变论主要是西方思想的产物，而不是自然界中的事实，那么，我们应该考虑用另一种变化的哲学来克服原来狭隘的偏见。例如，苏联科学家受过另一种变化哲学的熏陶，即所谓的辩证法，这是恩格斯根据黑格尔的哲学重新系统陈述的哲学。辩证法显然主张有间断。例如，辩证法认为“量变转变为质变”，这句话听起来像是晦涩的咒语，但是这种观点认为，变化的发生过程是在缓慢的积累后的一个大飞跃，一个系统可以一直维系，直到达到断裂点。对水加热，水最终要沸腾。对工人压迫到一定程度，就会引发革命。我和埃尔德里奇很好奇地听说，许多俄国古生物学家支持一种类似我们间断平衡理论的模式。

我并没有强调认为，这种间断的变化哲学是一种普遍的“真理”。要认为这样一个壮丽的观点是唯一合理的观点，那是一种荒谬的企图。（我经常乘飞机飞跃阿巴拉契亚山脉，对由于周围疏松岩石的侵蚀产生的令人惊奇的平行状山脊感到惊叹。）我信奉多元论，并以此作为指导性的哲学，而且认为，正是这种哲学默默地决定了我的思想。辩证法相当公开地表达了一种意识形态，西方人支持的渐变论也是一样，只不过做得更微妙罢了。

然而，作为我个人的信念，我认为，比起其他相竞争的理论来，一种间断的观点可能更准确地说明了更常见的生物和地质变化的节奏——因为处于稳定状态的复杂系统更常见，也更保持不变。正如我的同事，不列颠地质学家德里克·V.艾克尔在支持地质变化的间断观时所写的那样：“地球各个部分的历史，就像士兵的一生一样，由长时间的无聊和短时间的恐怖组成。”

18
有希望畸形的归来

乔治·奥威尔 [3] ，《1984年》中的暴君老大哥，指挥人们用每天两分钟的仇恨来反对人民的敌人伊曼纽尔·戈尔茨坦。当我于20世纪60年代在研究生院学习进化生物学时，正统的观点都指责和嘲笑理查德·戈尔施米特。他是一位著名的遗传学家，但是在我们受到的教导中，他是个误入迷途的人。虽然1984年正慢慢地向我们走来，但我相信届时世界不会受老大哥的摆弄。而且，我敢断言，在未来十几年间，进化生物学界将证明戈尔施米特的观点是正确的。

戈尔施米特是从希特勒对德国科学的大毁灭中逃离出来的犹太避难者，他在伯克利度过了余下的学术生涯，并于1958年在那里去世。他的进化观与著名的新达尔文主义综合论相抵触。新达尔文主义综合论在20世纪30和40年代取得了顺利的进展，而且直到今天仍是占据统治地位（也许已不牢靠）的正统学说。通常将当代的新达尔文主义称作“综合进化论”，因为这个理论将群体遗传学理论与形态学、系统分类学、胚胎学、生物地理学和古生物学的经典观察统一了起来。

这个综合理论的核心是，重新倡导了达尔文本人的两个最基本的观点：首先，进化是一个分作两个间断的过程（随机变异提供原料，自然选择作为定向力量）；其次，进化变化一般是缓慢、稳定、逐渐和连续的。

遗传学家可以利用实验室瓶子中的果蝇群体来研究有利基因的逐渐增加。博物学家可以记录下在英国由于工业煤烟使树变黑，于是，深色蛾子代替浅色蛾子。正统的新达尔文主义者们把这些均匀连续的变化外推为生命史中最根本的结构性改变，即通过其中含有的一系列不易察觉的中间过渡步骤，把鸟类与爬行类联系了起来，把有颌鱼与无颌鱼祖先联系了起来。宏进化（大的结构性转变）只不过是微进化（瓶子中果蝇的变化）的放大。倘若深色蛾子在100年内就可以代替浅色蛾子，那么经过几百万年无数平稳连续变化的积累，爬行动物就可以变成鸟类。这种局部群体中基因频率的转变，成了说明所有进化过程的准确模式——或者说当今正统的学说认为是这样。

美国时下多数有影响的普通生物学教科书都是按下面的方式拥戴这种传统观念的：

意义更广的进化变化，即宏进化，（可以）解释为是这些微进化的结果吗？鸟类真的是一种通过基因替代的积累，就像（果蝇）紫红色基因证明的那些，来自爬行类吗？

答案是，这样说完全合理，尚未有人提出过更好的解释……化石记录表明，宏进化的确是逐渐的过程，根据变化节奏的速率，可以得出结论，宏进化建立在成千上万个基因替代过程上，在历史上，这种替代没有种类的差别。

许多进化论者认为，微进化与宏进化的严格连续性是达尔文主义的根本要素和自然选择的必然结果。然而，我在文章17 中已经指出，托马斯·亨利·赫胥黎曾将自然选择和渐变论这两个问题区分开，并且劝告达尔文，严格而不必要地依赖渐变论可能会动摇他的整个体系。呈现出类型突然转变的化石记录并不支持逐渐变化的观点，而且对于自然选择原则来说，渐变不是必需的，选择的作用可以很迅速。然而，达尔文将选择和渐变不必要地联系起来的观点，却成了综合进化论的核心观念。

戈尔施米特并不反对关于微进化的标准解释。他的主要著作《进化的物质基础》（耶鲁大学出版社，1940）的前半部分论述的就是种内逐渐连续变化。然而，他提出新物种的产生经过了不连续变异，即突变，从而与综合进化论毅然分道扬镳。他承认，绝大多数宏突变类型都是灾难性的类型，他将这些宏突变类型称作“畸形”。但是，他继续说道，偶尔会有一种宏突变类型，由于突然交了好运，会使一种生物适应一种新的生命模式，按照他的话说，这种突变类型叫作“有希望的畸形”。宏进化的进行正是由于这些有希望畸形稀少的成功，而不是由于群体内小变化的积累。

我想指出，综合进化论的卫道士们，在拿戈尔施米特出气时，漫画了戈尔施米特的观点。我并不赞成戈尔施米特的所有观点，实际上，我根本不同意他所宣称的突发性宏进化标志了达尔文主义的终结。因为戈尔施米特未能留心赫胥黎的劝告，即达尔文主义的实质——自然选择控制着进化，无须信奉逐渐的变化。

作为一名达尔文主义者，我想捍卫的是，戈尔施米特所假设的宏进化并不是微进化的外推，以及他所提出的不经过一系列平稳的中间过渡阶段，便可以发生迅速的重大结构改变。我想首先讨论三个问题：（1）所有的宏进化事件都是由连续的变异构成的吗？（我的回答是否定的。）（2）突然变化的理论实质都是反达尔文主义的吗？（我想指出，有些是，有些不是。）（3）戈尔施米特提出的有希望畸形是像批评他的人坚持认为的那样，属于背离达尔文主义的典型吗？（我的回答又是否定的。）

所有古生物学家都知道，化石记录中的确缺乏中间类型，生物主要类群之间的转变显然呈突然性。渐变论者常靠援引化石记录的极不完备来摆脱这个疑难——假如大量生存的生物中只有一个间断类型可以形成化石的话，那么地质将不记录连续的变化。我虽然反对这个论点（至于理由，见文章17 中的论述），但还是让我们承认传统的逃避理由，以便探讨另外一个问题。假使我们找不到平稳转变的直接证据，我们怎么能杜撰在祖先与后裔的重大结构转变之间存在一个合理的中间过渡类型（即可能存在的有功能生物）的顺序呢？有用结构的初级不完美阶段能有什么可能的用途？半个颌或半个翅能有什么可能的用途？预适应是传统的回答，根据这个概念，我们会认为，结构的初级阶段会表现出另外的功能。半个颌作为一系列支撑骨的作用也很完备，半个翅可以用来诱捕猎物或用来调控体温。我认为，预适应是重要的，甚至是必不可少的概念。但是，自圆其说的解释不一定就是真理。我并不怀疑，在某些情况中，预适应可以帮助渐变论，但是，能用预适应来说明在多数或所有情况中生物的进化都呈连续性吗？我认为答案是否定的。我这样回答也许反映出我缺乏想象力，不过我想援引最近发现的支持不连续变化的例子，来维护我的观点。

隔离的海岛毛里求斯，曾是渡渡鸟的家园，在这个岛上栖居着两个蟒蛇属（其中包括巨蛇和蟒蛇），它们都具有其他大陆脊椎动物所没有的特征：上颌骨裂为前后两瓣，中间由可动的关节相连。1970年，我的朋友汤姆·弗雷泽塔发表了一篇题为《从有希望畸形到博依尔林蛇》的文章。他考虑了所能想象到的每一种可能的预适应后，还是放弃了预适应的看法，支持不连续转变的观点。一个颌骨如何裂成两瓣呢？

许多啮齿类动物都有储存食物的颊囊。这些体内的颊囊和咽相连，可能是在口中吞食越来越多食物的选择压力下，逐渐进化来的。但是囊鼠科（囊鼠）和更格卢鼠（更格卢鼠和小囊鼠）的颊则向里缩，形成了与口和咽不相连的具有线状绒毛的颊囊。这些最初的体外沟纹或皱褶有什么用途呢？假说中的那些祖先是用三条腿奔跑，并用它们的第四条腿将食物摁在不完备的皱褶上的吗？最近，查尔斯·A.朗格考虑了一系列可能的预适应（例如，体外的这种沟纹可能帮助动物挖洞时传输土壤）后，还是完全放弃了预适应的看法，支持不连续转变的观点。按照进化自然史“假设故事”的传统，这些故事并不说明什么，但是，这些故事以及其他一些类似例子的重要性在于，它们动摇了我长久以来信奉的渐变论。也许更有想象力的人可能会利用渐变论来解释这些现象，但是我对那些仅凭轻易地猜想支持的概念一点也不感兴趣。

如果我们承认在宏进化中许多现象属于不连续的转变，那是否意味着达尔文主义坍塌了，变成只是可以解释种内微小进化变化的理论了？达尔文主义的精髓可以用一句简单的话来表达：自然选择是进化变化的主要创造力量。没有人否认自然选择在淘汰不适应个体中充当了淘汰者的角色。但是，达尔文主义还要求自然选择创造生物的适应。选择肯定使生物经过一系列适应的阶段，来达到最终的适应，在每一个阶段中，选择使大量随机变异中的有利部分保存了下来。选择肯定控制着创造生物适应的过程，不止是在其他一些力量突然产生一个新物种，并完全形成基本的完美后，淘汰不适应的类型。

我们可以很容易设想出，不连续变化的非达尔文式理论，会认为基本而突然的遗传改变幸运（偶然）地立刻产生出一种新物种。在20世纪内，荷兰著名植物学家雨果·德弗里斯就支持过这种理论。但是，这些看法也存在一些难以克服的困难。宙斯与谁交配可以从他的前额生出雅典娜？雅典娜的所有亲属都是其他物种的成员。首先出生的是雅典娜而不是怪异畸形的机会有多大？整个遗传系统的重大瓦解无法产生出可以生存下来的有利生物。

但是，正如赫胥黎在120年前指出的那样，并不是所有的不连续变化的理论都反达尔文主义。例如，由于小的遗传变异产生的成体类型不连续变化。这样，并不存在这种类型与同一物种其他成员之间有不一致的问题，而且大量的有利变异类型可以按照达尔文式进化方式扩散到整个物种。也许这么大的变化并没有一下子产生出完美的类型，但只是产生“关键”的适应特征，从而使生物转向新的生命模式。新模式的不断成功有两种，可能附带改变了一系列的形态和行为。一旦在选择压力下导致关键的适应特征发生深刻改变，就可以按照传统的渐变途径产生附带的形态和行为的变化。

现代综合进化论的卫道士们把戈尔施米特刻画为戈尔茨坦 [4] ，他们认为，戈尔施米特提出的那句容易上口的句子“有希望畸形”所表达的，就是经过重大遗传改变可以产生出中间完美状态，这是非达尔文主义的观点。但这不是戈尔施米特坚持的全部观点。事实上，他认为，在导致成体形态发生不连续变化的机制中，有的就是由于基本的小遗传变异。戈尔施米特研究过胚胎发育。他的早期工作主要是研究舞毒蛾（Lymantria dispar ）地理变异。他发现舞毒蛾幼虫的花色图案中存在的巨大差异是由于发育定时中的一些微小变化。这是发育略微阻滞的效应，或色素的沉淀提早，导致个体发育中色素增加，进而使充分生长的幼虫中产生出明显的差异。

戈尔施米特鉴别出导致定时发育中微小变化的基因，并且证实，最终的大差异反映的是在生长早期起作用的一个或少数几个“速率基因”的作用。他在1918年就提出了有关速率基因作用的看法，并且在后来写道：

这些突变基因……通过改变发育中部分过程的速度而起作用，这些速度可能包括生长或分化的速度、制造分化所需物质的速度、在一定的发展时间导致一定的物理或化学反应的速度，导致胚胎潜能在一定的时间分离的那些过程的速度。

戈尔施米特在他那本1940年出版的声名狼藉的书中，专门提到了速率基因可能是有希望畸形的制造者：“这一基础的确立是因为存在可以产生符合要求的畸形类型，并且使我们认识到胚胎发育所起到的决定性作用，即在胚胎发育过程早期，发育速度的微小变化可以使生物的大部分发生巨变。”

按照我的看法，也许有极大的倾向性，解决宏进化中明显不连续现象与达尔文主义协调的问题，主要是通过观察到胚胎早期的变化随着生物的生长而积累，并在成体中产生出明显的差异。出生前脑生长的高速度若能延续到婴儿时期的话，猴子脑的大小就可以接近人脑的大小。由于延缓了变态的起始，霍奇米尔科湖的美西螈幼虫就会像蝌蚪，带有鳃，而且不再变成蝾螈。〔我在《个体发育与系统发育》（哈佛大学出版社，1977）一书中列举了大量有关的例子，请原谅我做直率的自我宣传。〕正如朗格在谈到体外颊囊时所指出的那样：“在一些群体中，曾经发生着，并一再发生过遗传控制的颊囊倒转发育，从而使倒转的颊囊保持了下来。这种形态变化会产生巨大的效果，使颊囊像是‘穿反了’（即毛在里面）的衣服一样，然而，这种现象的产生可能只不过是由于简单的胚胎变化。”

如果不根据发育速度的微小变化来解释不连续变化，我的确根本不清楚怎么证明大多数大的进化转变。“高等”动物类群分化彻底，高度特异，成体复杂，是最难发生基本变化的系统。一头成体犀牛或一只蚊子怎么能变成根本不同的生物呢？然而，生命史上则确实发生过主要类群之间的转变。

古典学者、维多利亚时代的散文作家、20世纪生物学中令人景仰的、不合时宜的人达西·温特沃斯·汤普森在其经典著作《论生长与形式》中涉及了这个难题：

一条代数曲线具有基本的公式，决定了代数曲线所属的族……我们无法使一个螺旋面“变形”成一个椭圆面，或一个圆变成一条频率曲线。动物的形状也是这样。我们无法通过简单、合乎逻辑的变形，使无脊椎动物变成脊椎动物，无法使腔肠动物变成蠕虫……大自然却使生物由一种类型转变成另一种类型……然而，要找到类型之间的过渡类型，则永远是徒劳无益的。

达西·汤普森的解决办法与戈尔施米特的办法一样，在趋异性较大的成体中，转变可能发生在更简单、更相似的胚胎中。没有人会认为一个海星可以变成一只老鼠，但是某些棘皮动物和原始脊椎动物的胚胎却几乎相同。

1984年是达尔文的《物种起源》发表125周年，这是自1859年《物种起源》发表100周年以来，又一次可以隆重纪念的机会。我希望我们这些年产生出的“新话” [5] 既不要成为教条，也不要成为胡话。假如我们认识到，我们当初对渐变论是一种先验性的喜好，后来便放弃了，我们最终就可以从多元论的角度去认识大自然的复杂性。

19
关于贫瘠地的著名争论

在一些流行的导游书的导论性段落中，经常以最单纯的形式兜售盛行的正统观念，其中不乏纯粹的教条，还点缀了一些专业写作中常用的“然而”。下面的例子来自国家公园管理局印制的阿切斯国家公园旅游手册：

这个世界及世界上万物的变化过程都是连续的。我们这个世界的多数变化都非常微小，我们无法注意到。这些微小的变化是真实的，然而，经过了很长时间之后，微小的变化结合起来才能产生巨变的效应。如果你站在峡谷陡坡的底部，用你的手揉搓一下沙石，便会搓下大量沙粒。看起来这是无关紧要的变化，然而，峡谷就是这样形成的。在各种力量的作用下，沙粒发生移动。有时，这个过程“非常快”（例如你揉搓沙石）。但是在多数时间中，这个过程很慢。如果时间充分，你每时每刻都移走几颗沙粒，你就会搬走一座山或创造出一个峡谷。

这和地质学初级课程中所说的一样。这个小册子宣称，微小的变化积累起来就会产生出大的结果。我的手摩擦着峡谷的陡坡，便是切刻峡谷速度的最准确（也许是最有效）的说明。时间，是地质变化的无尽源泉，会产生所有的奇迹。

然而，当这本小册子讲到细节时，我们便看到对阿切斯侵蚀的另外解释。我们了解到，一个名叫“酷似父亲的儿子”的平衡岩石，在1975年到1976年冬天掉了下来。在一张照有架空拱状巨石照片的前后有下列解说：“据记载，这块拱形巨石一直坐落在那里，直到1945年，当其中的一块石头下落后，架空的拱形巨石才一分为二。”这个拱形巨石是通过突然性的、断断续续的塌落和倒塌，而不是通过不可察觉的沙粒的移动形成的。然而正统的渐变论太顽固了，以致这本小册子的作者都未能发现，他们对事实的说明与在导论中陈述的理论不一致。在这一部分的其他文章中，我提出，渐变论是由文化背景决定的偏见，并不是自然中的事实，而我在变化速度的看法上，信奉多元论。间断变化至少像不可察觉的积累一样重要。在这篇文章中，我想讲一个地区性的地质故事，其中含有同样的看法——当教条使科学家预先放弃了可以在自然中得到检验的观点时，教条起的作用最糟。

华盛顿州东部的水道贫瘠地

在华盛顿州东部的大部分地区，布满了火山喷发产生的流动玄武岩。这些玄武岩上基本覆盖了厚厚的黄土层。黄土层纹理细密，属于疏松沉积层，是冰期的风吹过来的。在斯波坎河与斯纳河之间的区域，以及哥伦比亚南边和西边，许多壮观、细长、近似平行的河道流经这些黄土层，河水深入到深层的玄武岩处。按照当地的叫法，这些河道叫干河谷，它们肯定是冰川融化时的水道，因为它们从南方最后一个冰川附近的地区，顺着坡度，流向华盛顿州东部的两条主要河流。这些水道贫瘠地（这是地质学家对整个地区的称呼）既令人困惑，又令人惊叹，原因如下：

1. 水道连接着高大的分水岭，分水岭分开了水道。因为水道有数百米深，所以广泛存在的水道交叉表明，过去一定有大量的水流经分水岭。

2. 还有一个例子表明，水道中曾经充满了水，干河谷的岸边有许多悬谷，支流从这里汇入主水道。（悬谷就是支流水道，过去支流从比现在河床高的地方进入主水道。）

3. 干河谷的硬玄武岩被深深地刻蚀过和充分冲刷过，看起来不像是平缓的河水经过逐渐的方式侵蚀的。

4. 干河谷中有一些较高的小山坡，山坡上的黄土没有冲刷留下的条纹，那里的小山坡像是曾经环绕河水的小岛。

5. 干河谷中有不连续的玄武岩流沙沉积，其中所含的岩石与当地的岩石不一样。

第一次世界大战结束后不久，芝加哥地质学家J哈伦·布雷兹提出了一个非正统的假说，解释这一异常的地形。他认为，由于冰川融化时产生的巨大洪水，一次性地形成了这个河道贫瘠地。局部地区的剧变使河谷中充满了水，水穿透了几百米的黄土，流到玄武岩层，然后经过数日之后，水便退去。他在1923年的主要著作的结尾处，写下了这样的话：

冰川融化的洪水席卷了3000平方公里的哥伦比亚高原，洪水卷走了高原上的黄土和泥沙。在这一地区，有2000多平方公里的区域成了光秃的、岩石被刻蚀的河谷，现在则变成了贫瘠地，而且在将近1000平方公里的地区布满玄武岩被侵蚀后的沙砾沉积。那曾经是冲刷哥伦比亚高原的泥石流。

在地质学圈子中，布雷兹的假说引起了一定的争论。布雷兹顽强而孤独地捍卫他的剧变假说，有一些人勉强地赞赏他，但是最初几乎没有人支持他。“学界的权威”，以美国地质测量局为代表，尤其反对布雷兹的观点。他们没有拿出更合理的见解，而且他们也承认贫瘠地的地形比较特殊。但是他们坚持认为，只要能用渐变论来解释，就决不接受任何剧变的看法。他们并没有检验布雷兹洪水观的依据，他们之所以反对布雷兹的观点，根据的是一般性原理。

1927年1月12日，布雷兹在太岁头上动了土，他在华盛顿特区的宇宙俱乐部中面对一群看法相同的科学家——其中多数在地质测量局工作——毅然陈述了自己的看法。从发表的讨论中可以看出，恰恰是过去的渐变论，阻碍了人们接受布雷兹的冰川-洪水理论。下面，我列举一下反对者的典型观点。

W.C.艾尔顿承认，“对于没有考察过这个高原的人来说，比如我本人，很难立刻拿出对那些现象的其他解释”。然而，他继续坦然地说道：“主要的困难似乎是：（1）认为所有河道都是在很短时间内同时形成的看法；（2）他假设的巨大水量……如果需要的水量再少些，如果时间再长些，如果是重复的洪水起作用，那么这个问题就容易解决了。”

詹姆斯·吉鲁斯是20世纪渐变论的主要倡导者，他在结束长篇的评论时说道：“存在的证据并不说明现在的哥伦比亚地区在某一时期实际洪水的量级，即没有证据表明在短时间内洪水很大。”

E.T.迈克奈特对沙砾沉积做出了渐变论的解释：“这位学者相信沙砾是冰期前、冰期、冰期后哥伦比亚水道东流大海过程中的正常沉积。”

G.R.曼斯菲尔德怀疑“在这么短的时间内可以对玄武岩产生这么大的影响”。他提出了一种比较温和的解释：“我想，最好认为贫瘠地是不太大的冰川持续地堵塞和溢流的结果，通过长期的连续作用，改变了贫瘠地的位置和所在的地方。”

最后，O.E.门泽承认“这个地区的侵蚀特征很明显，很特殊，很难解释”。但是用渐变论并非很难解释这些现象：“我相信，通过假设古哥伦比亚河正常的河流作用，就可以解释现在的特征。”然而，他比多数同事都直言不讳地宣扬了他的信念：“与其接受一种需要不可能水量的理论，不如尽力不援引剧变的假设来说明现存的特征。”

这个故事有一个圆满的结局，至少在我看来是这样，因为布雷兹在“太岁”面前呈现了最新的证据。布雷兹的假说广为流传，而现在，几乎所有的地质学家都相信是剧烈的洪水侵蚀了水道贫瘠地。布雷兹并没有发现洪水的发源地。他知道斯坎波河是冰川形成的，但无论他还是别人都没有拿出冰川迅速融化的机制。

解决的办法来自另一个方面。地质学家发现，在蒙大拿的西边曾经存在过一个四周为巨大冰坝的冰川湖。当冰川退去和冰坝坍塌后，这个湖很快便空了。这个湖的溢湖道正好通向水道贫瘠地。

布雷兹没有提出真正的直接证据来证明存在过深而汹涌的水量。贫瘠地玄武岩的刻蚀可能也是连续的过程，而不是一蹴而就；水道交叉和悬谷可能反映的是干河谷的充盈也是一个缓慢的过程，而不是水量的急剧流入。但是，当得到第一张从空中拍摄的清晰的贫瘠地图片后，地质学家注意到，某些地区的干河谷上布满了河床波纹，有的波纹高达6.7米，长为129.54米。而布雷兹，如同皮球上的一只蚂蚁，一直在根据错误的尺度做研究。他几十年来多次走在这些波纹上，但是由于离得太近，无法认出那是波纹。他很正确地写道：“在覆盖着蒿子的地面上很难确定。”只是根据合适的角度才能进行观察。

水利工程师能够根据河床波纹的大小和形状，推导出河流的特征。V.R.巴克尔估计在贫瘠地引出的水道中，水流的最大量为每秒21294立方米。这么多的洪水可以卷走直径为11米的卵石。

到此，我们可以按照老一套的英雄观来结束这个故事了。有洞见的英雄受到顽强而盲目的教条主义者的压制，他向追随者表达了与人们接受的理论相反的事实，而且最终通过耐心的说服和无可辩驳的证明，使自己的观点取得了胜利。这个故事的梗概大致也可以这样勾画：渐变论的偏见曾经促使人们仓促地否定了布雷兹的剧变假说，而布雷兹（显然）是正确的。但是，当我阅览了原始文献后，我认识到简单地划分出好人与坏人的解释隐埋了更复杂的见解。反对布雷兹的人并不是愚昧无知的教条主义者，他们确实具有倾向性，但是他们也有充分的理由怀疑基于布雷兹当初的论据提出的剧变洪水观。而且，布雷兹的科学探讨风格完全使他无法利用最初的资料取胜。

布雷兹严格地遵循古典经验主义传统。他感到只有在野外长期而耐心地收集信息，才能建立有说服力的假说。他不争论理论问题，而且不太在意那些使他的反对者苦恼的概念问题：这么多的水突然从哪里来的？

布雷兹试图通过在野外耐心地、一点一点地收集有关侵蚀的证据，来建立他的假说。他显然不太热心寻找使他的观点连贯所需的依据——水源。因为这种尝试可能要做没有直接证据的猜测，而布雷兹只依靠事实。当吉鲁利批评他没有说明水源时，布雷兹干脆答道：“我相信，要根据贫瘠地本身的现象，来判定我对水道贫瘠地的解释。”

但是，这么一个不完善的理论为什么会使反对者转变观点呢？布雷兹相信冰川的南端融化得很快，但是没有一个科学家可以设想出冰川迅速融化的途径。（布伦兹曾认为原因是冰川下的火山活动，但是当吉鲁利攻击他后，他便很快放弃了这种看法。）布雷兹一直将注意力放在贫瘠地，而答案却在蒙大拿的西边。自19世纪80年代起，文献中就记载了米苏拉冰川湖，但是布雷兹并没有将其与水道贫瘠地联系起来，他在按其他的方式做研究。他的反对者对了，我们仍然不知道这么快融化这么多冰的途径是什么。但是所有卷入这场争论的人的前提都错了，水量的源泉是水。

按照人们普遍接受的智慧看属于“不可能发生”的事件，很难依靠简单地收集这些事件发生的证据就能得到承认，需要机制来解释他们怎么能够发生。大陆漂移学说的早期支持者遇到过布雷兹经历的同样困难。他们提出的两个大陆间的动物区系和岩石相似的证据，今天看来是令人信服的，但是在当时，这些证据却说不过去，因为找不出使大陆运动的合理力量。板块构造提供了一种机制，从而使大陆漂移思想能够成立。

而且，反对布雷兹的人不单是批评了布雷兹假说的非正统特征，他们还列举了有利于他们观点的某些特定事实，而且他们有些观点是正确的。布雷兹最初坚持认为水道贫瘠地的形成是由于一次洪水，而反对他的人援引了许多证据表明，短时间内不可能形成贫瘠地。我们现在知道，随着冰川区域的变动，米苏拉湖多次形成。布雷兹在最近的著作中提出，可以把剧变洪水分成八次不同的非连续阶段。反对布雷兹的人，错在根据地形暂时稳定的证据，推导出逐渐变化的观点。然而，在剧变的不连续间断之间，有可能是长期的平稳期。不过，布雷兹则错误地将贫瘠地的形成归因于一次洪水。

我钦佩的是那些有血有肉的英雄，而不是按老一套虚构出来的华而不实的英雄。我的内心之所以铭记着布雷兹，是因为他反对的是顽固、有严格限制，而且从未说明什么问题的教义：这个皇帝100年来就没有穿过衣服。地质渐变论之父查尔斯·赖尔在建立缓慢变化观时，做了手脚。他曾经明确地指出，地质学家为了科学研究，必须承认自然律在事件进程中的恒定性（均一性）。然而，他用了同样的词——均一性，做出了关于过程速度的经验性说明，提出变化肯定是缓慢、稳定和逐渐的，大的结果只能是由于小变化的积累所致。

但是，自然律的均一性并不排除自然的剧变，特别是局部地区的剧变。或许正是由于某些恒定规则的作用，才产生了不常见的、突然而深刻的幕式变化。布雷兹可能并没有注意到这种哲学上模棱两可的特征，他可能将其视为一位乡绅提出的空洞的胡说八道。布雷兹过的是独立、进取的生活，就像贺拉斯 [6] 说过的一句古老而高尚的诗句一样，科学界通常信奉这句诗，但是往往并没有去遵循：“我绝不会发誓去忠诚任何权威的话。”

在我讲的这个故事结束时，有两个幸福的补充说明。首先，布雷兹的水道贫瘠地是由于剧烈洪水作用的假说，已经不仅局限于说明他所研究的那个局部地区。业已发现和其他西部的湖有关的贫瘠地，最著名的是邦纳维尔湖。与原先的邦纳维尔湖相比，犹他州的大盐湖只能算一个小坑。布雷兹的假说适应的范围很广。有些行星地质学家发现，火星水道的特征最适合用布雷兹式的剧变洪水观来解释，他们很推崇布雷兹。

其次，布雷兹的命运要比阿尔弗雷德·魏格纳的命运好得多。魏格纳死在格陵兰的冰天雪地时，他的大陆漂移学说正被打入冷宫；J哈伦·布雷兹60年前提出他的假说，却在自己的有生之年看到了自己的假说被证实。他现在已经90多岁了，身体健康，仍像过去一样好斗和乐观。1969年，他发表了一篇50多页的文章，概述了长达半个世纪的关于华盛顿东部水道贫瘠地的争论。他在结束这篇文章时说：

国际第四纪研究学会1965年在美国召开年会。会议期间组织了多次野外游览，其中包括去落基山北部和位于华盛顿州的哥伦比亚高原。……游览者……参观了整个大干河谷地区、昆西盆地部分地区和帕劳斯—斯纳克贫瘠地的大部分地区，以及著名的斯纳克峡谷由洪水造成的沙砾沉积地。笔者未能参加，后来收到了一封表示“崇敬和敬意”的电报，这封电报的结尾写道：“我们现在都成了剧变论者。”

附言

这篇文章在《自然史》杂志上发表后，我送给了布雷兹一份。他于1978年10月14日复信道：

亲爱的古尔德先生，

您最近的信很令人满意。谢谢您的理解。

我一直对于我的开拓性贫瘠地研究工作受到的赞扬和进一步发展的方式感到惊奇。我一直清楚我过去是对的，但是我想，几十年的怀疑和争论已经使我的情感备感疲惫。但是，随着7月与维克多·巴克尔的野外旅行，我的惊奇又苏醒过来。什么！我怎么成了天外过程和事件的半个专家？我现在身体已经不行（我已经96岁），我只能向那些在我开创的领域中从事研究的其他人表示祝贺。

再一次感谢您。

J哈伦·布雷兹

1979年，在美国地质学会的年会上，J哈伦·布雷兹被授予了彭罗塞奖（地质学专业的最高奖）。

20
帘蛤是帘蛤

托马斯·亨利·赫胥黎曾经把科学定义为“有组织的常识”。与他同时代的其他人，包括著名地质学家查尔斯·赖尔，提出了一种相反的观点，他们说科学一定要探索表象背后的东西，而且一般与“明显的”解释作对。

对于常识与所钟爱理论的表述之间的矛盾，我无法提出任何一般性的尺度作为解决的办法。每一个阵营都赢过，而且都有它的拥护者。但是，我想讲一个常识获胜的故事。这是一个有趣的故事，因为其中的与普通观察相反的理论似乎也正确，这个理论就是进化论。导致进化论与常识发生矛盾的原因，在于人们对进化论的错误引申，而不在于进化论本身。

常识认为，人们熟悉的宏观生物，是以叫作物种的“组合”形式表现出来的。所有的鸟类观察者和蝴蝶捕捉者都知道，他们可以把在任何地区发现的标本划分为独立的单位，还能为这些标本附上外行人可能不了解的拉丁文双名。一个组合有时候的确可能无法理清，甚至与其他的组合混淆起来。但是，我们已发现，这种情况很少。有经验的观察者都会以同样的方式识别出马萨诸塞州的鸟类和我家后院里的虫子属于什么物种。

物种是“自然的种类”的观点，极为符合前达尔文时期特创论的信条。路易斯·阿加西甚至认为，物种是上帝根据不同的想法创造出的类型，于是，我们才可以（根据物种）既发现上帝的崇高，又察觉上帝发出的信息。阿加西写道，物种是“万能智慧的各种思维方式的体现”。

但是，倡导不息的变化是自然中最基本事实的进化论，又如何说明将生命界分成分离的实体是正确的呢？达尔文和拉马克都曾尽力要解决这个问题，但是结果却令人失望，他们俩都否认物种是自然的种类。

达尔文悲叹道：“我们应该把物种看成……仅仅是为了方便起见的人为组合。这样，前景会令人沮丧。但是，我们至少应该不再徒劳地去探索尚未发现且不可能发现的物种本质。”拉马克抱怨道：“博物学家把时间耗费在描述新种上，耗费在抓住细小的差别和略微特殊的特征上，以扩大描述物种的庞大清单，这样做徒劳无益。”

然而，滑稽的是，达尔文和拉马克都是有名望的系统分类学家，他们都为上百种物种命过名。达尔文写过一部四卷本的关于藤壶分类的专著，而拉马克则写过比达尔文的那部书还长三倍的论述化石无脊椎动物的多卷本著作。他们在日常工作中经常接触这些实体，但是他们在理论中都否认了这些实体的真实性。

逃避这个难题的传统方式是：可以认为我们这个变动不息的世界以缓慢的形式变化着，所以可以认为某一时刻的实体处于静态。随着时间的流逝，现代的物种已失去了一致性，这些物种已经缓慢地转变为后裔类型。人们可能会想起约伯哀叹的“妇女所生的人”，“他像花出生，瞬息凋谢；飞驰如影，从不停留”。 [7] 但是拉马克和达尔文不会采取这种办法来解决问题，因为他们都广泛地研究过化石，而且他们像说明现存世界的生物一样，成功地划分出物种的进化顺序。

还有一些生物学家坚定地放弃了传统的逃避方法，否认任何情况下物种的真实性。J.B.S.霍尔丹（他也许是20世纪最出色的进化论者）写道：“物种的概念是对我们的语言习惯和神经机制的一种妥协。”1949年，一位古生物学家则宣称：“物种……是虚幻，是非客观存在的精神创造。”

然而，常识却毅然继续宣称，在我们这个世界的各个地区，可以清楚地识别出物种。多数生物学家，虽然可能抛弃地质时间中物种的真实性，却可以确定现在时刻的物种地位。正如当今研究物种和成种事件的著名学者恩斯特·迈尔所写：“物种是进化的产物，不是人脑的产物。”迈尔认为，物种是自然中“真实的”单位，它既是历史的产物，也是当前它们成员之间相互作用的结果。

物种是从原种中分离出来的、通常居住在一定地理区域内分离的群体。物种之所以具有独特性，在于进化出的一定遗传程序，可以使同一物种的成员之间配育，而不同物种成员之间却不能配育。同一物种的成员占据相同的生态位置，并且通过相互配育而相互作用。

林奈式等级分类体系的更高单位却不是客观确定的，因为它们是由物种组成的类群，而且在自然中并不是独立的单位，它们既不能相互配育，也不一定有相互作用。这些更高的分类单位——属、科、目等，并不是人们随心所欲决定的。它们必须与进化谱系相符（不能把人和海豚放在一个目，而把黑猩猩放在另一个目）。但是如何排列，则部分是依照习惯，不存在“正确的”解决办法。在谱系上，黑猩猩是我们最近的亲戚，但是我们与黑猩猩到底是属于同一个属，还是属于同一科中不同的属呢？物种是自然界中唯一的客观分类单位。

那么，我们应该追随谁呢？是迈尔还是霍尔丹？我赞同迈尔的观点，而且我想用一种非常规的，但我认为有说服力的证据来捍卫这种观点。重复实验是科学方法的基石，然而研究独特自然现象的进化论者通常没有机会去实践这种方法。但是在这个案例中，我们有一个途径，以说明物种到底是受文化倾向左右的精神抽象产物，还是自然界中的组合。我们可以获知，不同的人，在完全独立的情况下，如何将他们地区的生物划分为不同的单位。我们可以比较一下西方划分出林奈式物种的分类与非西方人的“民间分类学”。

有关非西方人分类的文献并不丰富，但却有一定的说服力。我们经常可以发现，林奈式物种与非西方人的动植物名称之间具有惊人的对应性。简而言之，就是说不同的文化识别出同样的组合。我并不是说民间分类学完全包容了整个林奈式系统。人们通常对那些比较重要或明显的生物进行分类。新几内亚的弗尔人虽然像林奈式体系一样详细地分类了不同的鸟类，但却用一个词指称所有的蝴蝶。类似的是，在我们的民间分类学当中，对我家后院的虫子并没有常用的名称，但对马萨诸塞州的所有鸟类却有。只有当民间分类学试图作全面的划分时，才会与林奈式体系对应。

一些生物学家在从事野外工作时，已经注意到这些惊人的对应。恩斯特·迈尔在描述他在新几内亚的经历时说：“50年前，我独自待在新几内亚山区的帕普安斯部落。这些有经验的林区人，用136个名字称呼我识别出来的137个鸟类（弄混的只是从未描述过的两个刺嘴莺种）。这些生活在石器时代的人，在对自然实体的认识上，像西方受过大学训练的科学家一样，这一点基本上否定了物种只不过是人类想象力产物的观点。”1966年，贾里德·戴蒙德发表了关于新几内亚弗尔人的更广泛研究。他们对于当地的鸟类有与林奈式系统的鸟类物种对应的名称。戴蒙德带领7名弗尔人来到另外一个地区，他们没有见过这里栖居的鸟类，戴蒙德要求他们对每一种新看到的鸟给出与栖居在弗尔地区的鸟类最相符的名称。他们把103个鸟种中的91个归入了弗尔地区的类群中，而且很接近我们西方人按照林奈系统对新种的分类。戴蒙德讲了一个有趣的故事：

我的一个弗尔人助手采集到一只巨大、黑色、短翼、地栖的鸟，我俩从前都没有见过这种鸟。当我正苦苦思索这种鸟与什么鸟相似时，这位弗尔人很快便说它是peteobeye ，这是在弗尔人院子里的树上常见的一种漂亮的褐色小杜鹃的名字。最后，证明这种鸟是蒙贝克氏鸦鹃，是杜鹃科中一种不常见的类型，这种鸟与相近种类在体型、腿和喙型等特征上不一样。

近些年，具有博物学知识的人类学家做了两项全面的研究，补充了生物学家的那些非正式的研究工作。这两项研究是拉尔夫·布尔默关于新几内亚人的脊椎分类学研究，以及布伦特·柏林（与植物学家丹尼斯·布里德拉夫和彼特·雷文）关于墨西哥恰帕斯高地策尔塔尔印第安人植物分类学的研究。（我要感谢恩斯特·迈尔，他向我介绍了布尔默的工作，并且多年来一直竭力主张同样的观点。）

例如，卡拉姆人普遍以蛙作为食物。他们给蛙起的名字与林奈式道德物种名称一一对应。在有些情况中，他们用一个名字来指称一个以上的物种，但是仍能识别出其中的差别。提供资料的卡拉姆人虽然没有提出标准的名称，却能够轻易地分出两种不同古恩姆（gunn）， [8] 根据的是外形和习性。有时，卡拉姆人做得比我们还出色。他们识别出卡索依（kasoy）和威特（wyt）两个种，而西方人却用了同一个名称，贝奇氏雨蛙（Hyla becki ）。

布尔默最近与一位名叫赞恩·萨依姆·马杰尼普的卡拉姆人合作出了一部值得注意的书：《我们卡拉姆地区的鸟类》。萨依姆提出的鸟类名称中，有70%与西方人的种名对应。在多数情况下，他将两个以上的林奈系统物种合并为一个卡拉姆名字，不过，他识别出的其中的差别，与西方人识别的相同。他还对西方人归为同一物种内的标本做了区分，然而却认识到其中的一致性（例如，对一些极乐鸟，因为雄鸟有华丽的羽毛，他给了不同性别的极乐鸟不同的名称）。只有在一种情况下，萨依姆遵循了与林奈命名法不同的方式，他用同一个名称指称两个极乐鸟物种的黄褐色雄性，但是他却给每一个物种中有艳丽羽毛的雄鸟以不同的名称。事实上，对卡拉姆人命名的174个物种，包括哺乳类、鸟类、爬行类、蛙和鱼，布尔默只能找出几处矛盾的地方。

柏林、布里德拉夫和雷文最初在1966年发表的研究中，对于戴蒙德宣称的民间名称与林奈系统的种名之间存在一一对应具有普遍性的观点，发出了明确的挑战，他们当初认为，只有34%的策尔塔尔人的植物名称，与林奈式种名相对应，而且他们认为，大量的“错误分类”反映出文化和实际用途的差别。但是几年后，他们在一篇坦率的文章中改变了原来的观点，承认民间名称与林奈式的种名之间具有不同寻常的密切对应关系。他们在早期研究中，并没有充分理解策尔塔尔人的等级规则，而且把作为民间不同层次类群的名称混淆了。另外，柏林承认，由于受人类学中文化相对主义偏见的影响，他误入了歧途。我提到他的认错，并非要揭他的短，而是对于科学家中少有的行为表达我的钦佩之情（当然，任何称职的科学家都能够改变对基本问题的看法）：

许多人类学家，在传统偏见的影响下，用相对的眼光看待人类对各种实体的分类，他们不太愿意承认那些发现……我和我的同事，在较早的一篇文章中，支持了这种相对主义。自那篇报告发表之后，又获得了更多的资料，现在看来，我们原来的观点必须重新考虑。现在新的证据表明，民间分类学中的基本类元与科学界已知的物种非常对应。

柏林、布里德拉夫和雷文现在出版了一部全面论述策尔塔尔人分类学的书，《策尔塔尔人植物分类学原理》。他们列出的完整目录中包括策尔塔尔人用的471个名称，其中有281个名称，或总数的61%，与林奈式的名称一一对应。其余的名称中，有17个名称，按照作者的话说，是“不完全划分的”，即策尔塔尔人使用的一个名称中包括了一个以上林奈式物种。但其中又有2/3的情况，是策尔塔尔人用附属的系统区分了主要的类群，而这些附属的名称则都与林奈式物种对应。只有17个或3.6%的名称，相对于林奈式物种，是“过分划分的”，它们指称林奈式物种的一部分。7个林奈式物种中，有两个策尔塔尔人的名称，只有1个林奈式物种具有3个策尔塔尔人的名称，那就是葫芦（Lagenaria siceranria ）。策尔塔尔人根据葫芦的果实区分葫芦，一个名字指称大而圆、用于装玉米饼的葫芦，另一个名字指称长颈、适于装液体的葫芦，第三个名字指称小而椭圆、根本无用的葫芦。

在对民间分类学的研究中，还有第二个有趣的概括。生物学家认为，只有物种是自然界中真实存在的单位，并且认为，在分类的等级体系中更高层次的名称表示的是人们决定如何组成类群（当然要符合进化的谱系）。所以，对于由物种组成的类群名称，我们不应该期望也是与林奈式名称一一对应，而应该料想到存在着受当地用法和文化影响的方案。在对民间分类学的研究中，总可以发现这种差异。人们在对物种归类时，通常独立地依附不同的进化线系。策尔塔尔人有四个涵盖广泛的名字指称物种组成的类群，大致对应于树木、藤本植物、草和阔叶草本植物。他们用这些名字指称大约75%的植物，而剩余的植物，如玉米、竹子和龙舌兰，则是“无联系的”。

如何将物种组成类群，通常反映了文化的更微妙更深入的方面。例如，新几内亚的卡拉姆人将非爬行类动物分成了三个纲：科普亚克（kopyak）是鼠类；科姆（kmn）是进化趋异明显的哺乳动物集合，主要是有袋类和啮齿类；阿斯（as）是更趋异的蛙和小型啮齿类的集合。（在布尔默的再三追问下，卡拉姆人虽然认识到小而多毛的阿斯与科姆中的啮齿类之间形态相似，但还是否认了在阿斯中对蛙和啮齿动物有任何细分，而且不认为这很重要。他们也认识到，有些科姆有囊，有些则没有。）这种划分基本上反映了卡拉姆人的文化。他们将科普亚克与周围的粪便和不洁的食物联系了起来，是根本不能吃的。阿斯主要由女人和孩子采集，男人也采集一些。虽然绝大多数男人都把阿斯作为食物，但男孩儿在成人仪式中禁止吃，阿斯也是男人施巫术时禁止吃的食物。科姆主要是由男人捕猎的。

而鸟和蝙蝠都叫亚克特（yakt），唯一的例外是，大而不能飞的鹤鸵叫科波蒂（kobty）。这种划分不是完全根据外表决定的，有更深更复杂的原因，因为卡拉姆人已经认识到，科波蒂具有鸟的特征。布尔默认为，鹤鸵是卡拉姆人在森林中的主要猎物，而且，卡拉姆人坚持认为，种养的生物（如芋头和猪）与森林中的生物（如露兜树坚果和鹤鸵）之间存在着文化上的对应，鹤舵还是神话中人类的姐妹。

在我们自己的民间分类中，也保持了类似的做法。我们把可以食用的软体动物叫“贝类”，其中所含的林奈式物种都有俗称。我清楚地记得，有一次当我用非正式的科学术语“蛤”指称所有双瓣软体动物时，同船的一位英格兰人谴责了我〔在他看来，蛤只是海螂（Myaarenaria ）〕：“帘蛤是帘蛤，蛤是蛤，扇贝是扇贝。”

在现代世界中，民间分类学的依据是有说服力的。将生物划分为林奈式物种的倾向，并非是我们受神经系统局限的一种做法，从某些更基本的意义上看，在这个世界上，确实存在由于进化而分成的明确分离的生物组合。（当然，我不否认，我们的分类取向首先反映的是我们的思维、思维的能力以及排列复杂事物的有限思路。我一直怀疑的是，按林奈体系的程序分类物种，反映的可能不只是我们思维的局限，也许还是自然的局限。）

但是，这些由不同文化识别出的林奈式物种，是否仅仅是某一时刻暂时的定格，仅仅是不断变化的进化谱系上的一个静止状态？我在文章17 和18 中提出，进化并不像人们普遍相信的那样按照这种方式进行，物种在更长时间是“真实的”，即物种长期保持形成时的特征。化石脊椎动物种的平均寿命为500万～1000万年（陆生脊椎动物的寿命要短一些）。在这期间，物种不发生深刻的变化。当物种灭绝时，如果没有后代，那么它们的样子仍然跟它们刚刚出现的时候一样。

至于新物种的产生，通常并不是通过整个祖先群体缓慢而稳定的演变，而是通过从不变的亲种中分出小的隔离体。而这种成种事件的频率和速度，则成了今天进化论中的热门问题。但是我想，我的多数同行都会认为，分生出新种所需的时间大约几万或几千年。按照我们生命的尺度，这样的时间可能很漫长，但在地质时期上却只是一瞬间，在化石记录中一般只占地层的一个层面，而不是很长的地层序列。如果物种的产生经历了几万或几千年，以后却在几百万年的时间中保持基本不变，那么，物种的起源只占物种全部寿命的1%中很小的部分。于是，即使从大尺度时间上看，物种也是独立的实体。更高水平的进化基本上只是物种差异成功的过程，而不是谱系的缓慢转变。

当然，如果我们偶然发现地质时期意义上瞬间的物种起源，我们不会清楚地识别出来。但是，我们发现处于这种状态物种的机会的确很少。物种是实体，只是在起源时短暂时间内处于模糊状态（物种灭绝时，特征清晰，并不模糊，因为多数物种的消亡并非由于变成了其他的类型）。正如埃德蒙·伯克 [9] 在另一种情况下所说：“虽然没有人能明确区分出昼与夜的界限，但是，光明与黑暗是容易分清的。”

进化论是关于生物变化的理论。但是进化并非像许多人设想的那样意味着自然界变动不息，而且自然界中的构成也并非只是一瞬间的特征。更常见的情况是，生物的变化是稳定状态的迅速转变，而不是某种状态以缓慢、稳定的速度不断地演化。我们并非生活在混沌的世界中，可以区分出一些合乎常理的差别。物种是自然的形态单位。

[1] 蒲柏（1688—1744），英国诗人，长于讽刺，著有长篇讽刺诗《夺法记》《群愚史诗》，翻译过荷马的史诗《伊利亚特》和《奥德赛》。——译注

[2] 我的这篇文章写于1977年。自那时起，在进化生物学领域，观点有了重大的改变。正统的异域成种事件理论受到了猛烈的抨击，一些同域成种事件机制成了影响更大的观点和模式。（按照同域成种事件理论，新类型在其祖先的地理区域内产生。）这些同域成种事件机制在两点上看法相同，即物种起源于小群体，而且迅速起源，这是我和埃尔德里奇在我们的化石记录模式中所需要的。事实上，同域成种事件理论比传统的异域理论更主张在小群体中会发生迅速的变化。（主要因为与祖先有潜在接触的类群一定要更快导致生殖隔离，否则它们的有利变异类型会由于与更多亲本类型的相互配育而弱化。）见怀特（White），1978年对这些同域模式更全面的论述。——原注

[3] 奥威尔（1903—1950），英国小说家、新闻记者，代表作有《动物庄园《》1984年》等，小说中描绘了受严酷统治而丧失个性的社会。——译注

[4] 英国作家奥威尔的小说《1984年》中的人物，见本文开头部分。——译注

[5] “新话”一语出自奥威尔纳的小说《1984年》，原指颠倒黑白的宣传。——译注

[6] 贺拉斯（公元前65—前8），古罗马诗人，作品有《讽刺诗集》《歌集》《书札》等。——译注

[7] 《圣经·旧约·约伯传》14:1—2。——译注

[8] 当地对一种蛙的土称。——译注

[9] 伯克（1729—1797），英国辉格党政治家。——译注

第六部分
早期生命

·初始

·老疯子伦道夫·柯克帕特里克

·深海虫与始动物

·我们的祖先是一个海绵细胞吗

21
初始

提提部全权大臣部马 [1] 向一家人自夸，标榜自己“无所不知”。他在向南部基建议贿赂应该既恰当又昂贵时，说道：“只要我告诉你，我的祖先可以追溯到细胞质基本的原子颗粒，你就会明白了。”

倘若久远的根源真会滋养人类的骄傲，那么1977年公布的消息表明，人类的自负所根据的时间还可以追溯得更久远。这一年11月初，公布了在南非发现的一些化石原核生物，将生命的古老历史推到34亿年前。（原核生物包括细菌和蓝绿藻，组成了原核生物界。原核生物的细胞中不含细胞器，没有细胞核和线粒体，是地球上最简单的生命形式。）两个星期之后，伊利诺依大学的一个研究小组宣布，被称作产烷菌的生物与其他原核生物之间根本没有密切的关系，是一个独立的界。

如果34亿年前就生活着真正的原核生物，那么原核生物与这些新近被命名为“产烷生物”的共同祖先的生活年代更早。因为已知最古老的岩石，即西格陵兰的伊苏阿地区上地壳地层，属于38亿年前。这样，形成适于生物发展所需的地表适宜条件的时间，与生命本身起源的时间之间的间隔期太短了。生命并不是由一系列复杂的偶然事件构成的，生命并不是需要很长的时间才由或然性的东西变成确定性的东西，生命并不是由原始大气的简单成分，经过一步又一步的艰辛，历经大量的时间，才成为地球上最精妙的组织。相反，正是由于生命的复杂、精致，或许一旦条件成熟，就会迅速产生出来，生命的形成也许就像石英和长石的生长一样，是必然的过程。（地球的历史有45亿年左右，地球在形成之后，经历了一段时间的熔化和半熔化状态，形成地壳的时间，可能并不早于西格陵兰沉积形成的时间。）这些故事无疑占据了《纽约时报》的头版，而且挤占了报纸就退伍军人节 [2] 所发的沉思性评论。

20年前，我在科罗拉多大学度夏天，我当时上高中，正在为上大学做准备。我记得在那个夏天，愉快的事就是登上了白雪覆盖的山峰，而头疼的事则是为考大学“临阵磨枪”。不过，最令我难忘的是听了乔治·沃尔德关于“生命起源”的讲座。沃尔德的讲座很有魅力和感染力，他热情地介绍了50年代早期发展出来的见解，其中有些见解直到最近都是占统治地位的正统观念。

按照沃尔德的观点，生命的起源是地球大小适当。地球在太阳系中位置合适，以及地球大气和地壳变化的必然结果。他还认为，生命具有令人吃惊的复杂性，因此，从简单的化学物质产生出生命，肯定要经历很长时间，可能比从DNA到高级甲虫（或者是你认为应该位于生命阶梯顶端的其他生物）经历的时间更长。其间有成千上万个阶段，每一个阶段都建立在前一个阶段之上，每一个阶段都带有或然性。只有时间长久才能保证生命的出现，因为时间会使或然性变成必然性，好像有100万年的时间，就能确保掷钱币时连续100次都是正面在上。沃尔德在1954年写道：“事实上，时间是生命起源中的英雄。我们涉及的时间长达20亿年……有了这么长的时间，不可能会变成可能，可能会变成或然，或然会变成必然。只要等待，时间就会创造出奇迹。”

这种正统观点，并没有得到古生物学中的任何直接证据的检验和支持，但却站住了脚。因为有一个突出的事实，关于6亿年前寒武纪大爆发之前的化石极为稀少，对此，我们古生物学家都感到沮丧。事实上，就在沃尔德系统整理他关于生命起源观点的那一年，首次发现了前寒武纪生命的清晰证据。哈佛的古生物学家埃尔索·巴洪和威斯康星的地质学家S.A.泰勒描述了采自冈弗林特组燧石中的一系列原核生物，冈弗林特组燧石是位于苏必利尔湖北岸的具有20亿年历史的岩石。然而，冈弗林特组燧石与地球起源之间的间隔仍有25亿年，对于沃尔德提出的缓慢、稳定的生命起源过程来说，25亿年足够了。

但是，我们对生命历史的了解又向前推进了。我们已经知道，在南非南部罗得西亚的布拉瓦约层系，属于26亿～28亿年前的岩石中，存在一种叠层的碳化沉积岩，叫叠层石。这种岩石的叠层与现存的由蓝绿藻固着沉积物形成的叠层形态很相似。自从巴洪和泰勒发现冈弗林特组中存在生物，从而使人们相信前寒武纪以前也存在由生物形成的化石以来，叠层石中含有生命的观点改变了许多人的观念。然后，到了10年前的1967年，巴洪和J.W.肖夫报道，在南非无花果树统地层中发现了“似藻类”和“似菌类”生命遗迹。这时，正统的生命起源观——生命的形成极其缓慢，占据了地球历史的大部分时间——开始瓦解了。因为根据1967年取得的资料得知，无花果树统岩石的历史超过了31亿年。肖夫和巴洪给所发现的化石生物郑重地命名了正式的拉丁文名称，但是他们对性状的描述，则既似藻类又似菌类，说明他们也有顾虑。事实上，肖夫后来认为，大部分证据表明，这些结构不是生命遗迹。

对于新近公布发现了34亿年前的生命一事，不值得大惊小怪，这只不过使十多年来有关无花果树统中生命地位的争论有了一个令人满意的结果。新的证据是安德鲁·诺尔和巴洪收集到的，也取自无花果树统的燧石。但是，这时获得的证据几乎确凿无疑。而且，最近的资料表明，无花果树统的年代确实属于34亿年前。事实上，无花果树统燧石是已经发现的其中含有过生命的最古老岩石。更古老的格陵兰岩石，由于热和压力的作用，已经发生了很大的变化，不太可能保存下来生命的遗迹。诺尔告诉我，采自罗得西亚的一些尚未研究的燧石，可能属于36亿年前。但是性急的科学家已经等不及做出晦涩抽象的认同，顾不上确保稳妥，忙不迭地向公众发表了看法。不过，我想，在最古老的岩石中存在生命的观点及其论据，依然有助于我们放弃生命是缓慢、稳定、或然发展的观念。生命是迅速产生的，或许就发生在地球冷却到足以使生命可以生存后不久。

在无花果树统发现的新化石比以前的发现更有说服力。诺尔和巴洪宣称，“在更年轻的化石中，它们一定会被视为藻类微化石”。这种见解根据的是五个论据：

1. 这些新发现的结构大小和现代的原核生物差不多。肖夫和巴洪过去描述过的结构都过大，后来肖夫也主要由于结构太大，所以不再认为它们是生物的结构。而新发现的化石，平均直径为2.5微米（1微米等于10～6米），是（现在认为属于无机物的）更早结构的0.2%。

2. 现存原核生物群体大小的分布有特异性。它们可以按典型的钟形曲线排列，通常基本保持在平均数量的水平上，群体数量越多或越少的情况都呈不断下降状态。原核生物的群体不仅大小具有特异性（上文谈到的第一点），它们还具有典型的围绕平均值变化的模式。新发现的微化石形成一个漂亮的钟形分布，变化范围有限（1～4微米）。更早、更大的结构变动太大，并且没有稳定的平均值。

3. 新发现的结构经常“呈现变长、变平、变皱和卷曲的状况”，与冈弗林特组和更晚的前寒武纪原核生物的变化方式非常相似。这些形状是现存原核生物死亡、降解之后的典型形状。较早的更大结构却只呈球形，球形是表面积小的物体的基本形状。许多无机变化过程也可以轻而易举地形成球形，例如水泡。

4. 更有说服力的是，在新发现的微化石中，有1/4处于细胞分裂的各个阶段。我们不要误认为这么高的比例是我们凭运气碰上的。我应该指出，原核生物每20分钟左右就可以分裂一次，也就是说，在生命开始后几分钟便要进行分裂。一个单细胞利用一生的大约1/4的时间来分裂出两个子细胞。

5. 这四个基于形态的论据已经令我信服了，然而诺尔和巴洪又加了一些生化的证据。一个元素的原子通常形式不同，重量不同。这些形式叫同位素，同位素质子数相同，中子数不同。有些同位素有放射性，并且可以自动地衰变为另一种元素；还有一些同位素在整个地质时间中保持稳定不变。碳有两种主要的稳定同位素，一种是12 C，含有6个质子和6个中子，另一种是13 C，含有6个质子和7个中子。当生物通过光合作用固碳时，产生较多的通常是比较轻的同位素12 C。因此，由光合作用固着的碳中12 C/13 C值高于无机碳（例如钻石中的碳）的12 C/13 C值。而且，因为两种同位素都是稳定的，12 C/13 C值不会随时间发生改变。无花果树统岩石中的12 C/13 C值很高，不可能是无机碳，它们符合光合作用固碳的12 C/13 C值。当然仅凭这一点还不足以说明在无花果树统岩石中的就是生命，以其他方式更容易固着轻碳。但是把结构大小、分布、形状及细胞分裂时的形状等证据结合起来，再有生化证据的支持，便可以令人信服地说明所发现的完全是生命物质。

如果在34亿年前确实有了原核生物，那么生命起源于何时呢？我已经说过，在地球上还没有（或至少还没有找到）适当的更古老的化石，所以我们现在看一下第二个重要的问题，卡尔·沃西及其助手宣称，产烷生物根本就不是细菌，可能是不同于原核生物界（细菌和蓝绿藻）的新的原核生命界。他们的报道被广泛地曲解了，比较引人注目的是《纽约时报》1977年11月11日的评论。《纽约时报》宣称，将生物划分为动物界和植物界的著名二分法终于瓦解了：“每一个孩子都学过，整个生物分成动物和植物。这种划分就像在哺乳动物中可以区分出雌雄一样，是尽人皆知的。然而……（我们现在有了）地球上生命的‘第三界’，这种生物既不是动物，又不是植物，而是属于另一类。”但是，生物学家在很久之前便抛弃了“著名的二分法”，而且现在已没有人再试图将生物归入传统划分复杂生命的两种类群中。现在最流行的划分是五界系统：植物、动物、真菌、原生生物（单细胞真核生物，有细胞核、线粒体和其他细胞器，如阿米巴和草履虫）和原核的原核生物。如果提升产烷生物的分类地位，它们将组成第六界，与原核生物一起组成一个超界——原核界。多数生物学家认为，对生命最基本的划分是把生物分成原核生物和真核生物，而不是分成植物和动物。

沃西研究小组（见参考文献中列出的福克斯等人，1977）从10个产烷生物和3个原核生物中分离出一种共同的RNA进行比较（制造RNA，RNA是蛋白质合成的模板）。一个单链的RNA像DNA一样，含有一个核苷酸序列。核苷酸有4种，在核苷酸序列上，每一个位置上都有一种核苷酸，3个核苷酸为一组，每一组决定一个特定的氨基酸。氨基酸以扭曲链的形式形成蛋白质。按一句简明的话说，这叫“遗传密码”。现在，生物化学家可以确定RNA的“化学结构序列”，他们可以通过解读全部的核苷酸顺序，了解RNA链。

在生命起源后不久，一定存在原核生物（产烷生物、细菌和蓝绿藻）的共同祖先。因此，所有的原核生物在过去某一时刻一定具有相同的RNA。现在的原核生物RNA的差别是自它从共同祖先分生出以后趋异的结果，如果分子进化速度恒定，那么现存两种形态差异的程度可能直接记录了两个谱系从共同祖先分开的时间，即它们具有相同RNA序列的最后时间。例如，两种形态中不同核苷酸占共同位点的10%，可能表明分开的时间是10亿年前，20%为20亿年前，依此类推。

沃西及其小组测量了10种产烷生物和3种原核生物中所有的RNA差异，并且利用测量的结果重建了一种进化树。在这个树上有两个主干，一个主干上是所有的产烷生物，另一个主干上是所有的原核生物。他们挑选了3种原核生物来代表这个存在巨大差异的类群。在原核生物中，既有生活在动物肠内的细菌，又有自由生活的蓝绿藻。然而，比起产烷生物来，原核生物之间的相似性更大一些。

对于沃西小组得出的结果，最简单的解释认为，产烷生物和原核生物是分别进化的类群，在二者出现之前，有一个共同的祖先。（以前的分类把产烷生物归在细菌中，事实上，这并不等于认为二者关系密切，只是认为它们属于独立进化事件的产物，是趋同进化使它们都具有了产生甲烷的能力。）这种解释支持了沃西宣称的应该将产烷生物与原核生物分开，将产烷生物看作第六界的观点。因为在无花果树统之前，即34亿年前，已经进化出了良好的原核生物，所以，产烷生物与原核生物的共同祖先肯定应该更早。这样，又将生命起源的时间向前推了，一直推到地球本身形成时。

沃西及其小组认为，这种简单的解释，并不是对他们研究成果唯一可能的阐释。我们可以提出两种更有说服力的假说：（1）他们使用的3种原核生物可能并不完全代表整个类群，或许其他原核生物中RNA顺序的差异，比起那3种原核生物的RNA顺序与产烷生物RNA序列的差别还要大。这样，我们也许就可以将产烷生物和所有原核生物归在一个类群中。（2）进化速度接近恒定的假设不能成立。也许在原核生物的主要类群从共同祖先那里分生出来之后很久，产烷生物才从原核生物中分出。早期产烷生物的进化要比后来彼此趋异的原核生物的进化速度快。在这种情况下，产烷生物与原核生物之间RNA顺序的明显差别，大概记录的只不过是早期产烷生物快速的进化速度。只有当进化以非常恒定的生化速度进行时，大量的生物化学差别才会准确记录类群分开的时间。

但是，另一个观察使沃西的假说更具吸引力，而且也促使我坚定地支持他的假说。产烷生物是厌氧的，在氧存在情况下会死亡。因此，今天产烷生物仅限于生活在不寻常的环境中，例如池塘底部无氧的淤泥中或黄石公园的温泉深处。（产烷生物通过将氢的氧化及还原二氧化碳为甲烷而生长，所以叫产烷生物。）现在，尽管在早期地球和地球大气的研究中众说纷纭，但是，在有一点上还是达成了普遍的共识：原始大气中缺乏氧，富含二氧化碳。这种情况正适合产烷生物的繁荣，因而地球最初的生命可能正是在这种情况下进化的。现存的产烷生物与最初的产烷生物有可能一样吗？是否产烷生物最初产生时的环境很适宜，但现在由于氧的广泛存在而局限生活于极少见的环境中？我们相信，大气中的大部分氧是生物光合作用的产物。无花果树统中的生物已经可以进行光合作用。所以，在无花果树统的原核生物出现之前很久，产烷生物的黄金时代就已成往昔。如果这个奇想得到证实，那么早在无花果树统时代之前，生命就产生了。

简而言之，我们现在从最古老的能够包含生命遗迹的岩石中，找到了生命存在的直接证据，并通过很有说服力的推断，使我们有理由相信，在进行光合作用的原核生物产生之前，存在着大量的产烷生物。大概在地球冷却到生命可以生存时，便产生了生命。

我有两个明确的想法，也许这两个想法仅仅代表了我个人的倾向性：首先，虽然外空生物学还是个缺乏学科内容的学科（在这一点上，只有神学更胜一筹），但作为一名外空生物学的坚定拥护者，我很高兴地认为，我们可以大胆地去设想，只要其他星球的大小、位置、组成和我们这个星球差不多，那里很有可能也会产生出生命。我感到我们可能并不孤独。而且，我希望应该利用射电天文望远镜，尽更大的努力寻找其他星球上的文明。也许困难重重，但一旦发现其他星球上的文明，那将是人类历史上最了不起的发现。

其次，我奇怪为什么旧的、不坚实的逐渐起源正统学说博得了如此强烈和普遍的赞同。人们为什么觉得这种观点很合理？这种观点当然缺乏任何直接的证据做支持。

正如我在其他几篇文章中强调的那样，我认为科学不是客观的、一定获取真理的机器，而是一种典型的人类活动，从事科学的人受情感、希望和文化偏见的影响。思维的文化传统对科学理论有很大的影响，通常也决定了猜想的思路，尤其在没有材料限制人们的想象或猜想时（在我们现在讨论的这个案例中），更是如此。在我自己的工作中（见文章17 和18 ），我对于渐变论者借助古训“自然不产生飞跃”对古生物学的强大、不幸的影响，有着深刻的印象。渐变论者认为所有的变化一定是平稳、缓慢、稳定的，这种观念并非通过对岩石中资料的了解得出来的。渐变论代表了一种文化上的偏见，部分是19世纪自由主义对处于革命状态的世界的反映。但是，渐变论一直冒充是对生命历史的所谓客观阐释。

建立在渐变论前提上，还能用什么样的观点来解释生命的起源呢？因此，从原始大气的成分到DNA分子，成了一个漫长的阶段。这种转变一定很艰难，经过了许多中间阶段，每一个阶段的时间都超过了10亿年。

但是，我认为，生命的历史有一系列稳定的状态，间或有迅速发生的重大事件，从而推动了另一个稳定状态的确立。原核生物统治地球达30亿年，然后是寒武纪大爆发，届时，在1000万年的时间里，主要的多细胞生命式样都出现了。又过了3.75亿年，在几百万年的时间里，几乎一半的无脊椎动物科都灭绝了。可以把地球的历史模式化为一系列偶然的震动，这种震动驱动着整个系统从一种稳定状态变成另一种稳定状态。

物理学家告诉我们，元素可能是在宇宙大爆炸的最初几分钟内形成的，在接下来的上百亿年里，物质的变化只不过是在剧烈条件下创造出的元素的重新组合。生命的产生当然不像元素的产生那么迅速，但是我想，比起生命存在的时间来，生命产生经历的时间只是很短暂的一瞬间。但是DNA的重新组合及进化，不是最初产物的简单再循环，它们创造了奇迹。

22
老疯子伦道夫·柯克帕特里克

怪人的命运一般是被遗忘，而不是遗臭万年。如果（不是专门研究海绵的）读者能知道伦道夫·柯克帕特里克是谁，我会大为惊奇。

表面上，柯克帕特里克是一位典型的谦逊、举止得当、一心一意、略微有些古怪的英国博物学家。他从1886年起，直到1927年退休，一直是大英博物馆“低等”无脊椎动物部的助理主任（我一向很钦佩英国人喜欢使用简单明了的术语，例如，他们把电梯和公寓分别叫lift和flat，我们则叫elevator和apartment。我们用拉丁文curator称呼负责保管博物馆藏品的人，英国人则叫keeper。不过，我们也有做得好的地方，比如我们把秋天称作fall，他们则叫autumn）。柯克帕特里克是学医出身，但是得过几次病后，决定从事“不太紧张的”博物学工作。他的选择不错，因为他曾跑遍世界寻找样本，而且一直活到87岁。1950年，在他离开人世前的几个月，他仍然可以骑车穿过伦敦的一些车水马龙的街道。

柯克帕特里克早年发表过一些关于海绵分类学的扎实论著，但是，第一次世界大战后，他的名字便很少再在科学杂志上出现。在一篇讣告中，他的继任者将他的事业半途中止归因为他的行为像“一个理想的公共仆人”：“由于过于谦逊、殷勤和大度，他会毫不犹豫地去帮助别人，无论是学者，还是来参观的学生。很有可能正是由于他常放下正在做的工作而全心全意地帮助他人，使他自己的工作未能完成。”

然而，柯克帕特里克的事业却不是这么简单，也不像人们通常认为的那么单纯。1915年以后他并没有停止发表论著，不过，他改为私人印刷出版一系列论著，因为他清楚地知道，任何科学杂志都不会接受这些论著。柯克帕特里克在以后的事业中，发展了在这个世纪由专业博物学家（他至少是庄重的大英博物馆的一位主任）提出的最古怪的理论。我并不想挑战对他的“钱币虫圈”理论的通常评估，但是我想坚决地为柯克帕特里克申辩。

1912年，柯克帕特里克在摩洛哥西部马德拉群岛的圣港岛采集海绵。一天，一位朋友带给他一些采自海拔1000米山峰上的火山岩。柯克帕特里克是这样描述这一重大发现的：“我在双目显微镜下仔细检查这些岩石，惊奇地发现，它们中都含有钱币虫圈形的构造。第二天，我参观了发现这些岩石的地方。”

钱币虫是曾经生活过的最大的有孔虫之一（有孔虫是和阿米巴有关联的单细胞生物，可以分泌出外壳，常见的是化石生物）。钱币虫看起来与名称相符：钱币。它的外壳呈扁圆形，厚1英寸，直径2英寸。这个圆形物由单个的气壳组成，气壳一一相连，所有气壳小孔紧密连成一个螺旋状（钱币虫的外壳很像绳结，有比例地变小）。在第三纪早期（大约5000万年前），钱币虫很丰富，有些岩石完全由它们的壳组成，这种岩石叫“钱币虫石灰岩”。开罗周围有很多钱币虫，古希腊地理学家斯特拉博认为它们是石化的兵豆（小扁豆属植物），是建造大金字塔的奴隶们吃剩下的。

柯克帕特里克后来又回到马德拉，并且在那里的火成岩中发现了钱币虫化石。于是，他想出了我难以想象的激进的地球结构观。火成岩是火山喷发的产物，或是地球内部熔化的岩浆冷却的产物，火成岩中不可能含化石。但是柯克帕特里克却认为，马德拉圣港岛的火成岩中不仅含钱币虫，而且这个岛实际上是由钱币虫构成的。所以，“火成岩”一定是在海洋底部沉积的岩层，而不是地球内部熔化物的产物。柯克帕特里克写道：

当发现几乎整个圣港岛都是由钱币虫组成，包括这个岛的构成、挤压出的土壤，圣港始动物（Eozoon portosantum ）似乎是这种化石很恰当的名字（始动物的意思是“最早的动物”，这个名称一度很常用）。当在马德拉的火成岩中也找到钱币虫后，大西洋始动物（Eozoon atlanticum ）的名字似乎更合适。

这时，任何事情都无法阻止柯克帕特里克停下来了。他回到伦敦，渴望得到采自世界其他地区的火成岩。都是由钱币虫组成的！“一天上午我刚命名了北极区火成岩的始动物，当天下午，我又命名了太平洋、印度洋和大西洋火成岩中的始动物。后来，索性命名为全球始动物（Eozoonorbis-terrarum ）。”最后，他又观察了陨石，是的，你也许猜对了，其中也存在钱币虫。

柯克帕特里克得出结论，地表上的所有岩石（包括来自太空的物体），都是由化石组成的：“我认为，这些岩石显然最初是由生命组成的，因为我从中看到了有孔虫类的结构，而且通常看得很清楚。”柯克帕特里克宣称，用低倍的手持透镜就可以看见钱币虫，当然，没人赞同他的看法。他写道：“许多人都怀疑我的火成岩及其他岩石的观点，这不足为奇。”

虽然我可以确切指出柯克帕特里克多少有些自欺，但是我并不认为柯克帕特里克是位循规蹈矩的教条主义者。他自己承认，他经常不得不沿着自己的道路去刻苦工作：“有时，我发现必须连续几个小时仔细检查一个岩石碎片，然后我才能确信看到了上面提到的细节。”

但是凭什么样的地球历史观，才会提出地壳完全是由钱币虫构成的呢？柯克帕特里克提出，钱币虫是最早的具有壳的生物，出现于生命历史的早期。所以，他采用了始动物这个名字来指称钱币虫。加拿大著名地质学家J.W.道森爵士于19世纪50年代提出始动物一词，来指称地球最古老岩石中的一些化石（我们现在知道，“始动物”是一种无机物，由相间的白色和绿色的矿物质钙和蛇纹石组成——见文章23 ）。

柯克帕特里克猜想，在地球早期，洋底表面积累了厚厚的钱币虫沉积层，因为海洋中不存在捕食消化钱币虫的生物。地球内部的热能将钱币虫沉积岩熔化在一起，并与硅石一起喷射出去（这样就解释了为什么火成岩是硅酸盐，而真正的钱币虫被挤压和熔化，有些被喷向高空，并逃逸到太空，成了钱币虫状陨石中的成分）。

人们有时把岩石分成含化石的和不含化石的，但是所有岩石中都含化石……真的，因此，广义地说，每一个岩石都是化石……岩石圈就是硅化的钱币虫圈。

到此，柯克帕特里克并不满足。他认为他发现了很根本的东西。他已经不再满足地壳和落下的陨石了，而是将钱币虫的螺旋形式看作生命本身的一种表现，看成是生命的基本构成。终于，他的观点又扩展了。与其说岩石是钱币虫，毋宁说岩石、钱币虫和任何有生命的东西都是“生命物质基本结构的表现”，所有这些存在物中都含有螺旋形状。

怪诞，是的（除非你认为他已经凭直觉想到了DNA双螺旋）。但确实有启发性。是他的方法令他疯狂，而这才是关键所在。柯克帕特里克在形成钱币虫圈的理论中，遵循的是推动所有科学工作的程序。他具有无可指责的综合热情和将真正分离的东西归结在一起的想象力。他一直探讨几何上相似的客体，而人们则一般将那些客体分成不同的类别。但是他忽略了一个古老的真理，形式相似的客体，形成的原因不一定相同。此外，他是根据期望，而不是观察，来确定相似性的。

粗心大意地综合也可能会揭示事物之间的真正联系，稳重的科学家绝不会做出这样的发现（然而，一旦别人有了新颖的看法，稳重的科学家却有可能去瓜分成果）。像柯克帕特里克这样的科学家，往往要付出沉重的代价，因为他们通常都是错的。但是一旦他们正确，他们的正确就相当突出。他们的见解远远胜过那些按常规形式老老实实工作的科学家得出的见解。

再让我们来看一看柯克帕特里克，探讨一下当他1912年做出重大发现时，他主要为了从事什么研究而在马德拉和圣港岛。他写道：“1912年9月，我从马德拉航行到了圣港岛，以便完成对那种奇特的海绵藻（Merlia normani ）的研究。”1900年，一位名叫J.J.李斯特的分类学家在太平洋的利富岛和富纳富提岛上发现了一种特殊的海绵。这种海绵含有硅质的骨针，此外还含有钙质骨架，与一些珊瑚很相似（骨针是小的针状物，多数海绵的骨架就是骨针）。李斯特是一位稳重的人，不会认为硅和钙“杂交”了。他猜想骨针是从其他地方进入海绵体中的。但是柯克帕特里克采集到更多的样品，他得出了正确的结论，骨针是海绵分泌形成的。然后，到了1910年，柯克帕特里克在马德拉发现了第二种具有硅质和钙质骨架的海绵——海绵藻。

无疑，海绵的研究激发柯克帕特里克综合的热情。他注意到，海绵的钙质骨架类似于一些常被分类为珊瑚的有争议的化石类群，尤其是层孔虫和管状海刺毛类。（对许多人来说，这可能是一个小问题，但是我敢保证，这是所有专业古生物学家关心的主要问题。从化石上看，层孔虫和海刺毛很相似，它们在一些古老的沉积层中形成了礁石。这是古生物学领域中的一个经典的谜，许多出色的古生物学家毕其一生从事这项研究。）柯克帕特里克认为，这些化石及其他一些神秘的化石肯定是海绵组成的。他开始从中寻找作为海绵特征的骨针。的确，他从中发现了骨针。我们可以确信，在某些情况中，柯克帕特里克再一次自欺了，因为他划归的“海绵”中无疑有苔藓虫。而且柯克帕特里克很快便根据钱币虫圈理论看待所有问题了。他并没有发表研究海绵时计划发表的论著。他因钱币虫圈理论而受到科学界的蔑视，同时他对珊瑚状海绵的研究也被人遗忘了。

柯克帕特里克私人印制的《钱币虫圈》一书的封面。关于这个封面，他写道：“封面的设计表示尼普顿在水球上。在他的三叉戟的一个叉头上，是一块岩石，形状像盘状的钱币虫，他的手上是一块陨石。这些象征着尼普顿的权势范围比朱庇特大，他的地位也比朱庇特高，他的权力的象征——霹雳——表明他是真正的海神……尼普顿的霹雳紧握在手，一旦未来的反对者——那些无知的家伙，胆敢反对他的权势，尼普顿就将霹雳投向他们。”

柯克帕特里克在研究钱币虫和珊瑚状海绵时遵循了同样的研究方法，即根据抽象的、几何上的相似性，来推断一些物体有共同的起源，而从未有人想到要将这些物体联系起来，以至于他最后竟然“看到”期望的形式，当然，实际上有些形式显然并不存在。然而，我必须说明一下，他的两项研究中有一个主要的差别：柯克帕特里克关于海绵的观点是对的。

曾在牙买加海湾研究实验室工作的托马斯·戈鲁，于20世纪60年代研究西印度礁。在西印度礁的裂缝、缝隙和洞眼中，含有未发现过的一类大的动物群。戈鲁及其同事杰里米·杰克逊和威拉德·哈特曼做出了过去20年间动物学上最激动人心的一项发现，他们发现西印度礁中含有大量“活化石”。这个神秘的群落似乎是一个完整的生态系统，更现代的生态系统使这种生态系统变为稀有。这个群落可能很神秘，但组成的成员既非静止不变，也非罕见的类型。洞和缝隙的内部构成了礁石主要部分。在斯库巴潜水器问世之前，科学家无法到达这些区域。

在这种神秘的动物群中，两种成分最多：腕足动物及柯克帕特里克描述过的珊瑚状海绵。戈鲁和哈特曼描述了牙买加礁石斜坡前礁的6种珊瑚状海绵。这些物种构成了一种新的海绵纲（硬海绵纲）的基础。他们在早期研究过程中，重新发现了柯克帕特里克的文章，并且研究了他关于海绵与神秘的化石层孔虫及海刺毛之间关系的观点，他们写道：“是柯克帕特里克的看法，使我们将上面描述过的珊瑚状海绵与若干通过化石了解到的生物类群做了比较。”他们表明（我认为他们的观点很有说服力），这些化石的确是海绵。这项重大的动物学发现解决了古生物学中的一个著名的问题。然而老疯子伦道夫·柯克帕特里克早就知道了这一点。

当我写信向哈特曼询问有关柯克帕特里克的事情时，他告诉我，不能根据他的钱币虫圈理论来简单地判断他，因为他的海绵分类工作很扎实。但是我之所以尊敬柯克帕特里克，既是因为他的海绵研究，也是因为他那不可思议的钱币虫圈理论。我们嘲笑、不理睬一个疯狂的理论很容易，但这样便不能理解一个人的动机，钱币虫圈就是一个疯狂的理论。我对富有想象力的人比较感兴趣。他们的观点可能是错的，甚至是愚蠢的，但是应该仔细研究他们的方法。只有具有诚实情感的人才会有合理的统一观，或才会去关注那些有价值的异常现象。不同的鼓点常能击出丰富的节奏。

23
深海虫与始动物

当托马斯·亨利·赫胥黎的小儿子（赫胥黎称他是“我们的欢乐和喜悦”）死于猩红热时，查尔斯·金斯利想用诸如灵魂不死之类的夸夸其谈来安慰他。赫胥黎曾发明过“不可知论”这个词来描述自己的情感，他感谢了金斯利的关心，但拒绝了那种缺乏根据的、不痛不痒的安慰。此时他讲了一段有名的话，后来的许多科学家用这段话作为指导行为的箴言。他写道：“我的工作是使我的愿望符合事实，而不是使事实与我的愿望协调……像一个小孩儿一样在事实面前俯首，时时刻刻准备放弃任何事先构成的观点，老老实实地走自然引导的道路，无论走向何方，无论是不是走向地狱。否则你什么都学不到。”赫胥黎的情感很高尚，他的悲伤很感人。但是，赫胥黎并未恪守自己的诺言，而且任何有创造力的科学家也未恪守过。

伟大的思想家在事实面前并不是被动的。他们向自然发问，他们并不是老老实实地跟在自然的后面。他们有希望和预感，而且他们按照自己的见解来建构这个世界。所以，大思想家才犯大错误。

在重大错误的浩卷中，生物学家专门写下了一篇很长的章节，他们设想应该存在符合理论预期的动物。伏尔泰在开玩笑时讲出了一句真理：“如果上帝不存在，那么有必要发明一个上帝。”在进化论问世不久，产生了两个相互有关的虚构怪物。按照达尔文学说的标准，这两种动物应该存在，但不曾存在。托马斯·亨利·赫胥黎是其中一个怪物的教父。

在多数特创论者看来，生命物质与非生命物质之间存在间隔并不是一个特殊的问题。是上帝创造了生命物质，生命物质完全不同于岩石和化学物质，生命物质更高级。进化论者试图填补这些间隔。德国的重要达尔文主义者，同时也是早期进化论者中最富猜测力和想象力的人——恩斯特·海克尔，为了将所有的物种联系起来，设想出一些生物。低等的阿米巴不能作为早期生命的典型，因为它的体内已经分化出细胞核和细胞质，显然比原始的不定形状态进化得多。所以，海克尔设想存在只有不成型的原生质组成的一种更低等的生物，原核生物。（从一个方面看，他是对的，我们今天仍用他发明的名字来指称细菌和蓝绿藻界。按照海克尔的标准看，这些生物都是成型的，但却没有细胞核和线粒体。）

海克尔将原核生物定义为：“完全同质且不成型的物质，是活的白蛋白颗粒，能够进行营养和生殖。”他认为，原核生物是生物与非生物之间的过渡类型。他希望利用原核生物可以解决从无机物生长出生命这个令人头疼的问题，没有哪个问题比最复杂的无机物与最简单的生命之间存在着间隔这个问题更让进化论者感到棘手的了，这个问题也是支持特创论的最后一道防线。海克尔写道：“每一个真正的细胞都可以分成两个不同的部分，细胞核和细胞质。显然难以设想通过自然发生可以直接产生出这样的生物，但是比较容易设想的是，存在一种均质的有机物质，比如，由不成型的白蛋白体组成的原核生物。”

19世纪60年代，达尔文的支持者们把识别原核生物作为优先考虑的工作。原核生物的结构越是难以分辨，越是不成型，那就越令人满意。赫胥黎曾经告诉金斯利，他将追随事实，即使走到地狱也义无反顾。但是，当他在1866年研究海洋深处的样品时，他的观察却听任了他的希望和期待。他研究的是10年前采自爱尔兰西北海底的淤泥样品。他从中观察到一种形态简单的胶状物质，其中含有小圆形的钙质盘状物，叫球石。赫胥黎认为，这种胶状物是原始的原核生物，球石是原始的骨架（我们现在知道，球石是由藻类的叶脉碎片形成的，是作为生产者的浮游生物，当藻类死后，球石便沉入海底）。赫胥黎为了纪念海克尔的预言，将这种胶状物命名为海克尔深海虫（Bathybius Haeckelii ）。他写信告诉海克尔：“我希望您坦然接受您的教子。”海克尔在答复中说，他“太得意了”，还在结束时用了一句战斗口号：“万岁，原核生物。”

海克尔当初画的深海虫，其中的盘状结构是白蛋白中的球石。

因为没有什么能比一个预期的发现更令人信服的了，于是在其他地方也相继发现了深海虫。查尔斯·怀威尔·汤普森从大西洋深处采集到一些样品，他写道：“这些淤泥实际上是活的，它们黏在一起，像是蛋清把它们混在一起似的，利用显微镜可以证实这些黏性物质是有生命的肉足类。赫胥黎教授……称之为深海虫。”（肉足类是单细胞的原生生物。）海克尔秉承一贯的习性，不久概括并想象整个海底都覆盖着可以蠕动的、活的深海虫层，并将深海虫视作浪漫主义自然哲学中的Urschleim（基本黏性物），海克尔年轻时曾很崇拜自然哲学家（歌德也是其中的一员）。赫胥黎则一改过去的持重，他在1870年的一次讲演中宣称：“深海虫在海床上形成生命的浮沫或浮层，遍布成千上万平方公里……深海虫可能形成了覆盖整个地表的生命物质浮层。”

从空间上看，深海虫无处不在，但从另一个范畴——时间上看，深海虫却留下很大的空缺。这时第二种虚构的怪物登场了。

加拿大始动物（Eozoon canadense ）就是及时出场的生物。化石记录给达尔文带来的烦恼多于欢喜。尤其令人头疼的是寒武纪爆发，所有复杂的生物式样几乎同时出现，不是在地球历史的开始，而是地球的历史已经过了5/6时间之后。反对达尔文的人认为，寒武纪爆发之时，正是特创之日，因为在达尔文写《物种起源》时，还没有发现前寒武纪时生命的任何踪迹（我们现在发现，在前寒武纪早期岩石中存在大量的原核生物，见文章21 ）。最受欢迎的莫过于前寒武纪生物，越简单，越不成型，就越好。

1858年，一位参加加拿大地质考察的采集者，在世界最古老的岩石中发现了一些奇特的样品。这些样品比较薄，层状结构，有同心圆，成分或者是蛇纹石（一种硅酸盐），或者是碳酸钙。考察队的领队威廉·洛根认为，它们可能是化石。洛根把这些样品给了一些科学家看，但赞成他的看法的人不多。

1864年，洛根在渥太华附近发现了一些更好的标本，他把这些标本送到加拿大著名古生物学家、迈克吉尔大学校长J.威廉·道森那里。道森从这些样品的方解石中发现了“有机的”结构，包括管道系统。他认为同心圆层是巨形有孔虫的骨架，只不过形成的时间非常漫长，比它任何现存的亲属存在的时间都要长百倍。他把该样品命名为加拿大始动物。

道森很得意自己的发现。达尔文在《物种起源》的第四版中提到了始动物，他欣喜地说：“不可能再怀疑它的有机性质。”（滑稽的是，道森本人倒成了坚定的特创论者，他大概是最后一位明确反对进化论的人。1897年，他写了一本名叫《早期生命的遗迹》的书，这是一部关于始动物的书。他在书中提出，简单的有孔虫类在地质时间中一直保存了下来，从而证明自然选择理论错了，因为任何生存斗争都应使更高等的生物取代像有孔虫这样低等的生物。）

人们注定要把深海虫和始动物结合起来考虑。它们具有人们期望的特性，弥漫、不成型，差别只是始动物有不相连的骨架。始动物没有壳的话，就是深海虫。也可以说两种生物的关系很密切，是生物相似性的样板。著名生物学家、当时支持这两种生物是真实存在的W.B.卡朋特写道：

假如深海虫……外表有壳，外形上就会很像始动物。而且，正如赫胥黎教授证实的那样，深海虫生活的范围很广，不仅生活在深海，而且生活在不同温度的环境中。所以我肯定会认为在整个地质时期，深海虫一直存在……我完全会相信在整个地质时期一直存在始动物和深海虫。

这种观点令进化论者兴奋！预想中的不定型生命物质找到了，它跨越了整个时间范畴，遍布空间的各个地方，覆盖了神秘的大洋底部。

在我讲述两种生物的衰落之前，我想先谈一下原始文献中从未记载和维护过的一种偏见。参加争论的所有人都毫不迟疑地承认一个“明显的”真理，即原始生命应该是均质、弥漫和混乱的。

卡朋特写道，深海虫“比海绵低等，因为更不确定”。海克尔宣称，“这种生物的原生质是最简单、最早期的形式。即，没有确定的形状，没有个体特征”。按照赫胥黎的看法，生命不具有内在复杂性的细胞核表明，生命的组织化起源于构成了不确定的生命，而不是相反。深海虫“证明在细胞核中不存在任何神秘的力量，而且表明，生命是生物物质分子特性的表现形式，组织化是生命的结果，而不是生命是组织化的结果”。

但是，我们想一想这个问题，便会问，为什么应该认为不定型就是原始的呢？从现存的生命看，无法得出这种观点。病毒基本上没有调节和重复形态的能力，最简单的细菌也具有确定的形状。有一个分类群，其中既含有阿米巴这种蠕动、没有组织化的类型，又含有放射虫这种具有很漂亮很复杂并且规则化的类型。DNA是组织化的奇迹。沃森和克里克通过建造一个精确的装配式结构的模型，表明了DNA的结构，并且证明片段之间都是嵌合的。我并没有倡导所有组织化都具有规则性这种毕达哥拉斯主义的观点，但是我认为，将不定型看作原始的特性，所依据的是一种过时的把进化比作进步的观念，即把生命的历史比作一个梯子，在这个梯子上，非生命的物质经历了各个复杂的阶段后，必然要发展为像我们人类这么高贵的形态。自我确实可以完善，但是我们的世界并非也经历了不断的完善。

深海虫和始动物的“寿命”毕竟还没有维多利亚女王的寿命长。还是那位查尔斯·沃威尔·汤普森，他曾经热情地提出，深海虫是一种“胶状物质……仍然活着”，后来，在19世纪70年代，他成了挑战者号科学考察船上的首席科学家，这是一次著名的对世界海洋的考察。挑战者号的科学家一再试图找到深海淤泥中新鲜的深海虫样品，但是没有成功。

当科学家为了便于后来的分析而保存样品时，他们常用的方法是加进酒精来保存有机物质。赫胥黎当初就是在加有酒精保存了10年的样品中发现深海虫的。挑战者号考察队的一位成员注意到，只要在新鲜的样品中加入酒精，便会出现深海虫。于是，考察队的化学家分析了深海虫，发现那只不过是胶状硫酸钙沉积物，是淤泥和酒精反应的产物。汤普森写信告诉了赫胥黎这件事，赫胥黎没有什么抱怨，被迫承认了错误（或按照他的说法，默认了）。而海克尔，正像人们料想的那样，依然固执己见，但深海虫却静静地消失了。

始动物存在的时间也不长。道森不顾有些科学家的尖锐批评，直到死都顽固地维护始动物的真实性。1897年，他针对一位德国人的批评，评论道：“我不怀疑马比乌斯在某些特殊的看法上是出色的，但是他作为德语期刊的编辑，发表的文章中既欠公允又乏准确，这是对科学犯下的一种不可原谅、不能忘却的罪行。”这时，只有道森一个人还在孤零零地死守着（当然，文章22 中谈到的柯克帕特里克后来以更古怪的方式复活了始动物）。所有科学家都认为始动物是无机物，是在热和压力作用下变形的产物。实质上，只能在高度变形的岩石中，在一些很难预料能找到化石的地方，才能找到类似始动物的样品。进一步的证据是，在1894年维苏威火山喷发的石灰石中发现了类似始动物的东西。

从此以后，科学家一想到深海虫和始动物就感到尴尬，恨不能忘得一干二净。做得还真成功，我敢说，现代的科学家中只有不到1%的人听说过这两种虚构的生物。那些受旧的（而且不合理的）传统熏陶出来的历史学家，也不去触及这个问题，他们以为科学就是成功地消除错误并获取真理的过程。我们除了感到好笑，或进行一番道德说教式的概括，说些“不准这么干”之类的话以外，能从错误中得出些什么呢？

现代的科学史学家很重视这些有启发性的错误。它们在当时是站得住脚的，而且与我们这个时代的判断标准无关。我们不能用20世纪的标准去衡量所有时代。科学一直是当时的流行文化、个人的乖僻和有限经验相互作用的产物。于是，深海虫和始动物在20世纪70年代受到了自它们沉沦以来最大的关注。（我写这篇文章受到C.F.奥布莱恩关于始动物和N.A.拉普克及P.F.雷伯克关于深海虫文章的很大启发，并按图索骥，找到了一些原始文献。雷伯克的文章尤为透彻和深刻。）

大凡科学，并没有多少是十分愚蠢的。一旦我们深入探讨一些错误的历史氛围，并且不根据我们现在的“真理”标准去判断，我们便会发现，那些错误都有合理的理由。它们一般富有启发性，并不叫人尴尬，而且它们是氛围变更的标记。出色的思想家都有创造系统观念的想象力，也许世上各种各样的人并不赞成那些观念的所有细节，但是伟大的思想家有勇气（或冒险精神）让他们的观念经受评判。研究有启发性的错误，并不是对由傲慢产生的过失进行说教。我们应该通过研究认识到，深刻的洞见与重大的错误是一个钱币的两面，每一面有相同的价值。

深海虫确实是一个有启发性的错误，它帮助了先进的进化论这个更重要的真理。它提出了跨越时空的原始生命这一迷人的见解。正如雷伯克指出的那样，深海虫同时扮演了多个角色，它是最低等的原始动物形态、细胞的基本单位、所有生物的进化前驱、化石记录中第一种有机物、现代海洋沉积中的主要成分（以球石的形式），还是营养缺乏的深海中高等生命的食物。当深海虫被否定后，它所确定的问题依然存在。深海虫激发了大量有成果的科学工作，并使我们明确了什么是应该关注的重要问题。

科学中的正统观念会像宗教中的正统教义一样顽固。我不知道除了凭借能激发出非常规性并极有可能含有启发性错误的丰富想象力外，还有什么办法可以动摇正统学说。正如意大利著名经济学家维尔弗雷多·帕累托所说：“丰富的错误中，含有正确的种子，它们凭借错误之间的相互修正而萌发。这样你就可以获得大量的真理。”还有一个人，他就是托马斯·亨利·赫胥黎，他在没有陷入悲伤，并且没有与别人发生激烈论战时，曾经说过：“没有理性地坚持真理，可能比理性地坚持错误更有害。”

24
我们的祖先是一个海绵细胞吗

1979年12月31日，我阅读了十几份《纽约时报·周日版》。在那段由于人为的变化招致不景气的时期，报纸的显著特征是充斥了有关“买进”“卖出”的预测。什么股在80点抛，在70点进？什么股在70点时不理睬，到80点时再关注？

当代泛滥的猜想，使我的心驰向上一个世纪之交，联想到生物学中广义的进与出。19世纪生物学的热点问题到了20世纪成了明显的冷门，但我有时却很喜欢这类问题。另外，我还相信，在这个世纪余下的几十年，新的方法会使它们复活，成为人们关注的重要问题。

达尔文的革命使一代博物学家将重建生命树当作进化的主要问题来研究。他们像所有从事新事情的人一样，大胆而雄心勃勃，他们并不看重一些细枝末节（如狮子与老虎的关系），或者普通的分支（如鸟蛤与河蚌之间的关系），他们寻找的是主干和连接主干的主枝：植物与动物的关系如何？脊椎动物起源于哪种动物？

虽然他们的观点错了，但他们也有从零星材料中找出答案的方法。例如，按照海克尔的生物发生律，个体的发育重演系统的发生，一个动物在胚胎发育过程中展示了自然状态下谱系的进化历程。通过对于胚胎的简单观察，也可以揭示出祖先按适当规则的相应变化。（当然，实际上并没有这么简单。重演论者清楚地知道某些胚胎阶段代表了直接的适应，而不是祖先阶段的再现；他们也认识到，有些发育阶段可能是由于不同器官的发育速度不同，而导致的交错甚至颠倒。然而他们相信可以识别和分辨出这些“表面”的变化，从而理清与祖先的发生相互平行的阶段。）后来反对“种系发生”研究的E.G.康克林在回忆海克尔定律的诱惑性时说：

这是一种方法，它承诺，比起挖掘埋藏的古代遗迹来，可以揭示出更多的秘密，也就是说，可以展示出生居在地球上多种多样生物的一个完整的谱系树。

但是世纪的转换也宣告了重演论的瓦解。重演论的衰亡主要由于孟德尔遗传学（1900年重新发现）证明重演论的前提不可靠。（“成体的平行发生”要求在进行过程中将新的阶段加到个体发育中祖先性状的末尾。但是倘若新特征是受基因控制的，而且基因必然在胚胎发育的任何时刻都存在，那么新的特征为什么不应该在胚胎发育的任何阶段或以后的生长中表达呢？）重演论的辉煌已成往昔，根据胚胎现在的适应便可以分辨并再现祖先的特征这个假说早就不牢靠了。胚胎中缺失的祖先发生阶段太多，产生出的令人困惑的现象也太多。运用海克尔的定律只能得出大量毫无成效的矛盾论点，并不能建造一个清晰的生命树。在建造生命树的人当中，一些人认为脊椎动物来源于棘皮动物，另一些人则认为来源于环节动物蠕虫，还有一些人认为来源于鲎。E.B.威尔逊曾倡导用“精确”的实验方法取代全凭猜测的“种系发生”研究，他在1894年抱怨过：

有理由指责那些形态学家，他们的科学研究拘泥于有关谱系发生的大量猜想和假说，其中的许多假说和猜想又互相排斥，缺乏任何明确的标准来评估相对的可能性。真实的情况是，这类研究太频繁地得出无聊的猜测，根本不值得视为科学。如果现代的学者，尤其是受过更精确的科学方法训练后，将研究系统发生的形态学视为充满猜测的迂腐学问，不值得认真看待的话，那毫不奇怪。

种系发生研究不再受到普遍的关注，但是不可能使一种实质上令人激动的课题消失。（我说的是高层次上的系统发生——主干和主枝。至于枝杈和小分支，只要证据更准确，研究的进展依然迅速，得出的结果同样更加可靠，只不过不太引起人们的注意罢了。）我们无须用“根”的意识来提醒我们，谱系研究会得出使人们都感到着迷的结果。倘若我们因为发现我们的祖上曾生活在海外一个小村庄就感到满足的话，那么进一步向前追溯，便是生活在非洲的一种猿、一种爬行类、一种鱼、一种尚不清楚的脊椎动物祖先、一种单细胞先驱，甚至直到生命本身的起源，那样则确实太可怕了。不幸的是，人们可能会执拗地以为，我们越向前追溯，了解的就越少，但发现的东西却越迷人。在这篇文章中，我要讨论种系发生研究中的一个经典问题，说明这个问题给我们带来的欣喜与失望，但问题本身却依然没有解决，这便是多细胞动物的起源。

理想的办法是，我们利用简单的经验方法来解决这个问题。我们有希望找到原生生物（单细胞祖先）与后生动物（多细胞后代）之间确凿而完整的化石序列吗？我们还是彻底放弃这种希望吧：软体动物出现于寒武纪爆发（6亿年前）之前不久，它们不能形成化石，直到寒武纪才出现大量可以石化的动物。最初的后生动物和原生生物相似，就像现存的最简单的后生动物与原生生物相似一样。我们必须看一下现在生活的生物，也许能从中发现一些保留下来的祖先痕迹。

谱系重建的方法并不神秘。这种方法是研究假设的亲戚之间的相似性。然而，可惜“相似性”并不是一个简单的概念。相似的形成有两个根本不同的原因。在确定进化树时要严格区分这两种相似性，一种代表了谱系的变化，另一种则会使我们误入迷途。两种生物可能因为来自共同的祖先，而保持了同一特征，这是同源性相似，用达尔文的话说，这种相似是一种“由来的近似”。在多数教科书中，人、海豚、蝙蝠和马的前肢是典型同源性的经典例子。它们的外形不一样，功能不同，但却由同样的一些骨骼构成。

两种生物虽然没有什么关联，但是在各自独立的谱系中发生了类似的进化变化，也可能形成相同的特征。这是同功性相似，这类相似是谱系研究者棘手的问题，因为它们不符合我们朴实的期望——看起来相像的事物应该有密切的关系。在许多教科书中，鸟、蝙蝠和蝴蝶的翅是标准的同功性例子，而这些生物的祖先都没有翅。

有关方法的认识，是我们在识别生命树的主干和主枝时面临的另一个困难。所有博物学家，从海克尔时起（甚至比他还早），都宣称他们使用的是正确程序：将同源相似与同功相似的分开，放弃同功相似，只根据同源相似建立谱系。海克尔的生物发生律就是这样一个程序，可惜对同源性的识别并不正确。但博物学家的目的却一直非常清楚。

广义地说，我们知道如何甄别出同源性。同功性是有限的，同功性可能使两种无关的谱系具有明显外在的功能相似，但是同功性不会使上千个复杂、独立的部位以相同的方式改变。精确的相似肯定是同源的。可惜，我们并没有足够的信息使我们确信存在这种相似。当我们将原始的后生动物与原生生物作为可能的亲戚进行比较时，我们能够找到的用作比较的共同特征很少，少得使我们无法确定二者之间有同源关系。而且，小的遗传变化常常对外在的成体形态有很大的影响，因此，看起来奇怪而复杂的相似，可能不止出现过一次，实际上记录的也许是一种简单而重复的变化。最重要的是，我们比较的也许不是有代表性的生物，只是类群中的异类。从原生生物向后生动物的转变发生在6亿年前。所有真正的祖先和最初的后裔在几亿年前就不存在了。我们只能希望从现存的类型中可以找到保留下来的一些可以分辨的特征。然而，即使那些特征保留下来了，也肯定发生了变化，并且表现出特定的适应特征。我们怎么能区分最初的结构与后来由于新适应发生改变的特征呢？任何人都感到茫然。

在关于后生动物起源于原生生物的解释中，只有两个方案博得了一定的赞同。按照第一种方案（合并说），一群原生生物的细胞聚到一起，作为一个集落生活，不同区域的细胞进化出不同的功能，并且最终成为完整的结构；按照第二种方案（分开说），在一个原生生物的细胞中形成不相连的细胞。（还有第三种方案，认为子细胞在细胞分裂后不分开，现在赞成这种方案的人很少。）

在我们开始探讨之前，我们先看一下同源性的问题。多细胞生命是如何产生的？是一次产生的吗？一旦我们确定多细胞动物最初是如何产生的，我们就能清楚地知道所有动物的发生吗？或者多细胞动物是多重进化的吗？换句话说，各种多细胞动物谱系是同源的还是同功的？

人们通常认为，最原始的后生动物类群海绵显然是按照第一种方案，即合并方案产生的。事实上，现存的海绵不过是有鞭毛原生生物的疏松聚合体罢了。在有些海绵物种中，众多细胞由细丝在海绵中连在一起。这些细胞独自运动，聚成一个个的小团，分化并再生出原来形状的海绵。如果所有的动物都起源于海绵，那么动物界中的多细胞生物就是同源的，而且是通过合并方式产生的。

但是多数生物学家认为，海绵是进化中的一个旁支，没有后裔。多细胞生物毕竟很有可能经常发生独立的进化。多细胞生物表现出同功相似的两种主要特征：一是同功相似的建立并不复杂；再者，同功相似既是高度适应的特征，又是使生物受益的唯一途径。而单个细胞，即使是鸵鸟蛋，也不可能变得更大。对于那些不受单细胞体积微小限制的生物来说，更适应地球上的物理环境。（例如，生物只有大到一定程度，才能具有一定的稳定性，因为这样重力会抵消作用在体表的力。由于表面积/体积比值随着生物的变大而降低，因此，体积的增加是确保稳定性的最佳途径。）

不仅多细胞生物在三个著名的高等生物界（植物、动物和真菌）是分别进化的，而且在每一个界中多细胞生物大概也经过了多次产生。多数生物学家都认为，植物和真菌的多细胞结构是通过合并起源的，就是说，它们都是原生生物集落的后代。海绵也是通过合并产生的。然而，这样我们就可以认为，虽然同一界和不同界的多细胞生物具有同功性，它们的进化途径在任何时候都基本相同吗？原生生物中也有集落的形式，也表现出细胞的规则排列，也有初级的分化。还记得在高中实验室中看到的团藻集落吗？（事实上，我必须承认，我那时没有看过。我在纽约上公立高中时，苏联的人造卫星还没有上天。我们学校根本没有实验室，直到我离开高中后，才有了实验室。）有些团藻形成集落时，细胞的数目是确定的，而且形成的方式也比较有规则。团藻中的细胞大小可能不同，生殖功能可能仅限于某一端。如果海绵也是这样，能算是一个飞跃吗？

只有分析动物时，我们才能依据另一种方案。某些动物，包括我们人类，是通过分开的形式产生出多细胞类型的吗？要回答这个问题，我们首先要解决动物学中的一个最古老的谜：刺胞动物门（珊瑚及相关的种类，还包括漂亮、半透明的栉水母动物）的地位。所有人几乎都认为刺胞动物以合并的形式形成了多细胞，难题是它们与其他动物门之间的关系。几乎任何可能的方案都有支持者：刺胞动物是海绵的后裔，而刺胞动物本身则不是任何动物的祖先；刺胞动物是动物界中一个单独的分支，没有后裔；刺胞动物是所有“高等”动物门的祖先（这是19世纪流行的看法）；刺胞动物是某种更高等动物门退化的后裔。如果后两种方案中的任何一种可以成立的话，那么我们的问题便解决了——所有的动物都是以合并的方式形成多细胞的，或许发生过两次（一次产生出海绵，另一次产生出其他所有动物）。但是，如果“高等”动物门与刺胞动物没有密切的关系，如果刺胞动物代表了动物界中的第三种独立的进化，那么就必须认真考虑分开产生多细胞的方案了。

支持高等动物是分别起源的人，一般认为扁形动物门（扁形虫）可能是祖先。厄尔·汉森是卫斯理大学的生物学家，他坚决支持高等动物起源于扁形动物，并且认为是以分开产生多细胞的方式产生出高等动物的。如果他的反传统观点获胜的话，那么高等动物，当然包括人类，大概只是以分开的形式形成了多细胞，而不是以合并的形式形成多细胞。

汉森的观点来自对原生生物中的纤毛虫（其中有人们熟悉的草履虫）与“最简单的”扁形虫、无体腔动物（因没有形成体腔而得名）之间相似性的研究。许多纤毛虫在其单一的细胞内保留了许多核。如果细胞的分开是由于细胞核的分开，产生的生物很像无体腔的扁形虫，那么能证明那些动物同源吗？

汉森发现，多核的纤毛虫与无体腔动物之间有很多相似性。无体腔动物是很小的扁形蠕虫，有一些可以游动，很少能生活在水下250米以下。多数无体腔动物在浅海的海底爬行，生活在礁石下或沙土、淤泥中，它们的大小与多核的纤毛虫差不多（并非所有的后生动物都比原生生物大，最大的纤毛虫为3毫米，最小的才有1/100毫米，有些无体腔动物的身长则不足1毫米）。纤毛虫和无体腔动物的内部构造比较相似，主要是它们的内部构造都很简单。例如无体腔动物，不同于常见的后生动物，既没有体腔，又没有相应的器官。纤毛虫和无体腔动物没有专门的消化、分泌和呼吸系统。它们像有纤毛的原生生物一样，可以形成暂时的食物液泡，利用这些液泡进行消化。纤毛虫和无体腔动物的身体大致可以分成内层和外层。纤毛虫保留着内层和外层，它们的核集中在外层。无体腔动物的内部区域主要用来消化和生殖，外部的区域则用于运动、防卫和获取食物。

这两个类群也有一些明显的差别。无体腔动物具备有一定复杂性的神经网和生殖器。例如，有些无体腔动物已经有雄性生殖器，可以彼此穿透身体进行体内受精。无体腔动物受精后有胚胎发育过程。相反，纤毛虫没有具备组织化的神经系统，纤毛虫通过裂殖而分开，而且虽然它们通过一种叫作接合的过程而进行有性的接触，但却没有胚胎发育过程（在接合中，两个纤毛虫结合在一起，交换遗传物质，然后它们便分开，后来每一个纤毛虫经过裂殖形成两个子细胞。在几乎所有的后生动物中，性与生殖是结合在一起的，而在纤毛虫中则是两个过程）。当然，更明显的差别在于，无体腔动物由多细胞组成，而纤毛虫本身则是一个细胞。

这些差别并不排除二者存在紧密谱系关系的可能。首先，正如我前面提到的，现存的纤毛虫和无体腔动物距它们可能的共同祖先已有5亿多年了，它们都不是多细胞起源时的转变类型。争论的焦点并不在于二者的相似性，而在于最古老也是最基本的问题：这些相似是同源的还是同功的？

汉森认为是同源。他提出，无体腔动物的简单化属于扁形动物中的古老状况，即纤毛虫和无体腔动物之间的相似性，主要是它们的构造简单性的结果，记录了它们之间的谱系关系。反对他的看法的人则认为，无体腔动物的简单化是它们由更复杂的扁形动物“退化”进化的附属结果，于是导致无体腔动物明显变小。体形更大的涡虫纲动物（含有无体腔动物的扁形动物类）有肠和排泄器官。如果无体腔动物的简单化属于涡虫纲动物中的一种衍生出的状况，那么无体腔动物就不是从纤毛虫品系直接遗传的产物。

不幸的是，对于汉森提到的那些相似特征，究竟是同源还是同功，一直无法达成共识。要说那些特征是同源的，则相似性太模糊，而且特征的数量太少。许多相似性主要由于无体腔动物缺乏复杂性；在进化中失去一些特征很容易，而且会重复发生，但分别发展出精确的固有结构却不太可能。而且，无体腔动物个头儿太小，所以简单化是预料中的结果，可能是与纤毛虫的一种功能上的趋同，只要身体大小差不多，都会出现这种附属现象，与由来无关。我们可以再一次援引表面积与体积比的原理。许多生理功能，包括呼吸、消化和排泄，必须通过体表面进行，这样才能使整个身体受益。大型动物的体表面积与内部体积的比很低，它们必定要进化出内部器官增加更多的表面积（从功能上看，肺只不过是由许多使表面积增大的囊组成的气体交换场所，而肠则是由许多使表面积增大的层叠结构组成的食物通道）。但是小型动物的体表面积与内部体积的比却很高，它们通常只通过外表面便能进行呼吸、进食和排泄。比扁形动物复杂的许多动物门中的最小种类也没有内部的器官。例如，最小的蜗牛（Caecum ）完全失去了内部呼吸系统，它通过体表吸入氧。

汉森提到的其他相似性可能是同源的。但是那些相似性在其他动物中太常见了，所以只表示所有原生生物与后生动物之间更广义上的相似，而不表明是特定的由来途径。有意义的同源仅仅指那些具有共同由来和衍生的性状（在两个具有共同祖先的类群中，衍生的性状是它们特有的进化性状，是谱系关系的标志。而另一方面，具有共同的原始性状的类群，并不一定有由来的关系。纤毛和无体腔动物都有DNA，这并不表明它们有亲缘关系，因为所有的原生生物和后生动物都有DNA）。因此，汉森提出具有“完整的纤毛”是“纤毛虫和无体腔动物都有的固定性状”。但是纤毛虽然是同源的，却是原始的性状，许多其他类群，包括刺胞动物，也有纤毛。另一方面，完整的纤毛是一种“容易”产生的进化事件，所以完整的纤毛可能是纤毛虫与无体腔动物的同功相似的特征。体表面积决定了固着纤毛的数量。小型的动物，由于表面积/体积比值很高，可以靠纤毛来运动；大型的动物，体表面积相对减少，不可能靠固着的纤毛来驱动整个身体。无体腔动物具有完整的纤毛，这可能是体形小的附属适应特征。身体微小的蜗牛（Caecum ）也靠纤毛来移动，而它那些体形大的亲戚则靠肌肉的收缩来运动。

汉森当然知道，不可能用经典的形态和功能的证据来证实他那迷人的假说。他总结道：“我们顶多可以说，（纤毛虫和无体腔动物之间）存在许多发人深省的相似性，但并不存在明确的同源性。”是否还有另一种方法可以解决这个问题，或者我们应该承认无法解决这个争议？如果我们汇总一系列新的、数量足够、具有可比性、复杂的性状，便可以确定令人信服的同源性，因为同功性并不表现出细节的相似，不具有上千个相应部位的相似性。数学的或然性不允许这样。

幸运的是，我们现在有了得到这种信息的源泉——可比蛋白质的DNA序列。所有的原生生物和后生动物都有许多同源蛋白质。每个蛋白质都由长链的氨基酸组成，每个氨基酸由DNA中的三个核苷酸序列编码。编码的每个蛋白质的DNA中，含有按一定规则排列的成千上万个核苷酸。

进化的过程就是核苷酸的替换。当两个类群从共同的祖先分开后，它们的核苷酸序列开始不断发生变化，核苷酸变化的数量至少与分开的时间长短大致成正比。因此，根据同源蛋白质的核苷酸序列的相似性，便能测量出谱系分开的程度。研究同源性的人很重视对核苷酸序列的分析，因为核苷酸序列上代表了成千上万个独立的性状。每一个核苷酸的位置就是一个可能变化的位点。

现在的技术已经可以进行常规的核苷酸序列测定。我相信，10年之内，我们便可以分辨出用作比较的纤毛虫和后生动物中的同源蛋白质，排定它们的顺序，测定这些生物之间的相似性，更清楚地了解（甚至解决）这个古老的谱系发生之谜。如果无体腔动物和原生生物最相似，而且可能是通过在身体内进化出细胞膜从而形成多细胞结构的话，那么汉森的观点就是对的。但是，如果无体腔动物是原生生物的亲近，而且可能是通过形成集落后的整合来形成多细胞结构的话，那么经典的看法便胜利了，即所有后生动物都是以合并形成多细胞的方式产生出来的。

在20世纪，由于人们侧重于对生物适应的研究，使生物的谱系研究很不应该地衰落了，但是谱系研究的魅力并未丧失殆尽。比如，看一看汉森的方案中暗含的我们与其他多细胞生物的关系。动物学家几乎都赞同，高等动物成为多细胞生物的方式与扁形虫成为多细胞的方式差不多。如果无体腔动物是通过纤毛虫的多细胞化进化来的话，那么我们的多细胞身体就与单一的原生生物细胞同源。如果海绵、刺胞动物、植物和真菌的多细胞都是通过合并方式形成的，那么它们的身体便与原生生物的集落同源。因为每一个纤毛虫细胞与原生生物集落中单个的细胞同源，所以我们便可以得出结论（我确实是根据如实的含义），整个人类身体与一个海绵、珊瑚或植物中的单个细胞同源。

同源的奇妙途径还可以继续向前推。原生生物细胞本身可能由若干更简单的原核生物（细菌或蓝绿藻）的细胞共生进化而来。线粒体和叶绿体似乎是整个原核细胞的同源体。因此，根据谱系推断，原生生物的每一个细胞，以及后生动物的每一个细胞，都曾存在于原核生物的菌落中。那么，我们应该认为我们人类既与菌落的聚集体，又与海绵或洋葱表皮同源吗？当你再吃下一口胡萝卜或一口蘑菇时，再去想这个问题吧。

[1] 该人物出自19世纪英国作曲家沙利文和吉尔伯特的歌剧《天皇》。——译注

[2] 美国的一个节日，为的是纪念两次世界大战中阵亡的美国将士。1970年以前为11月11日，1971年以后改为10月份的第四个星期一。——译注

第七部分
它们曾被蔑视和抛弃

·恐龙愚蠢吗

·泄露内情的如愿骨

·自然中奇特的伴侣

·为有袋类申辩

25
恐龙愚蠢吗

当穆罕默德·阿里未能通过军队智力测验时，他俏皮地说（在这次测试中，他却没有表现出这么机敏）：“我只说过我是最伟大的，我从未说过我是最聪明的。”按照我们的比喻和童话，身高体大者总是智力贫乏，机灵是小个子的避难之宝。例如，兔兄智胜熊老弟，大卫用一个弹弓打倒了歌利亚，杰克被豆茎绊倒。迟钝是巨物悲惨的弱点。

19世纪恐龙的发现，成了一个典型的案例，说明身体的大小与聪明之间的反比关系。恐龙脑子很小，身躯庞大，是笨拙愚蠢的象征。它们的灭绝似乎只说明它们的身体构造有缺陷。

一般认为，像恐龙这样的庞然大物无法因为特有的优势——巨大的体力——而受益。上帝没有赞叹过庞然大物的智力，但他确实对其巨大的体力表示过惊奇：“看，它的精力全在它两腰，它的力量在它腹部的肌肉，它挺起尾巴像株香柏……它的脊骨好似铜管，它的骨骸有如铁杠。” [1] 另外，重建的恐龙都是迟缓和笨拙的。有一个标准的例证：雷龙涉过一个泥塘，因为它无法在陆地上支撑它那庞大的身躯。

从通用小学课本中，可以进一步证明正统学说的流行。我依然保留着三年级的课本（1948年版），是伯莎·莫里斯·帕克的《昨日的动物》，我承认是从公立女王学校偷来的（对不起，麦金纳尼女士）。在这本书中，一个小男孩儿（通过心灵传输到了侏罗纪）遇见了雷龙：

雷龙是巨大的，但你可以根据它的小脑袋知道，它肯定很愚蠢……这个庞大的动物行走和进食时动作很迟缓。它活动缓慢不足为怪，因为它那巨大的脚很重，巨大的尾巴很难拖动。你不必惊讶为什么雷龙喜欢待在水中，因为水能托起它巨大的身躯……巨型恐龙曾是地球之王。它们为什么消失了？你大概已经猜到了其中的部分原因……它们的身躯太大，脑太小。如果它们的身体再小些，脑袋再大些，可能还会生存下去。

在这个“彼此平等”的时代，恐龙的形象已经有了很大的改变。多数古生物学家现在倾向于认为，恐龙是精力充沛、有活力、有体能的动物。上一代人认为雷龙主要在池塘打滚，而这一代人则认为雷龙主要在陆地上奔跑。而且两个雄性雷龙，在为争夺雌性而进行的复杂搏斗中，还能将脖子扭在一起（很像长颈鹿可以扭曲的脖子）。现在的解剖重建，再现了恐龙的强壮和灵敏，而且许多古生物学家现在相信恐龙是热血动物（见文章26 ）。

热血恐龙的观点引起了公众的关注，已经发表了大量有关的著述。然而人们都很少关注恐龙的另一个已经证明存在的能力，我却以为，对于恐龙来说，这种能力和热血性有同样的意义。我指的是愚蠢与身体大小的相互关联。我在这篇文章中所支持的修正主义解释，并没有把恐龙捧为才智非凡的典范，但是却认为恐龙的脑根本就不小。就具有那么庞大身躯的爬行动物而言，恐龙的脑“正好”。

三角龙

格里高里·S.保罗

我不想否认，按照我们主观的头重必然脚轻的见解看，身躯庞大的剑龙的扁平状小脑袋里所含的脑量可能太少了，但是我想指出，我们不可能指望剑龙有更大的脑。首先，与小型动物相比，大型动物的脑相对而言比较小。在同源动物中（例如所有爬行动物，或所有哺乳动物），脑大小与身体大小的相关变化是规则的。从小型动物到大型动物，从老鼠到大象、从小蜥蜴到巨蜥，脑量是增加的，但是脑的增加不像身体的增加那么快。换句话说，身体的增加快于脑的增加，或大型动物的脑与身体重比低。事实上，脑增加速度仅为身体增加速度的2/3。因为我们并没有理由相信大型的动物比其小型的亲戚更愚蠢，所以我们必然会认为，大型的动物仅需相对小的脑就可以做得像小型动物一样好。如果不能认识到这种关系，我们就很可能低估大型动物——特别是恐龙——的心智能力。

其次，在脊椎动物的所有类群中，脑与身体大小的关系并不一样。所有脊椎动物的脑增长都具有同样的相对低于身体增长的速度，但是小型哺乳动物比体重相同的小型爬行动物的脑量大。体重更大的哺乳动物与爬行动物相比，至少也具有同样的差异，因为在两个类群中，脑增加的速率相同，都是身体增加速度的2/3。

腕龙

格里高里·S.保罗

所有大型动物的脑都相对比较小，同时，不同体重层次的爬行动物和哺乳动物相比，脑都要小。我们把这两个事实同时考虑，那么我们能指望大型爬行动物什么呢？答案是，它们的脑既不太大，又不太小。现存爬行动物的体积不及恐龙的一半，所以我们找不到现成的标准来建立有关恐龙的模型。

幸运的是，我们不完备的化石记录，这一次没有太令我们失望，它为我们提供了恐龙脑化石的资料。在许多恐龙种中，都发现了保存极好的颅骨化石，从中可以测定出颅量。（由于在爬行动物中脑并不充满整个颅腔，因此必然要采用一些具有创造性并且又合理的方法，根据颅骨来估计脑的大小。）利用这些资料，我们可以清楚地检验恐龙智力低下的传统假说。我们应该承认，以爬行动物做标准最为合适，恐龙的脑比人和鲸的脑小，则是无关紧要的问题。我们已经有了大量有关现存爬行动物脑及身体大小的资料。因为我们知道，在现存物种中，从小型身体到大型身体，脑增大的速度为身体增加速度的2/3，所以我们可以根据这一速度，来推断恐龙的脑，看一下恐龙的身体这么庞大，它们的脑是否符合我们根据现存爬行类所做的估计。

亨利·杰里森研究了10种恐龙的脑大小，他发现它们非常符合我们根据爬行动物推导出的曲线。恐龙的脑并不小，与它们这么庞大的爬行类相比，脑的大小正好。远远大于帕克太太解释恐龙时估计的脑量。

杰里森在研究时，并没有对不同种类的恐龙做一下区分。他研究的10种恐龙分别属于6大类群，不太适合相互比较。最近，芝加哥大学的詹姆斯·A.霍普森收集了更多的资料，做出了令人满意的发现。

霍普森没有适合所有恐龙的统一标准。因此，他针对每一个恐龙，比较了和我们预期体重相当的爬行类的平均脑重。如果恐龙的脑重正好在标准的爬行类脑重曲线上，那么它的脑值为1.0（叫作脑化系数，或EQ，是实际脑重与相同体重爬行类的标准脑重比）。如果恐龙的脑重位于曲线上方（比相同体重的标准爬行类的预期脑量还要重），EQ值大于1.0；位于曲线下方的EQ值小于1.0。

霍普森发现，主要恐龙类群的EQ值都高于平均值。这种情况与推断出的恐龙具有快速的奔跑速度、灵活性和进食中的复杂行为（或逃避被捕食）非常符合。巨型的蜥脚类雷龙及其近亲的EQ值最低，为0.20～0.35。它们的活动一定很缓慢，没有很大的灵活性。它们可能仅仅仰仗庞大的身躯来防止被捕食，就像今天的大象一样。接下来就是有甲壳的甲龙和剑龙，它们的EQ值为0.52～0.56。这些动物有沉重的甲壳，大概主要用于被动防御，但是，甲龙棒状的尾和剑龙短剑状的尾可能是用于主动搏斗的，从而使它们的行为具有一定的复杂性。

接下来的是角龙类，它们的EQ值为0.7～0.9。霍普森认为：“大型角龙类头上有角，主要采用主动防御的策略。它们在避开捕食者和种类竞争者时，大概比用尾巴做武器的恐龙需要更大的灵活性。小型的角龙类没有真正的角，大概要靠敏感和快捷来逃避捕食者。”鸟脚类（鸭嘴形恐龙及其近亲）是脑最大的草食类，EQ值为0.85～1.5，它们靠“敏锐的感觉和快速的奔跑”逃避肉食类。快速的奔跑大概需要比原地防御更敏锐、更灵活。在角龙类中，原角龙身体小，没有角，或许跑起来很快，它们的EQ值要比头上有三个角的三角龙更高。

肉食类恐龙比草食类恐龙的EQ值高，这和现在的脊椎动物一样。抓获迅速奔跑或顽强抵抗的猎物，要比摘采静止的植物需要更多的智力。巨大的兽脚类（霸王龙及其近亲）的EQ值从1.0至大约2.0。EQ值最高的恐龙，是体形不太大、好动的腔骨龙类中的窄爪龙，它们的EQ值高达5.0。窄爪龙要捕捉快速奔跑的猎物，其中包括小型哺乳类和鸟类，因此无论在发现还是捕捉到猎物方面，都要面临比霸王龙抓到三角龙还要大的挑战。

我并不想简单地声称，脑的大小等同于智力，或在这个案例中，声称脑大小等于行为的复杂性和灵活性（我不知道在人类中智力的含义是什么，对于一些灭绝的爬行动物类群的智力含义就更不了解了）。在同一物种中，脑大小与脑能力的关系不大（具有900毫升脑的人可以与具有2500毫升脑的人同样出色）。但涉及不同物种的比较时，当脑大小差异很大的情况下，似乎就有一定的道理了。我并不认为我们之所以可以取得比树袋熊（我很喜爱它们）大得多的成就，与我们的EQ值大大超过它们无关。恐龙中明显存在的等级差别也表明，即使用脑大小这个粗略的标准，也能说明一些问题。

如果行为的复杂性是心智能力的一种结果，那么我们很有可能通过恐龙中某些协调、聚集和识别的社会行为，揭示出恐龙心智能力的标记。我们做了这项工作，然而，在人们错误地认为恐龙的行为总也免不了迟钝时，忽视这些标记便不是偶然的了。已经发掘出许多恐龙的足迹，而且有证据表明，20多个恐龙能以平行的方式行走。某些恐龙是群居性的吗？在美国达文波特大牧场发现的蜥脚类恐龙的足迹中，小型脚印在中间，大型脚印在外边。某些恐龙的行进有可能很像今天高等的草食性哺乳动物那样，大型成体在外围保护中间的幼仔。

此外，对于生物学家来说，恐龙身体的某些结构显得太古怪，似乎没有什么用途，像壮龙精致的肉冠、鱼龙类突出的皱褶和角、肿头龙头上9英寸的硬骨，而现在这些可以得到合理的解释，它们是性展示和竞争中的装置。肿头龙可能会像今天的山羊那样用头来顶撞。某些壮龙的肉冠式样很像共鸣箱，它们进行吼叫比赛吗？鱼龙类的角和突出的皱褶，可能在争夺配偶的搏斗中充当剑与盾。由于这些行为不仅很复杂，而且表明恐龙有精细的社会体系，所以我们无法想象，具有这样社会体系的动物难道只会愚蠢地在泥里打滚。

但是最能说明恐龙能力的，可能也是最常被引为对它不利的事实——它们死亡了。在许多人看来，灭绝含有太多的含义，就像人们最近赋予性很多含义一样。性是一个相当有争议的问题，经常发生，但每个人的看法又不同，而且确实没有合适的圈子来讨论。但是灭绝像性一样，是生命不可缺少的一部分。灭绝是所有物种的最后归宿，并非只有身体构造式样不佳的不幸生物才灭绝。灭绝不是失败的标志。

恐龙最明显的特征不在于它们的灭绝，而在于它们在地球上主宰的时间太长。恐龙统治了1亿年，而那时的哺乳动物还是小型的动物，一直生活在恐龙世界的缝隙之间。哺乳动物占据统治地位7000多万年后，我们有了出色的成绩和美好的前景，但是我们哺乳动物现在并没有恐龙统治地球的时间长久。

这样看来，人类简直不值一提，就是从南方古猿算起，也才有500万年的历史。而我们这个种，智人种，仅有5万年的历史。用我们的价值系统试图做一个最终的测验吧：谁敢打赌说智人种会比雷龙生存的年代长？

26
泄露内情的如愿骨

我4岁时，梦想当一名垃圾工。我爱听罐头的噼啪声和压缩机的轰轰声，我当时想把纽约的全部垃圾都挤压在一辆大卡车中。后来，我5岁时，我父亲带我到美国自然博物馆看了霸王龙。当我们站在这个巨兽面前时，人显得是那样渺小。我惊呆了，情不自禁地叹道：“以色列！你要听。” [2] 但是这个巨大的动物不能活动，只是一堆硕大的骨头，我离开时宣布，我长大后要做古生物学家。

在20世纪40年代，满足一个男孩儿古生物兴趣的东西并不多。我记得的有《幻想曲》 [3] 、阿里·乌普 [4] ，还有博物馆商店里卖的一些仿古金属铸像，但它们的价格太贵，所以对我没有太大的吸引力。我主要对读过的一些书籍留下了一些印象：雷龙常在池塘里打滚，因为它在干硬的陆地上无法支撑庞大的身躯；霸王龙搏斗时很凶猛，但它笨拙，行走时很迟钝。总之，恐龙是迟缓、笨重、愚蠢的冷血动物。另外，还有一个证明它的过时、不适宜的最终证据：难道它们没有在白垩纪的大灭绝中被淘汰吗？

在传统的圆滑解释中，有一个方面总是令我迷惑：为什么这些有缺陷的恐龙曾经那么出色，而且统治的时间那么久？兽孔目爬行动物是哺乳动物的祖先，它们在恐龙兴起之前便已经衍生出众多种类，而且数量很多了。为什么不是它们，而是恐龙统治了地球？哺乳动物几乎是和恐龙同时进化出来的，但是在恐龙生活的1亿年间，哺乳动物一直个头儿很小，而且还不常见。如果恐龙真迟钝、愚蠢、无能，为什么那时哺乳动物未能占据统治地位？

在过去的十几年，一些古生物学家提出了一种引人注目的解答。他们认为，恐龙是敏捷、活跃的热血动物。而且，恐龙并没有灭绝，因为它们谱系的一个分支保存了下来，我们称之为鸟类。

我曾经承诺在随笔中不写有关热血恐龙的文章，这种新福音已经在电视、报纸和流行书籍中被广泛传播。那些有教养的、能够阅读我这些抽象文章的非专业人士，一定早已熟知这方面的情况。但是，我认为我有恰当的理由收回我的承诺。在近乎无休止的争论中，对两个中心的观点，即恐龙的温血性（热血动物）和鸟类与恐龙祖先之间的关系，一直存在广泛的误解。我还发现，恐龙是鸟类的祖先这个问题，是由于错误的理由引起公众关心的。而正确的理由，一般并没有被认识到，人们只是简单地将鸟类的祖先与热血恐龙联系在一起。这种联系支持了一种很极端的主张——重建脊椎动物的分类，将恐龙从爬行动物纲分出去，并将传统上分作纲的鸟纲降一级，命名一个新纲，恐龙纲，将鸟类和恐龙合在一起。这样，陆生的脊椎动物就成了四个纲：两个冷血动物纲，两栖纲和爬行纲；两个热血动物纲，恐龙纲和哺乳纲。对于这种新的分类，我还没有完全想通，但我欣赏其中的创造性及引用的论据。

鸟类的祖先是恐龙的观点已经不像刚问世时那么喧闹了，这个见解只不过是稍微改动一下系统树上的一个分支。人们从未怀疑最初的鸟（即始祖鸟）与一群叫作腔骨龙的小型恐龙类群之间有密切的关系。托马斯·亨利·赫胥黎和19世纪的绝大多数古生物学家都认为鸟类是从恐龙直接衍生出来的。

始祖鸟

格里高里·S.保罗

但是，由于一个简单但显然说得过去的理由，到了20世纪，人们并没有普遍赞同赫胥黎的看法。复杂的结构，一旦在进化中消失，就不会以同样的式样再现。这种看法所依据的并不是进化中存在神奇的力量，而是数学上的或然性。复杂的部分由许多基因建成，这些基因在生物的发育中以复杂的方式相互作用。如果复杂的部分被进化所淘汰，怎么能一个部分接一个部分地重新组建起来呢？反对赫胥黎观点的人根据的是一块骨头，这块骨头就是锁骨。在鸟类中，包括始祖鸟，锁骨结合成叉骨，叉骨就是桑德斯上校的朋友们所熟悉的如愿骨。而恐龙显然失去了锁骨，因此不可能是鸟类的直接祖先。这个论据可能是真实的，至少是无可指摘的。但是，后来的发现表明，这个论据显然站不住脚。

而且，甚至反对赫胥黎的人也无法否定，始祖鸟与腔骨龙类恐龙在构造的细节上相似。所以他们宁愿认为，鸟类与恐龙之间最可能的关系是共同从一个保留了锁骨的爬行动物类群中生出来，然后在一个世系（恐龙）中，锁骨消失了，而在另一个世系（鸟类）中，锁骨增大并结合在一起。最有可能的共同祖先是三叠纪槽齿类爬行动物假鳄类。

当许多人第一次听说鸟类可能是生存下来的恐龙时，可能会认为这个唐突的观点完全扰乱了人们已经接受的关于脊椎动物的观念。真理再多走一步就是谬论。所有古生物学家都认为，恐龙与鸟类有很密切的关系。当前争论的焦点是有关谱系分支点上的一个小小的问题：鸟类来源于假鳄类，还是来源于假鳄类的后代腔骨龙类恐龙。如果鸟类是从假鳄类中分生出来的，它们不可能是恐龙的后裔（因为那时恐龙尚未出现）；如果鸟类是从腔骨龙类恐龙分生出来的，它们便是恐龙主干上生存下来的唯一分支。因为假鳄类和原始恐龙看起来太像了，实际的分支点并不需要包含太多鸟类的生物。并没有人主张蜂鸟来自剑龙或三角龙。

对于许多读者来说，现在这样解释这个问题，实在太乏味了。不过，我马上就要提出，情况不是这样（根据另外的理由）。但是，我要强调，谱系上的这些环节是专业古生物学家们最关心的问题。因为重建生命是我们的工作，所以我们非常关心哪种动物从哪种动物中分生出来，而且，我们就像许多人热爱关心他们的家人一样，热爱关心我们喜欢的生物。多数人如果得知他们的表兄实际上是他们的父亲，即使这一发现并不涉及他们的身体结构，他们也一定会很在意。

耶鲁大学古生物学家约翰·奥斯特龙最近使这种恐龙理论复活了。他重新研究了每一个始祖鸟标本，一共有5个。首先，他否定了恐龙不是鸟类祖先的看法。至少有两种腔骨龙类恐龙有锁骨，它们有可能是鸟类的祖先。其次，奥斯特龙极其详细地表明，始祖鸟和腔骨龙类恐龙的结构非常相似。因为假鳄类没有始祖鸟和腔骨龙类恐龙的许多共同特征，所以，或者鸟类和恐龙是分两次进化出来的（也许假鳄类是鸟类和恐龙的共同祖先），或者二者仅发生一次进化，而鸟类则是从恐龙衍生出来的。

在进化中，分别发展出类似特征的情况很常见，我们把这种现象称作平行进化或趋同性。当两种类群具有同样的生命模式时，少量结构的简单改变便可以导致明显的适应变化——例如，南美有剑齿的有袋类食肉动物和胎盘类中的剑齿“虎”（见文章28 ）。但是，当我们发现两种类群的细微结构上存在一一对应的相似，而且并非出于适应的需要，我们必然会认为，这两种类群是由于有共同的祖先，才具有了相似性。于是，我承认奥斯特龙对鸟类起源于恐龙说的复兴。随着在某些腔骨龙类恐龙中发现了锁骨，恐龙作为鸟类祖先的主要障碍也就不存在了。

鸟类从恐龙进化而来，其中的含义是像某些流行观点认为的那样恐龙依然活着吗？或者，使这个问题更具操作性，我们应该将恐龙和鸟类分为同一类群，以鸟类作为恐龙唯一活着的代表吗？古生物学家R.T.巴克和P.M.高尔顿倡导的就是这种观点，他们提出用新的脊椎动物纲恐龙纲包容鸟类和恐龙。

解决这个问题要涉及分类学哲学中一个基本问题（很抱歉，这个热点问题太专业了，但是如果我们不能将分类学中的正式问题与生物学的结构及生理观点区分开，就会产生严重的误解）。一些分类学家提出，我们应该仅仅根据分支的图景来归类生物：如果两个类群从一个祖先彼此分开，而且没有后裔（如恐龙和鸟类），那么这两个类群在其中一个类群与其他类群结合（如恐龙与其他爬行类结合）之前，必须归为一类。在这个名曰支序（分支）分类学体系中，恐龙不可能是爬行类，除非鸟类也是爬行类。而且，如果鸟类不是爬行类，那么根据规则，恐龙和鸟类必定组成一个单独的新纲。

泄露内情的如愿骨，经《自然史》杂志允许，1977年11月。

版权所有：美国自然博物馆，1977年

其他一些分类学家则认为，分支点不是分类的唯一标准，他们也重视结构的适应性趋异程度。在支序系统中，牛和肺鱼比肺鱼和大马哈鱼有更近的亲缘关系，因为陆生脊椎动物的祖先是从肉鳍鱼类（一个包括肺鱼的类群）分生出来的，而那时肉鳍鱼已经从辐鳍鱼类（典型的硬骨鱼，从中演化出的类群中包括大马哈鱼）分生出来了。按照传统的分类系统，我们既考虑生物的结构，又考虑分支的图景，因而我们依然将肺鱼和大马哈鱼分在一起，因为它们具有很多水生脊椎动物的共同特征。牛的祖先历经大量进化转变，从两栖类到爬行类、哺乳类；肺鱼则停滞了，而且和2.5亿年前非常一样。一位著名哲学家曾经说过，鱼就是鱼。

传统的分类系统认为，类群分支后不等的进化速度是恰当的分类标准，一个类群可以由于明显的趋异而赢得独立的分类地位。这样，在传统的分类系统中，哺乳动物可能是一个独立的类群，肺鱼则可能与其他的鱼归在一起；人类可能是一个独立的类群，而黑猩猩可能与大猩猩归在一起（即使人类与黑猩猩分开的时间晚于黑猩猩与大猩猩分开的时间）。同样，即使鸟类是从恐龙中分生出来的，鸟类仍可以是一个独立的类群，而恐龙与爬行类归在一起。如果鸟类从恐龙类中分生出来后才发展出使它们取得了巨大成功的结构基础，而且，如果恐龙的结构特征基本上是爬行类的特征，那样的话，虽然从历史上看鸟类是从恐龙谱系中分生出来的，但鸟类也应该是一个独立的类群，而恐龙与爬行类则属于同一类群。

于是，我们终于谈到我们的中心问题，其中既有分类学中的专业问题，又有热血动物的问题。鸟类的主要特征是直接从恐龙那里继承来的吗？如果是，那样的话，尽管多数现代鸟类的生命模式（能飞翔，体形小）与多数恐龙的生命模式相差甚大，但是也应该承认巴克和高尔顿划分出的恐龙纲，毕竟蝙蝠、鲸和犰狳都是哺乳动物。

我们来看一下使鸟类适应飞翔的两个主要特征——起飞和推进的特征，以及为了飞翔这种剧烈的活动所需要的一直保持很高新陈代谢水平的热血性。始祖鸟有可能是从恐龙祖先那里继承的这些特征吗？

R.T.巴克就热血恐龙做了最简明的说明，他那引起争议的观点建立在四个主要的论据上：

1. 骨骼的结构。冷血动物无法使体温保持恒定，它们的体温随外界环境温度的变化而变化。结果，生活在季节变化剧烈（有严冬和酷夏）地区的冷血动物，在密质骨最外层发育出年轮，即，由于骨骼在夏天增长快、冬天增长慢，生长出不同的骨层（树的年轮当然记录的是同样的图景）。热血动物的骨骼没有年轮，因为它们的体温在任何季节都一样。生活在季节变化剧烈地区的恐龙的骨骼也没有年轮。

2. 地理分布。高纬度地区（远离赤道）没有大型冷血动物，因为它们在冬季日短的情况下，无法使身体暖起来，而且由于体形太大，无法找到安全的地方冬眠。有一些恐龙却生活在靠北的地区，它们必定忍受了冬季的长期日光稀少环境。

3. 化石生态学。热血食肉动物比体重相同的冷血食肉动物吃更多的食物，这样才能保持体温恒定。结果，当捕食者和被捕食者的体形同样大时，在冷血动物群落中捕食者的数量，要比热血动物群落中捕食者的数量相对多一些（因为冷血动物吃得比较少）。在冷血动物群落中，捕食者与被捕食者的比例为0.4:1，而在热血动物群落中，捕食者与被捕食者的比例还不过0.03:1。在恐龙动物群中，捕食者比较少，它们的相对贫乏符合我们根据现存热血动物群落所做的预测。

4. 恐龙的解剖结构。恐龙常被描述为缓慢、笨拙的动物，但是最新的重建（见文章25 ）表明，许多大型恐龙的运动解剖结构和肢的比例，与现在奔跑能力强的哺乳动物很相似。

但是我们如何看待羽毛是从恐龙中继承下来的呢？雷龙的外表确实一点也不像孔雀。然而，始祖鸟用羽毛做什么？如果是用于飞翔，那么一定只有鸟才有鸟毛，没人设想存在一种飞行的恐龙（能飞的翼龙属于另一个类群）。但是奥斯特龙通过解剖重建明确地提出，始祖鸟不能飞翔：始祖鸟羽化的前肢与肩带的连接方式很不适于摆动翼。奥斯特龙认为，羽毛有两个功能：隔热，即防止小型热血动物散发热量，以及以抱合方式形成篮球网状，这样可以捕捉到飞行的昆虫和其他小型猎物。

始祖鸟是一种小型动物，它的体重不到0.5公斤，身长比最小的恐龙至少短30厘米。小型动物有很高的表面积/体积比值（见文章29 和30 ）。热通过整个身体产生出来，但通过体表散发出去。小型热血动物在保持体温恒定方面有特殊的问题，因为热从它们相对较大的体表散发得太快。鼩鼱虽由体表隔热，但必须随时吃东西，这样使体内产生大量热量。大型恐龙的体表与体积比太低，就是没有隔热构造也可以保持体温恒定。但是一旦恐龙及其后裔变得很小，那就需要隔热构造来保持体温的恒定了。在小型恐龙中，羽毛可能主要是保持体温恒定的一种适应特征。巴克认为，许多小型的腔骨龙类可能也有羽毛。（保存羽毛的化石微乎其微，始祖鸟是稀有的保存了精美羽毛的化石动物。）

最初进化出的羽毛主要是作为隔热构造，不久便发展成为用于飞翔的构造，确实很难设想羽毛不是用于飞翔怎么能进化出来。鸟的祖先的确不能飞翔，而且羽毛不是一下子产生出来并充分形成的。自然选择在建立一种适应特征的时候，怎么能在其祖先中经历一系列的中间阶段，而在这个过程中又完全没有用处呢？如果假设羽毛最初的功能是隔热，我们便可以认为，羽毛是使小型热血恐龙占据生态优势的构造。

奥斯特龙关于鸟类来自恐龙观点的论据，既不是恐龙的热血性，也不是羽毛最初的功能是隔热。他的论据来自经典的比较解剖学方法——骨骼之间存在的一一对应的相似，从而认为，这些惊人的相似必然反映的是共同由来的关系，而不是趋同现象。我相信无论关于热血恐龙争论的结局如何，奥斯特龙的论据都是牢靠的。

但是公众对鸟类来自恐龙的观点所感兴趣的，只在于鸟类是否直接从恐龙那里继承了羽毛和热血性这些最初的适应特征。如果鸟类只是从恐龙中分生出来以后，才形成这些适应特征的，那么从生理上看，恐龙就还完全是爬行类，它们应该与海龟、蜥蜴及其亲戚同属于爬行动物纲。（我在分类学哲学的看法上倾向于传统的观点，而不是支序论。）但是，如果恐龙真的是热血动物，而且如果羽毛是小型恐龙保持热血性的方式，那么鸟类就是从恐龙那里继承了成功的基础。而且，如果恐龙的生理特征更接近鸟类而不是爬行类的话，那么我们便有了一个经典的结构论据，而不只是从谱系角度的认识，来支持鸟类与恐龙正式结合成一个新的纲：恐龙纲。

巴克和高尔顿写道：“鸟类进化辐射，是由于建立在恐龙生理和结构基础上发展出了飞行能力，就如同蝙蝠进化辐射是由于建立在哺乳类基础之上发展出了飞行能力一样。蝙蝠并不应该仅仅可以飞行就应被分成不同的纲。我们相信，凭借鸟类有飞行的能力和物种的多样性，不应该将鸟类和恐龙分成不同的纲。”当你这个月 [5] 撕开鸡的如愿骨时，想想霸王龙，你会谢天谢地，这个讨厌鬼是这个类群中已经逝去的代表。

27
自然中奇特的伴侣

无论破坏自然链条中的哪个环节，第十个或第一万个，都会使整个链条断裂。

亚历山大·蒲柏《论人》（1733）

蒲柏的诗句也许有些夸大，但却表达了生态系统中的生物是互相关联的这一常见的概念。不过生态系统的平衡并没有这么脆弱，一个物种的灭绝不会引起连锁反应，不像放倒冷战中多米诺骨牌的第一块牌那样。生态系统不会是这样的，因为灭绝是所有物种的共同归宿，而且物种不可能带着整个生态系统一起逝去。物种通常相互依赖，宛如朗费罗诗句中“黑夜里航行的群帆”一样。纽约市里即使没有狗，也可以存在下去（我不知道没有蟑螂是不是一样，我宁愿没有蟑螂）。

在自然链条上，短链之中的相互依赖很常见。不同的生物结为奇特的伴侣，这成了普及自然史的人的丰富谈资。藻类和真菌组成了地衣，行光合作用的微生物生活在礁石状的珊瑚中。自然选择的作用是机会主义的，它使生物适应目前的环境，而不预测未来。通常一种物种的进化无时不依赖另一种物种，在一个变化不定的世界中，一时有利的联系可能注定了一种物种的命运。

我的博士论文论述的是百慕大陆生蜗牛化石。我在准备论文时，经常在海岸上发现大的寄居蟹挤进一个大小并不合适的蜒螺中（蜒螺中包括人们熟悉的“血色齿”），螯都伸了出来。我奇怪，为什么这些蟹硬挤在小小的蜒螺中，而不到更大的贝壳里呢？频繁出入高档商店的权贵都知道寄居蟹。后来，有一天我看到一只寄居蟹找到了合适的住所——蛾螺的壳，蛾螺是一种大蜗牛，也是住在西印度群岛的人常吃的食物。但是寄居蟹寄居的这种蛾螺的壳是一种化石，这种蛾螺早已经灭绝了，12万年来，现在住在它里面的寄居蟹的祖先，把蛾螺的壳带到了沙丘上。在接下来的几个月里，我一直进行着仔细的观察。绝大多数寄居蟹挤在蜒螺中，只有少数蟹寄居在已经成为化石的蛾螺壳中。

当我打算研究这些现象时，我发现，早在1907年，杰出的分类学家安迪森·E.维里尔就研究过这些现象。维里尔是耶鲁大学的教授，路易斯·阿加西的门生，百慕大自然史的勤奋记录者。维里尔从百慕大的历史文献中发现了提到过活蛾螺的记述。他发现，在人类最初生活在百慕大的时候，蛾螺很多。例如，约翰·史密斯船长记载了在1614～1615年大饥荒期间一名船员的命运：“有一个人藏在丛林中，仅以蛾螺和陆生蟹为生，但几个月后，他变得又胖又壮。”另一位船长说，他们把石灰、蛾螺壳和海龟油混在一起，烧制成砌船缝的水泥。维里尔发现，有关活蛾螺的最后记载来自1812年战争期间驻百慕大士兵的食堂剩余物。他报道，最近再也没有人看到过活蛾螺，“我从最年迈的居民那里了解到，没有人见过活蛾螺”。在过去的70年里，没有任何证据推翻维里尔关于蛾螺在百慕大灭绝的观点。

就在我阅读维里尔的记述时，我又对第奥根尼须蟹（Cenobita diogenes ，这个大寄居蟹的名字很贴切）的境况感到震惊，可是我那建立在人类中心说基础之上的痛苦情感（或许不太合适地）常常赋予到其他的生物上。因为我认识到，大自然蔑视须蟹，使它在百慕大缓慢地被淘汰。蜒螺太小，只有幼体或年幼的蟹才能适合住在里面，这样很糟。没有其他现存的蜗牛适合蟹寄居，而一个成功的活成体蟹一定要发现和拥有（通常是通过强占）宝贵的栖居场所——一个蛾螺的壳。但是，用这几年流行的一句话说，在百慕大，蛾螺是“不可再生资源”，因而蟹依然利用以前的蛾螺壳。这些壳虽然又厚又硬，但不能永远不受波涛和岩石的破坏，而且数量越来越少。每年有少量“新的”贝壳从化石丘上脱落下来，这是远古蟹遗留下来的，许多年来，蟹把这些壳带上了山，但是即使“新的”贝壳也无法满足需求。须蟹似乎很符合许多未来影片和故事中的悲壮场景：所剩无几的生存者为了争夺最后的东西而战斗到死。命名这个大寄居蟹的科学家选了一个很好的名字。犬儒学派的第奥根尼曾持灯为一个老实人寻找雅典的一些街道，他没有找到。第奥根尼须蟹也将因为找不到藏身的壳而死去。

第奥根尼须蟹

1900年弗利尔写生

有关须蟹的悲惨故事之所以从我内心深处泛起，是由于我最近听到了一个极为相似的故事。在须蟹的故事中，蟹与蜗牛在进化中相携并进。第二个故事，即树种与渡渡鸟，是一种不太可能的结合，但是这个故事却有一个幸福的结局。

威廉·巴克兰是19世纪地质学家中著名的剧变论者，他曾用一张大图概括了生命的历史，这张图折叠在他那部流行的《基于自然神学的地质学和矿物学》书中。这张图按照生物消失的时间，描绘了集群灭绝中牺牲品的组合。主要的动物合在一起：鱼龙、恐龙、菊石和翼龙在一级，猛犸、毛犀牛和大洞熊在另一组。在这张图的最右侧，表示近代的动物，只有渡渡鸟。渡渡鸟是我们这个纪元第一次记录下来的灭绝鸟类。渡渡鸟是大型的不能飞行的鸟，像鸽子（重达20磅以上）。它曾生活在毛里求斯岛上，数量很多。自15世纪发现渡渡鸟后的200年间，由于人类和早期船员带到毛里求斯的猪都爱吃渡渡鸟鲜美的蛋，于是渡渡鸟便死光了。自1681年以后，再也没有发现活着的渡渡鸟。

1977年8月，威斯康星大学野生生物生态学家斯坦利·A.坦普尔报道了下面引人注意的故事（关于这个故事引起的争论见附言）。他和以前的一些人已经注意到，有一种大型的树木，叫大头树（Calvaria major ），在毛里求斯濒临灭绝。1973年，他在残留的原始森林中只找到13株“古老、衰微、干枯的大头树”。据有经验的毛里求斯森林居民估计，大头树的树龄超过300年。这些树每年都产生出形状完好、能萌发的种子，但是无法发芽，而且没有发现年轻的大头树。有人曾尝试人工创造有利的繁殖条件使大头树种发芽，但未成功。然而，大头树曾经在毛里求斯很常见，过去的森林记录表明，这种树还曾被大面积砍伐过。

大头树的果实很大，直径长达两英寸，有一个厚达半英寸的核，里面有一颗种子，核外有肉汁丰富鲜美的果肉，果肉外还有一层薄皮。坦普尔的结论是，大头树种子不能萌发的原因是它的厚核“机械地妨碍了里面胚胎的膨胀”。那么，为什么以前大头树的种子能萌发？

坦普尔把两个事实汇总到一起。首先，早期的探险者报道，渡渡鸟吃森林中大头树的果实和种子，实际上，已经在渡渡鸟的骨架残骸旁边发现了大头树果核的化石。渡渡鸟有很强壮的砂囊，里面有石头，可以磨碎食物粗硬的核。其次，生存下来的大头树的树龄正好与渡渡鸟死去的时间相符。自渡渡鸟300年前灭绝后，再也没有生出新的大头树。

因此，坦普尔认为，大头树进化出不寻常的厚核是一种适应，这样可以防止在渡渡鸟的砂囊中研磨破。但是，这样的话，大头树的繁殖便依赖渡渡鸟了。有一得必有一失。大头树的厚核可以在渡渡鸟砂囊的研磨中生存下来，但是核太厚从而无法自动破开。因此，渡渡鸟的砂囊成了大头树种子必需的“同伴”，而大头树的种子在萌发之前一定要经过渡渡鸟砂囊的研磨。

今天也有一些小动物吃大头树的果实，但它们只是吃掉鲜美的果肉，根本不动里面的核。渡渡鸟很大，可以吞咽整个果实。渡渡鸟消化了果肉之后，便研磨核，然后通过反胃将核顺着粪便排出。坦普尔援引了许多类似的种子经过动物消化道后萌发率增加的例子。

然后，坦普尔试图根据现代不同鸟类的体重与砂囊产生的力的图表来估计渡渡鸟砂囊的研磨力。他按照图表中的曲线，推断出像渡渡鸟这么大的体形可能产生出的砂囊研磨力，估计出大头树的果核厚得足以经受研磨。事实上，最厚的大头树果核要磨去30%才能开裂。渡渡鸟可以把核研磨到这种程度，然后，再反胃排出核。坦普尔用现存最接近渡渡鸟大小的火鸡实验过，他将大头树的果核强塞进火鸡体内，一次一个。17个核中有7个被火鸡砂囊压碎了，而其他的核经过一定的研磨，反胃后顺着粪便排出。坦普尔种植了这些种子，其中3个发了芽。他写道：“这些可能是300多年来首次发芽的大头树种。”大头树大概可以通过人工研磨种子的方式繁殖，这样也许可以避免灭绝。这一次，经过敏锐的观察、富有想象的思想和实验，可以使物种得到保护，防止毁灭。

我的这篇文章是我在《自然史》杂志开辟专栏以来第5年的首篇文章。这个专栏刚开始时，我就对自己说，我要摆脱自然史的传统写作方式。我讲自然史中的奇妙故事不仅仅是为了讲故事，我将把任何特殊的故事与进化论的一般原理结合起来：熊猫和海龟与不完美特征作为进化的证据联系起来，磁性细菌与按比例调整原则联系起来，以体内吞食其母的螨虫与费舍尔的性别比理论联系起来。但是，这篇文章除了明确宣扬在我们复杂的世界中事物之间是相互联系以及局部的瓦解可以产生广泛的影响外，没有任何其他的知识。我只讲述了两个相关的故事，因为它们触动了我，一个让我感伤，一个令人欣然。

附言

有些自然史的故事太漂亮太复杂，无法引起广泛的注意。但流行的出版物很快（《纽约时报》及其他大报，在我的文章发表后两个月）便广泛报道了坦普尔的报告。过了1年之后（1979年3月30日），毛里求斯森林局的奥瓦达利博士在一份专业杂志（《科学》，坦普尔的文章当初也发表在这份杂志上）上提出了一些重要的疑问。下面，我一字不差地附上奥瓦达利的评论和坦普尔的答复：

对于动物之间存在共进化以及某些种子可能要经过动物消化道的帮助才能萌发的观点，我没有异议。然而，以著名的渡渡鸟与大头树（坦巴拉可克树）的“互惠共生”作为共进化的例子， [6] 却是站不住脚的，理由如下：

（1）大头树生长在毛里求斯高地雨林中，那里每年的降雨量为2500～3000毫米。根据荷兰人的资料，渡渡鸟生活在大港地区以北的平原和以东的小山上，那里都是干燥的森林，荷兰人的第一个定居点也建在那里。因此，渡渡鸟和坦巴拉可克树极不可能生活在同一个生态位中。在高地兴修水库和排水渠等广泛的挖掘中，的确没有发现过渡渡鸟的遗骸。

（2）一些学者已经提到，在巴雷奥克斯桑格发现了一些小而硬的树种，它们的萌发可能是由于渡渡鸟和其他鸟的帮助。但是我们现在知道，这些种子并不是坦巴拉可克树种，而是属于生长在低地的最近被命名为Sideroxylon longifolium 的另一种树的种子。

（3）森林局多少年以来一直在研究无须鸟的帮助使坦巴拉可克树种萌发的方法。 [7] 虽然萌发率很低，但是比起其他本地物种最近几十年表现出的繁殖力衰退来，并不算太低。导致本地植物衰退的原因很多、很复杂，无法在这篇评论中讨论。主要的原因是猴子的破坏和外来植物的影响。

（4）1941年沃恩和韦赫 [8] 对高地顶级雨林的一项调查表明，确实存在一些树龄为75～100年历史的年轻坦巴拉可克树群。而渡渡鸟是1675年左右灭绝的。

（5）希尔 [9] 描述过坦巴拉可克种子萌发的方式，他证明胚芽可以从硬的木质果皮中萌发出来。这是因为膨大的种子胚芽沿着核的裂缝将核破为两半。有必要消除坦巴拉可克树—渡渡鸟共生的神话，并认识到，毛里求斯森林局为繁殖生长在高原的这种大型树所做的努力。

A.W.奥瓦达利
居尔皮普，毛里求斯森林局
1979年3月28日

渡渡鸟与大头树之间可能存在动植物的互惠共生关系，然而，自渡渡鸟灭绝后，便无法验证这点。我提出的看法是， [10] 这种关系可能有过，并由此来解释大头树极低的萌发率。我认识到在历史重建中可能会出现错误。

然而，我不同意奥瓦达利的结论， [11] 他认为渡渡鸟与大头树在地理上是隔离的。在毛里求斯的高地地区几乎没有发现渡渡鸟或其他动物的骨头，并不因为那些动物从未到达过那里，而是因为这个岛的地形使高地地区无法形成冲积式沉积。在一些低地地区，积水盆地积累的许多动物骨骼，都是从高地冲刷下来的。从哈齐苏卡总结的 [12] （p.85）早期探险者的记述中，的确提到了渡渡鸟生活在高地地区，而且哈齐苏卡澄清了渡渡鸟完全是生活在海岸地区的鸟的错误概念。毛里求斯早期的森林记录 [13] 表明，大头树既生活在高原，也生活在低地。虽然今天原始森林只存在于高地，但有一株生存下来的大头树却生长在海拔只有150米的地区。因此，渡渡鸟和大头树有可能生活在同一地域，而且有可能形成了一种互惠共生的关系。

研究印度洋地区山榄科植物的分类学专家们，从马雷奥克斯桑格的沼泽冲积沉积中，识别出大头树的种子和更小的Sideroxylon longifolium种子 [14] ，但这与互惠共生的问题关系不大，互惠共生的物种不一定要一起石化。

毛里求斯森林局只是最近才成功地使大头树种萌发，但它们没有提到的导致成功的原因，却支持了大头树与渡渡鸟互惠共生的观点。大头树种在种植之前，只有经过机械的研磨才能成活。 [15] 渡渡鸟的消化道自然地研磨内果皮，而毛里求斯森林局的员工使用的方法在道理上是一样的。

奥瓦达利引用的文献 [16] 中所说的大头树的树龄并不清楚，因为没有便利的方式准确测定那些树的树龄。我估计大头树的树龄超过300年的依据正好来自奥瓦达利引述的那篇文章的合作者韦赫。我承认，20世纪30年代生存的大头树多于今天，这进一步证明大头树是一种衰落的物种，而且这种衰落始于1681年。

我的错误在于没有援引希尔 [17] 的材料，但是希尔没有描述他是怎样而且是在什么条件下诱使大头树种萌发的。没有这个细节，他的描述便与互惠共生问题关系不大。

斯坦利·A.坦普尔
威斯康星大学野生生物学系
麦迪逊53706

我认为，坦普尔已经准确地（甚至成功地）答复了奥瓦达利的前三个观点。作为一名古生物学家，我可以证实，他关于高地化石稀少的观点是对的。高地动物群的化石非常少，我们发现的样品一般是在低地沉积中，有些样品经过了磨损，是从高地冲刷下来的。奥瓦达利确实很粗心，没有（第三个观点）提到森林局在种子萌发之前要研磨，因为研磨的必要性是坦普尔假说的核心。但坦普尔同样也有粗心的地方，他没有提到毛里求斯当地人的努力，他们的工作显然早于坦普尔的发现。

然而，奥瓦达利的第四个观点表明，坦普尔的说法可能不能成立。如果1941年发现“一定群体”的大头树的树龄肯定不超过100年，那么渡渡鸟就不可能帮助它们萌发。坦普尔认为这些树的树龄问题尚有争议，对于这个问题，我当然也提不出什么见解。

这种观点的交换更显得将科学通过报刊传给公众是一个麻烦的问题。许多报刊只报道了坦普尔最初的故事。我没有发现有哪家报纸提到接下来的争议。多数“好”故事后来都成为假的，或至少是夸大的故事。但是即使假象揭穿了，一个聪明的假说照样吸引人。多数自然史的“经典”故事都是错的，但是什么也无法妨碍把这些错的故事改为教科书中的教条。

奥瓦达利与坦普尔的争议目前尚未停止。我现在支持坦普尔，但是假如奥瓦达利第四个观点正确，那么，借用托马斯·亨利·赫胥黎的话说，渡渡鸟假说的结局就是：“一个漂亮的理论被一个低级、错误的小事实杀死了。”

28
为有袋类申辩

由于我们这个物种的贪婪，使我再也无法看到活着的渡渡鸟了，对此我感到气愤。渡渡鸟大如火鸡，长得像鸽子，它一定有什么特别的地方，但是通过毫无生机的成体标本，我们却不得而知。在我们人类当中，那些陶醉于自然多样性并且可以从其他生物中得到启迪的人，倾向于认为聪明的智人种的出现是自白垩纪大灭绝以来最大的剧变。然而，我想指出，必须将巴拿马地峡在200万～300万年前的隆起，视为造成近代生物毁灭性悲剧的原因。

在整个第三纪（大陆冰期发生之前的7000万年），南美是一个岛形大陆。南美像澳大利亚一样，有独特的哺乳动物，但是，与南美动物的分布与变异相比，澳大利亚的动物几乎依然如故。自从巴拿马地峡隆起后，许多南美动物在北美物种的攻击下生存了下来。有些动物甚至分布的范围更广，数量更多：负鼠可以迁到北至加拿大，犰狳至今还在向北行进。

尽管有少数南美动物取得成功，但多数颇具特色的南美动物则被消灭，而这才是两个大陆哺乳动物接触后的最明显后果。两个目完全消失（我们把所有现存的哺乳类分成25个目）。如果我们的动物园中有大量的南美有蹄类，品种会更加丰富。南美有蹄类是大型食草类哺乳动物，种类颇多，其中既有查尔斯·达尔文离开贝格尔号在海岸上首次挖掘出的长鼻状弓齿类，也有类似兔子和啮齿类的印齿兽和魁兽。还有滑距骨目和其中的两个亚群：大型、长颈、像骆驼的后兽弓类以及更有名的像马的元兽类〔元兽类甚至重复了马后来经历的一些进化趋向：先是三趾的（Diadiaphorus ），然后是一趾的物种（Thoatherium ），这个物种胜过“军舰” [18] ，它那退化边趾已经缩小到现代的马不能相比的程度。它们都永不复存在了，大部分动物的灭绝都是由于地峡的隆起造成的〕。（有一些南美有蹄类和滑距骨类一直生存到冰期。它们可能甚至受到早期人类狩猎者的最后一击。然而，我依然相信，倘若南美仍然是一个岛形大陆的话，许多动物可能还不会消失。）

当地捕食这些南美食草动物的捕食者也完全消失了，现存的南美食肉类——美洲豹及其近亲，都是来自北美的类型。你信不信，当地的食肉动物都是有袋类（占据了某些食鲜活动物生态位的是窃鹤，这是一种大型的鸟，很有特点，现在也灭绝了）？有袋类食肉动物虽然不像北方大陆胎盘类食肉动物那样多样化，却有大小不同的类型，既有很小的物种，也有熊那么大的物种。有一个种类的谱系进化异乎寻常地与北美具剑齿的猫科动物相平行。有袋类的袋剑虎发展出长而尖利的上犬齿，下颌骨凸起，起到了防护作用，很像拉布雷亚沥青坑 [19] 斯剑虎。

虽然有袋类没有什么名望，但它们今天在南美做得并不坏。北美值得一提的有袋类可能只有所谓的弗吉尼亚负鼠（实际上它是从南美迁来的），但是南美的负鼠是一个有着丰富变异类型的种类，有65个种。此外，没有袋的“负鼠”——新袋鼠类，则是与真正的负鼠没有很近亲缘关系的类群。但是南美有袋类中的第三大类群——袋猫，则完全消失了，并且被北方的猫科动物所取代。

传统的看法——我的这篇文章要反对这种看法——认为，有袋类食肉动物的消失是由于有袋的哺乳动物比有胎盘的哺乳动物普遍劣等（现存的哺乳动物，除了有袋类、产卵的鸭嘴兽和针鼹外，都是胎盘类），这个论点似乎很难驳倒。只有在隔离的岛形大陆，如澳大利亚和没有胎盘类之前的南美，有袋类才能繁盛。第三纪早期，随着胎盘类的丰富多样，北美的有袋类不久便消失了。当胎盘类迁徙中美洲的通道打开后，南美的有袋类便受到了重大的打击。

这些生物地理学和地质历史的论扰，显然得到了传统观点——有袋类在解剖结构和生理上比胎盘类劣等——的进一步支持。我们分类学上的划分又加强了这种偏见。所有的哺乳动物都被划分成三个部分：产卵的单孔目动物叫作原兽亚纲，或原始的哺乳动物；胎盘类被奖为真兽亚纲，或真正的哺乳动物；而可怜的有袋类则被放在中间，叫作后兽亚纲，或中等哺乳动物，非常不起眼儿。

结构劣等论点的主要根据是，有袋类与胎盘类的生殖模式不同。而常见的自以为是的观点——非我族类就是差的——又支持了这种论点。按照我们的知识和经验，胎盘类在发育中，胎儿通过接受母体的血液，与母亲的身体保持着直接的联系。除了一些个别情况，胎盘类出生时的生物个体都比较完善，并且具有一定的生活能力。有袋类的胎儿本质上没有能力在母体内发育得更完备。我们的身体有不寻常的能力，可以识别和排斥外来组织，这是对疾病的一种基本防御，不过这也成了目前医学治疗中的一个棘手障碍，既不利于植皮，也有碍于心脏移植。尽管可以说有胎盘类的胎儿能得到更多母爱，而且子代中存在母亲50%的基因，但一个胎儿毕竟是一个外来组织。母体的免疫系统必须能防止排异，胎盘类在胎儿时就已经“学会”这样做，而有袋类则不能。

有袋类的孕期很短，普通负鼠的孕期为12～13天，然后是60～70天在体外育袋的进一步发育。而且，在体内发育时，也没有与母体保持着密切的联系，只不过是受到母体的庇护。2/3的孕期是在“壳膜”中度过的，壳膜是母体的一个器官，可以防止淋巴细胞的流入，淋巴细胞是免疫系统的“战士”，在接下来的几天，母体才与胎儿接触，而且一般是经过卵黄囊。在这一时期，母亲才开动免疫系统，而胚胎不久便出生了（或者更准确地说，排出了）。

有袋类新生儿的个头儿很小，发育程度与胎盘类的早期胚胎差不多。它的头和前肢过早地发育成熟，但是后肢通常小于未分化的胚芽。然后，新生儿必须进行一次有危险的旅行，缓慢地爬到相对来说比较远的母亲乳头处和育儿袋（我们现在明白为什么必须有发育良好的前肢）。我们的胚胎生命是在有胎盘的子宫中度过的，显然更容易，条件绝对要更好一些。

那么，对于这些从生物地理和生物的结构角度提出的有袋类劣等的说法，能够提出什么样的挑战呢？我的同事约翰·基尔希最近提出了不同的看法。基尔希援引P.帕克的工作指出，有袋类的生殖是另一种适应模式，并不是低等的途径。有袋类确实从未进化出一种机制来关闭母体的免疫系统，并使胎儿在子宫中完全发育，但是早出生同样是一种适应策略。母体排异并不意味着身体式样的失败，或丧失了进化的机会，它可能是过去遗留下来的、克服生存严酷性的完全正确的途径。帕克的观点重申了达尔文的核心论点：个体是为了最大限度地增加自身的生殖成功而斗争，即提高自己的基因在后代中的份额。为了达到这个目的，生物可能（无意识地）遵循了某些极为不同但同样成功的策略。胎盘类把大量的时间和能量投入到母体中的后代。这样的付出增加了后代成功的机会，但是这样也使胎盘类的母亲承担了风险。如果失去幼崽，那么它无可挽回地失去了生命中大部分的生殖努力，从进化的角度看，就是一无所获。有袋类的母亲生出的幼崽死亡率更高一些，但是母亲的生殖消耗并不多。有袋类的孕期很短，作为母亲可以在同一季节再次配育。而且，新生儿个头儿小，对母亲的能量消耗小，快速便利的出生还会降低母亲的危险。

再从生物地理学的角度看一下，基尔希对于通常认为的澳大利亚和南美是劣等动物的庇护所，那些动物无法生活在北半球胎盘类世界的观点提出异议。他认为，有袋类在南部地区呈现的多样性，反映了它们在祖先居住地所取得的成功，他不认为有袋类只能在边缘地区做些无谓的努力。他依据的是M.A.阿切尔提出的袋猫（南美有袋类食肉动物）与袋狼（澳大利亚地区的有袋类食肉动物）之间有密切的谱系联系。分类学家从前一直把这两个类群看作进化趋同的样板，进化趋同就是不同的谱系分别发展出类似的适应（如前面提到的有袋类和胎盘类中都有具剑齿的食肉动物）。事实上，分类学家认为，继原始有袋类从北方逃到澳大利亚和南美之后，这两个大陆上有袋类的进化辐射完全是相互独立的事件。但是，如果袋猫和袋狼有密切的关系，那么南部这两个大陆之间一定发生过部分动物交换，可能是途经南极洲。（按照我们新的大陆漂移地质学，南半球大陆一度非常接近，当时，随着恐龙的消失，哺乳动物上升为统治的类群。）更简便的观点是，设想有袋类起源于澳大利亚，在袋狼进化后，有袋类扩散到南美，而不是有袋类两次分别迁入到南美，一次为来自澳大利亚袋猫类的祖先，另一次是来自北美的其他有袋类。虽然在我们这个极其复杂的世界中，最简单的解释不一定总是对的，但是，基尔希的论点在一定程度上反驳了有袋类的故乡是避难所而不是起源中心的常见假说。

然而，我必须承认，从身体结构和生物地理学的角度为有袋类的申辩，一旦触及一个关键的事实，便哑口无言了。上文曾明确描述过这个事实，那就是巴拿马地峡隆起后，随着胎盘类食肉动物的入侵，有袋类食肉动物很快便消失了，并被胎盘类取而代之。难道这不是清楚地表明北美的胎盘类食肉动物更有竞争优势吗？我可以利用巧妙的猜测来回避这个让人尴尬的事实，不过我更愿意接受这个事实。那么我又怎样继续捍卫有袋类不是劣等的呢？

虽然袋猫最后消失了，但是我没有发现有证据表明它们的失败是由于它们是有袋类。我赞成一种生态学的观点，认为南美当地的食肉动物，无论有袋类还是胎盘类，都曾面临过艰难时刻。真正的牺牲者碰巧是有袋类，因而偶然产生出一种分类上的事实，但是命运是由其他原因决定的。

R.巴克一直在研究整个第三纪哺乳类食肉动物的历史。他结合某些新的观点与传统的看法，发现北方的胎盘食肉动物经历了两次进化的“考验”。它们经历了两次短时期的集群灭绝，取而代之的是新的、大概更具适应可塑性的类群。在连续的时间里，高度多样化的捕食者与被捕食者发生了激烈的竞争，而且在进食（快速消化与有效的撕碎）和运动（潜伏的捕食者变得更快捷，长距离奔跑的猎手变得更有耐力）方面，向更进化的方向趋向改善。南美和澳大利亚的食肉动物根本没有经过考验。它们没有经历过集群灭绝，依然保持着当初的状态。它们的多样化从未达到过北方的水平，竞争也不激烈。巴克报告说，它们在奔跑和进食形态的特异化方面，远远落后于同一时期北美的食肉动物。

H.J.杰里逊利用脑量研究提供了进一步的证明。在整个第三纪，北美的胎盘类捕食者和被捕食者都进化出逐渐增大的脑。而在南美，有袋类捕食者以及它们捕食的胎盘类的脑很快进化到现代哺乳动物平均脑重的50%，然后便稳定不变了。从解剖结构的优劣上看，有袋类和胎盘类几乎没有差别，它们相互之间挑战的历史可能是问题的关键所在。如果由于巧合，北美的食肉动物是有袋类而南美的食肉动物是胎盘类，那么，我猜测，巴拿马地峡隆起后，动物相互交流的结局依然是南美动物大败。北美的动物群曾经不断地经历了大毁灭和激烈竞争的严峻考验，南美的食肉动物不具备很强的挑战性。当巴拿马地峡隆起后，它们的进化平衡第一次被打破。如同但以理掉入狮子坑后，狮子们竟不知所措。 [20]

[1] 《圣经·旧约·约伯传》40:16—18。——原注

[2] 语出自《圣经·旧约·申命记》6:4—6：“以色列！你要听：上主我们的天主，是唯一的上主。”这句话被犹太教徒奉为崇拜的主题、信仰的教义，也是发出赞叹时的用语。——译注

[3] 迪士尼动画片，其中有恐龙生活的场景。——译注

[4] 以尼安德特人为原型的美国卡通人物。——译注

[5] 这篇文章最初发表在《自然史》杂志1977年11号。——译注

[6] S. Temple, Science 197, 885（1977）．——原注

[7] 在居尔皮普森林苗圃还能看到9个或9个月以上的年轻大头树。——原注

[8] R.E. Vaughan and P.O. Wiehe, J. Ecol. 19, 127（1941）．——原注

[9] A.W. Hill, Ann. Bot. 5, 587（1941）．——原注

[10] S.A. Temple, Science 197, 885（1977）．——原注

[11] A.W. Owadally，同上，203，1363（1979）．——原注

[12] M. Hachisuk, The Dodo and Kindred Birds （Witherby, London. 1953）．——原注

[13] N.R. Brouard, A History of the Woods and Forest of Mauritius （Mauritius, 1963）．——原注

[14] F. Friedmann，个人通信。——原注

[15] A.M. Gardner，个人通信。——原注

[16] R.E. Vaughan and P.O. Wiehe, J. Ecol., 19. 127（1941）．——原注

[17] A.W. Hill Ann. Bot., 5, 587（1941）．——原注

[18] “军舰”（1917—1947）是美国历史上的一匹有名的良种赛马的名字。——译注

[19] 位于美国加州洛杉矶市的汉科克公园内，坑内有很多史前动植物化石。——译注

[20] 该故事出白《圣经·旧约·但以理书》。——译注

第八部分
大小与时间

·我们的命数已定

·自然的吸引：细菌、鸟和蜂

·时间的漫长

29
我们的命数已定

在多克托罗夫的《雷格泰姆》中，J.P.摩根与亨利·福特相见时，摩根盛赞装配线是对自然智慧的如实转换：

您想到吗？您的装配线不仅是工业天才的体现，而且是生物真理的反映。首先，部件互换是自然的法则……所有的哺乳动物都以同样的方式生殖，具有同样的自我营养式样，消化和循环系统看起来也一样，而且它们都喜欢同样的感受……正是共同的式样使分类学家把哺乳动物分类为哺乳动物。

一个飞扬跋扈的巨头当然不会说模棱两可的话，然而，对于摩根的看法，我的答复只能是“也是，也不是”。如果摩根认为大型哺乳动物是小型哺乳动物的几何复制品，那么他就错了。比起老鼠来，大象的脑相对要小，腿相对要粗，而且这些差异反映出哺乳动物式样的一个普遍性的法则，而不是特定动物特有的特征。

但是，摩根认为大型动物本质上与它们类群中的小型成员相似，这种看法是正确的。然而这种相似并不体现为形状的恒定。基本的几何学法则表明，动物必须改变形状，才能在大小不同时行使有效的功能。伽利略于1638年确定了经典的例子：动物腿的强度体现在腿的横截面（长×宽）上，腿所承受的重量必须能够支持动物的体积（长×宽×高）。如果动物变大时腿的相对厚度不增加，它们不久便会瘫在那里（因为体重的增加快于肢体支持力的增加）。为了保持功能不变，动物必须要改变形状。

对于这些形状的研究叫作“按比例调整理论”。这个理论已经揭示出，虽然鼩鼱与相差2500万倍的哺乳动物蓝鲸之间有着惊人的差别，但二者形状的变化却具有一定的规律性。如果我们做一下从老鼠到大象（或从鼩鼱到大象）的所有哺乳动物脑重与体重的曲线，我们会发现，偏离一般规则的动物微乎其微，从小型哺乳动物到大型哺乳动物，脑重增加的速度仅为体重增加速度的2/3。（我们人类和宽吻海豚是最偏离这条曲线的动物。）

我们通常可以从物体的基本物理性能角度预测这些规则性。例如，心脏是一个泵。因为所有哺乳动物心脏的活动方式本质上相同，所以小心脏必然要比大心脏泵得快（想象一下，你摆弄一个手指大小的玩具吹风器，要比摆弄一个由燃料驱动、由马蹄铁或老式器件组成的巨大模型快得多）。在老鼠—大象的哺乳动物曲线上，从小型哺乳动物到大型哺乳动物，心跳频率的增加，为体重增加的1/4～1/3之间。最近，J.E.卡雷尔和R.D.希思科特通过对蜘蛛心跳的有趣研究，又证实了这个结论的普遍性。他们利用一种冷激光束，搞清楚了静息情况下蜘蛛的心脏跳动，并且做出了从蟹蛛到塔兰托毒蛛的心跳曲线，其中包含了18个种，体重相差1000倍。这些动物的心跳依然是按比例调整，心跳速率的增加为体重增加的4/10（精确的数字为0.409倍）。

我们可以把根据心脏跳动得出的结论，扩展成关于小型动物与大型动物生命节奏的一般性论述。小型动物的生命节奏比大型动物的生命节奏快得多，小型动物的心脏跳得更迅速，呼吸更急促，脉搏更频繁。更重要的是，哺乳动物的生命之火，即新陈代谢率，只是体重增加速度的3/4。为了维持生命，大型哺乳动物无须像小型哺乳动物那样，产生那么多单位体重的热量。体态小的鼩鼱不停地活动，醒着的时候不住地吃东西，这样才能使它们以哺乳动物中最高的速度保持体内新陈代谢之火的燃烧；而蓝鲸则缓慢地游动，它们的心脏是活跃的热血动物中跳动节奏最慢的。

把这些分散的资料综合起来，我们便可以成功地得出哺乳动物寿命按比例调整的观点。我们豢养各种大小哺乳动物宠物的人都有大量的经验，知道小型动物一般比大型动物的寿命短。事实上，哺乳动物寿命的长短，与其心跳和呼吸次数的速率是相应的——从小型动物到大型动物，寿命大约为体重的1/4～1/3。（智人种是非常特殊的动物，不能套用这种分析。我们的寿命要比身体大小相同的哺乳动物长。我在文章9 中提出，人类的进化经历了一个叫作“动态持续”的过程，使我们在成体的形态和增长速度中保持了灵长类祖先的幼体阶段的特征。我还相信，我们的长寿正是因为幼态持续。与其他哺乳动物相比，人类的所有生命阶段都来得“太晚了”。我们经历了很长时间的孕期后才出生，而且出生时还是需要呵护的胚胎；我们的童年过长，成熟得太晚；如果幸运的话，我们死时的年龄只有最大的热血动物才能媲美。）

我们一般喜欢怜悯宠物老鼠和沙鼠，它们顶多能活一两年。它们的生命那么短暂，而我们则可以经历一个世纪中的大部分时光。不过，我的这篇文章的主题就是要指出，我们不该有这种怜悯（当然，我们个人的伤感是另外一回事，科学与这种情感无关）。在《雷格泰姆》中，摩根正确地指出，小型动物与大型动物本质上相似。它们的寿命与它们的生命节奏是相应的，而且，它们都经历了大致相同的生物学时间。小型哺乳动物的生命节奏快，新陈代谢迅速，寿命短暂；大型哺乳动物生命节奏缓慢，寿命长。根据内在的钟来衡量，大小不同的哺乳动物的寿命差不多。

我们由于根深蒂固的西方思维习惯，无法把握这个重要而令人舒心的概念。我们从很小的年龄起，受到的教育就是把绝对的牛顿式时间作为衡量合理客观世界的唯一有效尺度。我们根据我们厨房里的钟表，来一律地看待所有事物。我们对老鼠的快捷感到惊讶，对河马的迟钝感到厌倦。然而，每一种动物都是在按自己的生物钟的适当节奏生活着。

我并不想否认绝对的天文时间对生物的重要性（见文章31 ），动物必须根据这个时间来成功地生活。鹿肯定知道何时再次长出鹿角，鸟类肯定知道何时起程迁徙。动物利用自身的昼夜节律变化来跟上昼与夜的循环。人类的飞行综合征是由于运动的速度快于本性的承受力。

但是，绝对时间并不是衡量所有生物现象的恰当尺度。例如，座头鲸有极动人的歌声。E.O.威尔逊已经描述过这些鲸发出的可怕声音：“在人的耳朵听来，这种声音很恐怖，一点儿也不美妙，那是极低的呻吟和几乎听不到的高频的吱吱声，交替着音量忽升忽降的重复尖叫。”我们不知道这样的歌有什么用途。也许鲸通过这种歌声才能彼此联系，才能使它们在每年的越洋迁徙中待在一起；也许那是雄鲸求偶的情歌。

每一头鲸都能唱出特有的歌，而且，这种极为复杂的曲式很准确地一再重复着。过去十几年最叫我感到惊奇的科学事实就是，罗吉·S.佩恩报道，有些鲸的歌曲长达半个小时以上。我根本记不下B小调弥撒曲第一段求怜经的前5分钟乐曲（而且也不想试一下），一头鲸怎么可以歌唱30分钟后再准确地重唱呢？30分钟歌曲的重唱有什么用途呢——对于人的识别力来说，30分钟太长了，如果没有佩恩记录仪，如果不是为了对这个事实进行研究，我们绝不可能像掌握一首歌曲一样掌握这么长的曲子。但是，我后来想到了鲸的新陈代谢速度，它的生命节奏比我们缓慢得多。我们怎么能知道，30分钟对鲸来说意味着多长时间呢？一头座头鲸可能是根据自己的新陈代谢速度来衡量世界的，它们半个小时的歌唱，可能只是我们短暂的华尔兹。从任何角度看，这种歌唱都是极为壮观的，在任何动物中都没有发现这么特殊的精细表现。我唯有认为，从鲸的角度看这个问题，才是一种恰当的视角。

我们可以利用一些数学上的精确表示，来支持所有哺乳动物平均寿命大致相同的观点。我们可以按照W.R.斯塔尔、B.京特和E.盖拉于20世纪50年代晚期和60年代早期提出来的方法，得出从老鼠到大象的所有哺乳动物的生物学特性，按照与身体相应的速度调整的等式。例如，京特和盖拉得出了下面的等式，表示哺乳动物呼吸次数和心跳次数与体重的等式：

呼吸次数=0.0000470体重0.28

心跳次数=0.0000119体重0.28

（没有数学基础的读者不要被这个数学表达式吓倒。这个公式只是表示从小型动物到大型动物呼吸次数和心跳次数的增加是体重增加的0.28倍。）如果我们将上面两个公式相除便消去了体重，因为在两种情况中体重的增加相同：

呼吸次数/心跳次数=0.0000470体重0.28 /0.0000119体重0.28 =4.0

这表明，任何体重哺乳动物的呼吸次数与心跳次数之比为4.0。换句话说，所有哺乳动物，无论体重多大，每呼吸一次，都心跳四次。小型哺乳动物的呼吸和心跳比大型哺乳动物快，但是随着哺乳动物的增大，呼吸和心跳同样都以相对的速度慢下来。

寿命也按照与体重相同的速度比例调整（从小型动物到大型动物，按0.28倍的速度增加）。这意味着，无论体重多大，哺乳动物的呼吸和心跳次数与寿命时间比都是恒定的。当我们按类似上面提到的数学运算来计算的话，我们就会发现，所有哺乳动物，无论体重多大，在一生中一般都呼吸2亿次（它们的心跳为8亿次）。小型哺乳动物的呼吸快，生命时间短。利用哺乳动物自己体内的心跳或呼吸节律时钟来衡量，所有哺乳动物的寿命都一样。（敏锐的读者，在计算了自己的心跳或脉搏之后，可能会计算出他们早该死了。但是智人种在许多方面都是明显的例外，不只在脑方面。我们比同样体重的哺乳动物“应该”活的时间长3倍，但是我们的呼吸速度“正确”，因此，我们在生命时间里比体重相同的哺乳动物的平均呼吸次数多3倍。我认为，我们生命的延长是幼态持续的可喜结果。）

蜉蝣的成体仅活一天，就我所知，蜉蝣经历一天如同我们经历一生。然而，蜉蝣的世界不同于我们的世界，如果按通常的时间尺度衡量，我们会曲解蜉蝣生命短暂的一瞬。前达尔文时期的进化论者罗伯特·钱伯斯，利用一个出色的比喻，于1844年描写了一只蜉蝣如何看待蝌蚪变成蛙：

假设一只蜉蝣，在4月，它生命的一天，徘徊在池塘边，能够观察到水下蛙的一群幼仔，到了中午，也就是蜉蝣的老年，那些小蛙在这么长的时间里还没有变化，这只蜉蝣当然无法想象，这些生物的鳃会衰退，会被体内的肺取代，会发育出足，尾巴也要消失，而且这个动物后来会成为能在陆上生活的动物。

人类的意识是在地质时钟的午夜前一分钟产生的。然而，我们中间的“蜉蝣们”企图按照我们的目的篡改古老的世界，这样会使我们忽视地球漫长历史中隐埋的信息。让我们认识到我们只不过生活在我们4月一天的早上吧。

30
自然的吸引：细菌、鸟和蜂

“在女人中你是蒙祝福的” [1] ，这句有名的话是天使加百列在通知玛利亚将被神受孕时说的。在中世纪和文艺复兴的绘画中，加百列有一对鸟的翅膀，一般都是优美地展开着。我去年访问佛罗伦萨时，对意大利伟大画家们画的加百列翅膀的“比较解剖学”产生了浓厚的兴趣。玛利亚和加百列的面庞很美，姿势也栩栩如生。然而有些画中的加百列翅膀，如弗拉·安吉利科 [2] 和马丁尼 [3] 画的，虽然羽毛很美，但整个翅膀显得僵硬，缺乏生机。

但是我后来看到了列奥纳多 [4] 画的加百列。在他的画中，加百列的翅膀是那样流畅、优雅，以致我无暇顾及加百列的脸和他在向玛丽亚做什么。后来我认识到差别的根源何在。列奥纳多研究过鸟类，理解翅膀的气体动力学，他在加百列的背上画的是一个正在运作的器官。他画的加百利翅膀既优美又合理，不仅翅的朝向和弧形正确，而且羽毛的排列也很得当。如果加百列再轻盈些，那么无须神的引导也能飞起来。相反，其他人画的加百列翅膀显得很笨拙，矫饰而无用。这使我想到，美学上的美与功能上的美通常是密切相关的（在这个案例中，甚至是密不可分的）。

自然美的例子不少，如猎豹的奔跑、瞪羚的躲闪、鹰的滑翔、金枪鱼的迅速游弋，以及蛇的爬动和尺蠖的蠕动等，凡是我们认为优雅的形态，在物理学上也是合理的。每当我们试图阐明进化生物学的适应概念时，我们一般都要证明生物无意识地“知道”物理学，即它们进化出卓有成效的取食和运动机制。当玛利亚问加百列怎么才能受孕时，“因为我不认识男人”。天使告诉她：“因为在无主前，没有不能的事。” [5] 在大自然中却有许多事情是不可能的。但只要是自然能做的事，总是做得非常出色。生物有一个出色的式样就如同一位工程师有一张上佳的蓝图一样。

我最近看到了一个式样惊人的出色例子：一种生物在体内直接建起一个出色的机器。这台机器就是一块磁体，而这种生物是很“低等”的细菌。当加百列离开后，玛利亚去找以利沙伯，这时的以利沙伯已经在神的帮助下受了孕。以利沙伯的胎儿（后来的施洗者约翰）“在她的腹中欢跃”。玛利亚诵出《赞美歌》，其中一段（后来由巴赫配上了一首无与伦比的乐曲）唱诵天主“举扬了卑微贫困的人”。微小的细菌是结构最简单的生物，按照传统的（也是错误的）说法，细菌位于生命阶梯的最底层，却利用几微米表现出某些生物需要几米才能表现出的奇妙和美。

1975年，新罕布什尔大学的微生物学家理查德·P.布莱克莫尔，在马萨诸塞州伍兹霍尔附近的沉积物中，发现了“趋磁性”细菌（就像趋地性生物趋向引力场和趋光性生物趋向光一样，趋磁细菌按照磁场的一定方向调整和游动）。然后，布莱克莫尔在伊利诺斯大学，用了一年的时间，与微生物学家拉尔夫·沃尔夫一起分离并培养了纯系的趋磁细菌。后来，布莱克莫尔和沃尔夫又去求助磁物理学专家，麻省理工学院国家磁实验室的理查德·B.弗兰克尔（我感谢弗兰克尔博士向我耐心而清晰地解释了他的工作）。

弗兰克尔和他的同事发现，每一个细菌中都有一个由大约20个不透明的、大致为三角形的颗粒组成的磁体，每一个颗粒的每个边长大约为500埃（1埃=1/106毫米）。这些颗粒主要由磁性物质Fe3 O4 组成，叫作磁铁矿或天然磁石。弗兰克尔后来又计算了单个细菌的全部磁矩，发现每个细菌中都含有足够的磁性，可以抵抗布朗运动的影响，趋向地球的磁场（我们受引力场的影响，物体则很少既不受引力场的影响，也不受影响居间大小物体的表面力的影响，而是以随机的方式，受周边环境的悬浮热能的振动。我们在阳光下看到的颗粒“跳动”，就是典型的布朗运动）。

趋磁细菌有一个出色的机器，是细菌体内唯一可以当罗盘使用的构件。弗兰克尔解释了为什么磁体必须以颗粒的形式存在，为什么颗粒的每个边长一定为大约500埃。磁体要起到罗盘的作用，必须以叫作单一磁畴的颗粒形式存在，每个磁畴要有单一的磁矩，有相对的南北极。趋磁细菌中的磁性颗粒组成了一个链式结构，磁矩以北极—南极—北极—南极的形式排列，按弗兰克尔的话说，就像“马戏压轴戏中大象的头尾相连”。链式颗粒以这种方式起到具有南北极的磁偶极作用。

如果这些颗粒再小些（小于100埃），就会变成“趋顺磁性”颗粒，即室温的热能便能影响颗粒本来的向性。另一方面，如果颗粒的每个边长大于1000埃，那么颗粒中不同的磁畴就会指向不同的方向。这种“颉颃”会减少或消除颗粒的整体磁矩。因此，弗兰克尔得出的结论“这种细菌通过产生大小正好（即500埃）可起到罗盘作用的磁性颗粒”，解决了物理学中一个有趣的问题。

但是进化生物学主要是研究“为什么”问题的科学，因而我们肯定要问，这么小的生物用磁体做什么。因为每个细菌在生存的几分钟内游动的范围不过才几英寸，我发现很难相信向北或向南的定向运动对细菌的全部适应特征能起到什么作用。向哪里运动有什么差别？弗兰克尔指出，对这种细菌来说，能不能向下运动可能是至关重要的，我认为他的观点相当合理，下降是朝着水环境中沉积物的方向，而且下降可以到达一个有良好氧压的地区。在这个例子中，“卑微的东西”可能希望进一步降低自己吧。

但是，细菌怎么知道哪条路是下降之路呢？根据我们过于自我、自鸣得意的成见，我们可能会认为，这个问题毫无意义，因为答案一目了然：细菌最好什么都别做，沉下去。根本不是这么回事。我们能沉下去是因为受引力的影响。引力是物理学中典型的“弱力”，因为我们的身体比较大，所以可以受到引力的影响。我们生活在一个各种力竞争的世界中，这些力的相对强度，主要依赖于它们作用的物体的大小。对于我们熟悉的那些体形微小的生物来说，体表与体积比至关重要。随着生物的增长，这个比例不断降低，因为体表面积按长的平方增加，而体积按长的立方增加。小型动物，例如昆虫，在它们生活的世界中，受着作用于它们表面力的影响。有些昆虫可以在水面上行走，有些则可以倒挂在天花板上，这是因为作用于它们体表的张力太强，把它们拉下来的引力又太弱。引力的作用与体积有关（或者更确切地说，在恒定的引力场中，引力作用于与体积成比例的质量上）。因为我们的体表面积与体积比较低，所以我们受引力左右。但是引力对体形很小的昆虫作用不大，对细菌则根本不起作用。

趋磁菌及其内部小磁体的链（X40000）。

D.L.布克维尔和D.马拉蒂

细菌的世界与我们的世界截然不同，我们必须抛弃我们认为的事物想当然的存在方式，从新的角度去看问题。下次你再在电视上看《奇妙的旅行》，别从拉克尔·韦尔奇的角度看，这样你就会发现，吞噬性白血球确实太长，难怪微型历险者会害怕人体内微小的物质（在膜里，微型历险者的举止就像个乡巴佬）。微型历险者首先要服从布朗运动的振动，这样会使它在膜里变得模糊难辨。而且，正像艾萨克·阿西莫夫告诉我的，它们的行程不会受它们推动者的左右，因为，在那种尺度里，血液会很黏稠。他说，微型历险者应该像细菌一样有一个鞭毛。

达西·汤普森是继伽利略之后研究按比例调整的最著名学者，他告诉我们，要想理解细菌的世界，我们就必须放弃我们的成见。在他的杰作《生长与形式》（出版于1942年，现在仍然再版）中，他以无与伦比的散文体结束了“论量值”一章：

生命量度的范围比起物理科学涉及的确定要宽泛，它的广泛，使得它能够包含人、昆虫和杆菌这样三种不同的情况，三者存在的形式不同，在自然中扮演的角色各异。人类受引力的控制，生活在大地上。水生甲虫的生与死都在池塘的水面上，那里布满危险的障碍，那里也支撑着水生甲虫的生命。在第三种世界中，即杆菌生活的世界，引力不起作用，液体的黏稠性、斯托克斯定律的抗性、布朗运动的分子振动，无疑还有电离介质的电子交换，构成了这种生物的物理环境，并对它产生很强的直接影响。这些决定性的因素与影响我们这般体积的因素不同，这里，我们跨进了从未经历过的世界边缘，因此我们要放弃所有凭经验得出的想法。

然而，一个细菌如何知道哪条路是下降的路呢？我们利用磁体仅限于水平定向，所以我们经常忘记（事实上，我想很多人都不知道）地球的磁场也有垂直的成分，其强度与纬度有关（我们在制造罗盘时，去除了垂直偏转角，因为对我们的用途不大。我们是受引力控制的大型动物，知道如何下落。按照我们的标准，不知道“怎么上升”才是愚蠢的）。罗盘的指针指示地球的力线。在赤道，力线与地表平行。越向两极，这些线越向地球内部倾斜；到了磁极，罗盘的指针直接朝下。在我所在的波士顿的纬度，罗盘指针的垂直成分大于水平成分。一个细菌，如果像一个罗盘指针一样向北游动，在伍兹霍尔，则是向下游动。

到此，关于细菌的罗盘功能完全是推断，是纯粹的猜想。但是如果趋磁细菌用磁体的主要目的是为了向下游动（而不是在它们不熟悉的世界里用于其他目的，或用于上帝才知道的目的），那么我们便可以做一些能够检验的预测。同一物种的成员，如果是生活在适于赤道生活的自然群体，大概就没有磁体，因为罗盘指针在这里没有垂直的成分。在南半球，趋磁细菌应该表现出相反的极性，向南极方向游动。

我们已经知道一些大一点的动物体内也有磁体，这些动物都表现出明显的水平定向能力，水平定向是与我们身体大小差不多的动物所熟悉的罗盘通常用法。石鳖是在地层中与蛤和蜗牛相隔8个板层的亲戚，主要生活在热带地区接近海平面的岩石中，它们利用一个叫作齿舌的像长锉刀式的结构从岩石上刮取食物，而齿舌牙齿的顶端由磁体组成。许多石鳖都能远离居住的地点，但后来又可以“回家”，精确地回到原来居住的地点。它们可能用磁体做定向罗盘，但这种看法还缺乏证据支持，我们甚至不清楚石鳖有没有足够的磁性来感受地球的磁场。弗兰克尔告诉我，石鳖的磁性颗粒完全大于一个磁畴。

一些蜂的腹节处也有磁体，而且我们知道蜂受地球磁场的影响〔见参号文献中J.L.古尔德、J.L.基尔希文克和S.德弗耶斯（J.L. Gould，J.L. Kirschuink and S. Defeyes）的文章，J.L.古尔德不是我的亲戚〕。蜜蜂可以利用蜂巢的垂直面来表演它们那有名的舞蹈。如果将蜂巢放倒，蜂就必须根据水平面来跳舞，这样它们便不可能从引力场的角度辨别方向，于是它们开始辨不清方向。几周以后，蜜蜂终于根据体内的磁性罗盘调整了舞蹈。而且要是把一群蜂放在一个空蜂箱中，里面没有定向的线索，它们就会按照原来蜂箱的磁性方向来建造蜂巢。鸽子回家当然是轻而易举的事，它们的脑与颅骨之间有一个磁体结构。这个磁体就像一个磁畴，因而有定磁向的功能（见参考文献中C.沃尔科特及其合作者的文章）。

这个世界中有很多信号我们接收不到。小型生物生活的世界中有我们不熟悉的力，许多与我们大小差不多的动物感觉的范围远远超过我们。蝙蝠利用声音反射来避开障碍，我听不到这种声音的频率，也许有些人听得到。有些昆虫可以看见紫外光，有些昆虫则可以在花中“看不见的”花蜜引导下找到食物，并把花粉带到另一朵花上，使花受粉（植物的花上之所以具有方向性彩色条纹，完全是为了自身的需要，并不是为了给昆虫提供方便）。

我们感觉不到的东西太多了。在我们周围的自然界中，就有很多令人着迷并且很真实的东西我们看不到（听不到、嗅不到、接触不到、尝不到），但是如果认为凡是我们感觉不到的东西就是新奇的力量，我们便会陷入迷惘与糊涂之中，便会上当受骗，便会以为那些平庸的魔术师真能看到我们视野以外的超验世界。超感觉现象可能是一种错觉，是江湖骗子的庇护所。但是在鸟、蜂和细菌中却有胜过我们“超人”的感觉能力。我们可以利用科学的仪器去感觉和理解我们原本感觉不到的东西。

附言

弗兰克尔在探讨为什么细菌体内有一个磁体结构时，提出了令人信服的设想，他认为对这么小的生物是否游向北方没有什么差异，但是向下游动（这是罗盘在高纬度地区的另一个指向）可能确实非常重要。于是我猜想，如果弗兰克尔的设想正确，南半球的趋磁细菌应该向南游，才能向下游动，即它们的磁性应该和北半球亲戚们的磁性正好相反。

1980年3月，弗兰克尔送我一篇还未发表的他与同行R.P.布莱克莫尔和A.J.卡尔米日合作的文章。他们去了新西兰和塔斯马尼亚岛，以检测南半球趋磁细菌的磁极。这些细菌确实向南，即向下游动，从而令人信服地证实了弗兰克尔的假说，也证明了我在这篇文章中提出的看法。

他们还做了另一个有趣的实验，从而提供了进一步证实的依据。他们在马萨诸塞州伍兹霍尔采集了趋磁细菌，把向北游动的细菌样品分成两部分。他们将其中的一部分样品放在模拟北极的环境中，培养了好几代；将另一部分样品则放在模拟南极的环境中培养。几周以后，在北极环境中北游的细菌依然保持了原来的趋磁极性；但是在极性相反环境中的细菌，则成为主要向南游的细菌。因为细菌在一生中并不改变极性，所以这些家养下的变化大概是由于强烈的自然选择促使细菌向下游的结果。大概在每一种环境中向北向南游的细菌都产生了，但是选择很快淘汰了不能向下游的个体。

弗兰克尔告诉我，他很快就要去地磁赤道，看一下那里在没有向下成分的磁场情况下，会发生什么现象。

31
时间的漫长

1979年1月1日，凌晨2点。

我永远不会忘记托斯卡尼尼 [6] 指挥的最后一场音乐会。这天晚上，这位最杰出的指挥家，这位熟谙西方音乐的人，在摇晃了几秒钟之后，便站不住了。假如英雄真的毫无瑕疵，我们怎么还会对他们感兴趣呢？齐格弗里德 [7] 的肩膀无力，阿喀琉斯 [8] 的脚踝脆弱，超人 [9] 害怕氪化物。

卡尔·马克思曾经说过，所有的历史都发生两次，第一次是作为悲剧，第二次是作为闹剧。如果托斯卡尼尼的失态是悲剧（按照英雄的标准看），那么我可以证实，两个小时前就出现了二次的闹剧。我听到盖伊·隆巴多幽灵般的节拍少敲了。新年经过许多年平稳如常的降临后，在时间上有一点奇妙的延长，这事只有上帝先知道。我后来才获悉，没有人告诉盖伊，1978年结束的最后一分钟很特殊，是61秒。他敲得太早了一点，而且没有用不经意的自如补足时间。

这一秒钟，已经通过校准，加进到原子钟和天文钟中，报刊上也广泛地提到了这一秒，多数报刊是出于打趣逗乐。难免如此，现在好的新闻太少了。报刊在谈到这一秒时，大都是对科学家关注毫厘不差的准确性表示嘲讽。难道一秒钟的时间真的微不足道吗？

于是我想到另一个数字，每年1/50000秒。这么短的时间，与一秒钟相比，就如同一只蚂蚁与一个庞然大物相比一样，但是1/5000秒却是地球因为潮汐摩擦每年自转减慢的时间。我想说明，就是这么一个“无关紧要的”时间，在整个地质时间里会多么重要。

我们早就知道，地球的自转越来越慢。那颗著名彗星的教父、18世纪初创建英国皇家天文学会的埃德蒙·哈雷注意到，记载中的古代日食的位置，与他根据当时地球自转速度预测的日食的可见区域之间，存在着系统的差异。哈雷的计算后来被修改及重新分析过，从而发现，日食记录表明，在过去的几千年间，地球自转大约每百年慢2毫秒。

哈雷未能找到正确的原因来解释地球自转的减慢。18世纪后期，博学的伊曼努尔·康德认为，地球自转速度的减慢是由于月亮。他提出，是潮汐摩擦使地球的自转慢了下来。在潮涨时，月亮拉起地球上的水，当水下的地球转动时，上涨的潮水仍然被吸向月亮。我们作为站在地上的观察者，会看到在潮涨时水一直向西绕地球流动。潮汐不停地穿越海洋和大陆（大陆也有小的潮汐），产生了巨大的摩擦。天文学家罗伯特·雅斯特罗夫和M.H.F.汤普森写道：“潮汐的摩擦每天消耗掉大量能量，这些能量若能利用起来，相当于几倍全世界所需的电力。而潮汐的能量却耗在海浪的拍打中，耗在冲刷岩石时产生的热量中。”

但是潮汐摩擦还有另外一种效果。这种效果我们在有生之年根本看不到，却在地球史上起到了重要的作用。潮汐摩擦制动了转动的地球，以每百年转动慢大约2毫秒，或每年慢1/50000秒的速度，减缓地球的自转。

潮汐对地球自转的制动具有两个相关而且重要的后果。首先，经过一定的时间后，每年的天数会减少。按照标准的铯钟，每一年的时间几乎本质上不变。每年时间的恒定既从经验上得到了天文观测的证实，又从理论上得到了证明。我们可能会以为，就在月潮减慢地球的自转时，日潮也在减慢地球的公转。不过日潮的效应很微弱，而且在空间运行的地球，由于巨大的惯性，经过10亿年后，一年的时间不会再多出三秒钟。这里我们终于遇上了一个可以踏踏实实忽略的时间了，那就是从地球起源时，至50亿年后，由于太阳膨胀引起地球毁灭时，时间只多出半分钟。

其次，由于地球自转减慢时角动量会损失，而月亮——就地球—月亮系统而言，也遵循角动量守恒定律——一定将地球表面的角动量吸收了过去，所以，随着月亮角动量的增加，月亮以越来越远离地球的方式围绕地球旋转。换句话说，月亮一直在稳定地退离地球。

如果在10月一个明澈的夜晚，皓月当空，你向地平线低处看，所看到的月亮似乎应该和5亿年前三叶虫看到的月亮差不多大。著名的天文学家、查尔斯·达尔文的二儿子G.H.达尔文首先提出月球逐渐退离地球的观点。他相信正是由于月亮从地球上被甩了出去，才形成了太平洋。而且他还根据月亮现在退离的速度，反推出这一剧烈活动发生的时间。（月亮的大小是和太平洋差不多，但是根据板块构造学说，我们现在知道，太平洋并非一直是一个巨坑，它并不是像现在这个地质时期的地形轮廓。）

简而言之，在时间进程中，月亮引起的潮汐摩擦产生了两个相互伴随的后果：地球自转减慢并减少了每年的天数，以及加大了地球与月亮之间的距离。

很早之前，天文学家就从理论的角度知道了这些现象，而且他们还从地质上的毫秒角度直接测量过这些现象。但是直到最近，还是没有人知道这些现象在长期的地质时期内到底产生了什么效应。只根据现在的速度进行简单的反推还不够，因为制动强度依赖于大陆和海洋的构形。当潮汐席卷浅海时，才发生最有效的制动；当潮汐发生在深海和陆地时，形成的摩擦力比较小，制动的效应最小。在我们现在的地球上，浅海的面积并不大，但是在过去的不同时期，浅海的面积都曾达到数百万平方公里。在这些时期潮汐产生出的大摩擦，可能被另一些时期潮汐产生的小摩擦抵消了，尤其几个大陆合并为单一的泛大陆时，潮汐产生的摩擦力最小。因此，地球自转随时间减慢的图景更是一个地质学问题，而不只是一个天文学问题。

我很高兴地宣布，我的专业——地质学已经得到了清晰的信息：某些化石的生长图景中记录了远古时的天文节律。现代那些桀傲不逊、自视甚高的数学地质学家和实验地质学家看不起普通的化石。然而，一位研究地球自转的著名学者却写道：“显然是古生物学救助了地质物理学家。”

100多年来，古生物学家偶尔注意到某些化石上有规则的生长线。一些古生物学家认为，这些生长线可能反映的是天文上日、月和年的时期，很像年轮。不过还没有人据此提出什么见解。在整个20世纪30年代，喜好幻想、猜想但兴趣执着的中国古生物学家马廷英研究了珊瑚化石中的年带，想确定古代赤道的位置。（生活在温度近于恒定的赤道地区的珊瑚不会有季节带；生活在纬度越高地区的珊瑚，季节带越明显。）但是当时却没有人研究过珊瑚季节带上常见的数以百计的细条纹。

在20世纪60年代早期，康奈尔大学的古生物学家约翰·威斯特·威尔斯认识到，珊瑚上的细条纹可能记录的是天数（珊瑚晚间生长慢、日光下生长快，很像许多树，由于冬天生长慢、夏天生长快而生长出的年轮）。他研究了现在的有粗带（大概反映的是年数）珊瑚上的细线，并且经过统计发现，平均每有一个粗带，便有大约360个细线。他得出结论，细线记录的是天数。

尔后，威尔斯又研究了收集到的保留良好细线的珊瑚化石。他发现，虽然作为依据的样品数量不多，但还是可以从中窥见古生物学史上的一个最有趣、最重要的现象：有一组珊瑚化石，历史有3.7亿年，上面平均每一个粗带都有将近400条细线。这些珊瑚化石证明，远古时一年有将近400天。终于有一个直接的地质证据证明了一个过去的天文学理论。

但是威尔斯的珊瑚仅证实了这个故事的一半——过去的天数多。故事的另一半，月亮退离，则需要具有日带和月带的化石。如果过去的月亮离地球更近的话，它围绕地球的时间一定比今天的短。远古的太阴月中的太阳日一定比现在的每月29.53日少。

自从威尔斯1963年发表了著名的文章《珊瑚生长与地质年代测定》以来，已经有了一些论述月球周期性的文章。普林斯顿的古生物学家彼特·卡恩和科罗拉多州立大学的物理学家斯蒂芬·庞皮提出，通过人们喜欢的生物鹦鹉螺，就可以了解月亮的历史。鹦鹉螺壳内部划成规则的部分叫中隔。就是这些中隔，它们的结构美，激发了奥列佛·温德尔·霍姆斯 [10] ，他通过类比告诫我们，要过更好的精神生活：

噢，我的灵魂，在你稳固的大厦里，
留下了季节变更的印记！
超越那低矮穹拱，
让每一个新的殿宇，比旧的更壮丽，
让你带着更大的穹拱升入天际，
直到你更加自由；
让生机不息的生命之海，
把你的外壳冲洗。

我欣喜地告诉你们，鹦鹉螺的中隔除了使霍姆斯提出关于灵魂不朽的警训以及奥尼尔 [11] 用作一部戏剧的名称外，可能还有其他的用途。卡恩和庞皮统计了鹦鹉螺壳的细线，发现每一个隔（两个中隔之间的空间）平均含有30条细线，不同的壳以及同一个壳不同隔中的细线数差不多。因为鹦鹉螺生活在太平洋的深处，每天按太阳的周期迁移（即晚上游向水面），所以卡恩和庞皮认为，鹦鹉螺壳上的细线记录的是天数。中隔的形成可能与月亮周期变化有关。许多动物，当然包括人，都存在随月亮周期的变化，通常表现在繁殖上。

鹦鹉螺目动物的化石很多（现代的鹦鹉螺是这个目中仅存的一种类群，而且趋异程度很大）。卡恩和庞皮统计从2500万年到4.2亿年前的25种鹦鹉螺，统计了它们每隔的细线数。他们提出，从近古到远古，隔中的线规则地减少，现代鹦鹉螺每个隔中有30条线，近古的为25条线，最古的仅有9条左右的线。如果在4.2亿年前，月亮绕地球一周才用了9个太阳日（那时每天才有21个小时）的话，那么，那时的月亮一定离地球很近。卡恩和庞皮利用了一些公式计算后，得出结论，远古的鹦鹉螺看到的月亮（是的，它们也有眼睛）一定更大，因为那时月亮与地球之间的距离仅为现在的2/5略多一些。

届此，我必须承认，在这些有关生长节律的化石资料中，存在着一些矛盾的地方，有一些问题利用这种方法还不能解决。你怎么知道鹦鹉螺壳上的线反映的是什么周期呢？比如细线。人们通常认为，细线反映的是太阳日。但是，细线也许反映的是潮汐周期，在这一周期中，既包含了地球的自转，又包含了月亮的公转。如果远古时月亮的公转时间短的话，那么那时的潮汐周期与现在的一个太阳日一次不同。（你现在应该掌握卡恩和庞皮论点的重要之处了，他们在没有直接证据的情况下，提出鹦鹉螺壳上的细线反映的是鹦鹉螺昼夜垂直迁移的周期，而不是潮汐的效应。事实上，针对三种例外的情况，他们指出，这些例外的鹦鹉螺一直栖居在近岸的浅水域，它们壳上的线可能记录的是潮汐。）

就算鹦鹉螺壳上的线反映的太阳周期，你怎么能估计出远古的每月或每年是多少天？简单地数一下线有多少并不是办法，因为动物的活动也许会停歇一天，但是没有听说可以多活动一天作为补偿的。简单地数一下一般会低估天数（还记得吗？威尔斯最初的珊瑚日带平均为360个，而不是365个。在多云的日子里，日间的生长不及夜间的生长，这样就不能形成带）。

而且，最基本的问题是，我们怎么能确信鹦鹉螺壳上的线反映的就是天文周期呢？动物身体上的几何规则常激发人们联想到其中可能记录了天数、月数或年数。但是动物并不是被动的机器，在它们的规则生长中，并不一定老老实实地记下天文周期性。动物还有内在的钟，就是这些内在的钟经常锁定了显然与天数、潮汐、季节无关的新陈代谢节律。例如，绝大多数动物随着年龄的增加，生长速度会慢下来。但是也有一些动物体上的生长线一直以恒定的速度增加。在鹦鹉螺目的动物的生长过程中，中隔间的距离恒定、规则地增加。中隔是每月形成一个，还是一个多月才形成一个，从而记录了更长的时间？鹦鹉螺目动物的生命规则可能是：当隔的空间规则地增加到一定程度，便生出一个中隔，而非每个月才生出一个中隔。我主要就是出于这个原因，非常怀疑卡恩和庞皮的结论。

这些问题不解决，留下的就仅是价值不大的动物同步生长资料，而且动物的同步生长中还存在大量令人头痛的差别。一位研究珊瑚的月亮周期性的学者提出，大约3.5亿年前，每月的天数比卡恩和庞皮设想的天数多3倍。

然而，出于两个原因，我依然感到欣慰和乐观。尽管存在一些本质上的不同步，但是这项研究都揭示了一个最基本的图景——每年的天数在减少。其次，古生物学家经过最初盲目的乐观后，现在正在做着应该做的艰苦工作，了解动物体上的那些线到底意味着什么，他们采用可控条件的实验，研究现存的动物。有可能在不久就会得出解决化石资料中差异问题的标准。

地质学中不常见到迷人或刺激性的问题。比如下面这个问题：如果你根据日食的资料进行估计，你会通过从时间上的反推，了解到目前月亮退离地球的程度，并发现月亮是在10亿年前到达洛希极限 [12] 的。在洛希极限内，不可能形成大的星体。如果大的星体从外部进入洛希极限，能产生什么结果还不清楚，但产生的结果一定很明显。地球上可能会兴起巨潮，月亮表面可能会熔化。真是这样的话，从阿波罗登月采回的岩石中应该存在确切的证据，但是没有。（根据现代资料估计出的月亮退离速度，即每年5.8厘米，远远低于卡恩和庞皮提出的平均每年94.5厘米。）无论比起10亿年前，还是自40多亿年前月亮表面凝固以来，月亮与地球之间的距离都越来越远了。或者是在地球历史的早期，月亮退离地球的速度很缓慢，但以后的退离速度发生了剧烈的变化，或者是在地球形成后很久，月亮才进入它现在的轨道。无论是哪种情况，月亮在过去都离我们更近一些，而这一关系的变化，对于地球和月亮的历史都有重要的影响。

至于地球，根据记录最早潮汐幅度的沉积岩，我们可以推出，那时的潮汐令现在芬迪湾 [13] 的潮汐望尘莫及。至于月亮，卡恩和庞皮提出了有趣的设想，如果认为月亮过去离地球更近，并受到地球更强引力的牵拉，那么也许就可以解释为什么月海 [14] （月海由液体状岩喷涌而成）都集中在我们可见的一面，即朝向地球的一面，以及为什么月亮质量的中心朝向地球方向。

地质学给我们上的最重要的一课就是时间是漫长的。我们经过思考，无疑会理会这一点，并脱口说出地球的年龄已经超过45亿年。但是大脑的思考和内心的赏析是不同的事情。45亿年是一个不可思议的巨大数字，我们可以借助比喻和想象来强调，地球已经存在了很久，而相比之下人类经过的进化历程是多么微不足道，更不用说我们个人的生命只能算是宇宙中的毫微秒。

有一个关于地球史的标准比喻，即将地球的历史比喻为24小时，而人类的文明只是在最后的几秒钟才出现。我想强调，按我们的生命尺度，有些效应可能毫无意义，但积累起来却有很大的影响。我们刚刚过去了一年，地球又慢下1/50000秒。什么一闪而过？就是你刚才读过的那些文字。

[1] 《圣经·新约·路迦福音》1:28。——译注

[2] 安吉利科（1400？—1455），意大利文艺复兴早期佛罗伦萨画派的著名画家。——译注

[3] 马丁尼（1283—1344），意大利锡耶纳画家，哥特式绘画的代表人物。——译注

[4] 即意大利文艺复兴时期的著名画家列奥纳多·达·芬奇。——译注

[5] 两句引语依次见《圣经·新约·路迦福音》1:34和1:37。——译注

[6] 托斯卡尼尼（1867—1957），意大利著名指挥家。——译注

[7] 齐格弗里德是德国史诗《尼伯龙根之歌》中的英雄人物。——译注

[8] 阿喀琉斯是古希腊神话中攻克特洛伊城的英雄。——译注

[9] 超人是20世纪70年代美国电影《超人》中的主人公。——译注

[10] 霍姆斯（1809—1894），美国医师、幽默作家，曾任哈佛大学医学院院长，他以“早餐桌上”系列短文而闻名。——译注

[11] 奥尼尔（1888—1953），美国戏剧家，主要剧作有《天边外》《安娜·克里斯蒂》等，获1936年诺贝尔奖。——译注

[12] 洛希极限是法国天文学家E.洛希（1820—1883）于1848年计算出的行星对卫星的引力干扰范围。——译注

[13] 芬迪湾是位于加拿大新斯科舍省和新不伦瑞克省之间的大西洋海湾，以其迅速涨落的潮汐闻名于世，潮水可上涨到21米，是世界上潮位最高、潮差最大的海湾。——译注

[14] 指我们从地球上看到的月亮上的阴暗区。——译注

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《星际迷航》里的物理学

（美）劳伦斯·M.克劳斯　著
韩潇潇　李沛岭　译

海南出版社

目录

序言

自序

修订版自序

第一部分 一场宇宙级别的纸牌游戏

［第一章］ 牛顿开启牌局

［第二章］ 爱因斯坦加注

［第三章］ 霍金亮出底牌

［第四章］ 戴达结束牌局

第二部分 无处不在的物质

［第五章］ 传送原子，还是比特？

［第六章］ 正反物质与曲速引擎

［第七章］ 全息甲板和全息图

第三部分 谁在作祟？是无形的宇宙，还是夜间的幽灵？

［第八章］ 寻找斯波克

［第九章］ 各种可能性

［第十章］ 各种不可能性：无法触及的国度

后记

致谢

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谨以此书献给我的家人

“但是我并不能改变物理定律啊，舰长！”

（斯科提对柯克舰长说过无数遍的一句话）

序言
foreword

戴达 [1] 邀请牛顿、爱因斯坦和我一起参加进取号上的这场纸牌游戏，对此我感到有些受宠若惊，因为他们两位都是引力研究领域的大师，尤其是那个不相信概率，或者说不相信上帝会掷骰子的爱因斯坦。在游戏中一直处于下风的我，现在突然有了一个扭转牌局的大好机会。然而即便我赢了这场游戏，也没有机会拿到应得的奖金。因为此时有人拉响了红色警戒，这场游戏不得不宣告中断。事后我曾试图联系派拉蒙影城，想让他们把我手中剩余的筹码兑换成现金，不过他们以不清楚这两者之间的兑换比例为由，委婉地拒绝了我。（译者注：霍金曾出演过《星际迷航》第六季最后一集）

《星际迷航》这类科幻作品在娱乐大众的同时，也被赋予了另一个严肃的使命——开拓人类的想象力。我们目前可能没有什么办法去探索那些宇宙中的荒漠，但我们至少能够在大脑中想象这些场景。我们不仅可以推测未来科技的发展方向，甚至可以大胆设想人类会对这些科技发展做出怎样的回应。其实科幻作品和科学发展之间是相互影响、相互作用的。科学家有时会借鉴科幻作品中的一些设定，并把它们运用到真实的科学理论当中；有时则会发现一些比科幻作品还要奇幻的科学理论。“黑洞”就是个很好的例子。其实最初它不叫黑洞，而是被叫作“冻成一坨的星域”，或是“一坨引力完全坍缩的物体”。“黑洞”这个简短但意境深邃的名字，是受物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒的启发，而更改过来的。如果科学界沿用了之前拗口的名字，那么与之相关的科幻作品，可能连现在的一半都没有。

在《星际迷航》和许多其他科幻作品中，都有一个共同的重要设定，那就是超光速旅行。的确，这个设定对整个《星际迷航》的故事构架来说是不可或缺的。假如现在进取号的飞行速度受到了限制，只能和光速保持同样大小，那么就会出现一种奇异的时空现象——对于同样的一段往返银河中心的旅程，从进取号船员的角度来看，不过是短短几年；而从地球上的角度来看，将是漫长的8万年！当你回到地球上打算拥抱阔别已久的家人时，你会发现一切都已沧海桑田，物是人非。

幸运的是，爱因斯坦的广义相对论为我们提供了一个可能的解决方案：人类可以尝试将时空弯曲化，进而创造出一个直达目的地的捷径。尽管这样做会涉及复杂的负能量问题，但我相信人类在未来可以解决掉这些困难，最终掌握弯曲时空的能力。之所以目前没有关于弯曲时空的、令人信服的科研成果，在我看来，是因为这些事情过于虚幻——一旦人类成功地弯曲了时空，那么我们将不仅能够进行快速的星际旅行，甚至还能够让时光发生倒流，这分明就是科幻作品里才会出现的情节。假如美国国家科学基金会出资，支持科学家研究时空旅行这件事儿被泄露出去，那么来自大众的怨声将不难想象——“这不是浪费我们纳税人的钱么！”正是因为考虑到了这一点，在这个领域工作的科学家们才会不遗余力地、试图用“封闭类时曲线”之类的科学名词作为“时空旅行”的暗语，来掩饰自己真实的工作内容。然而事实上，今天的科幻情节，经常会成为明天的科学事实。因此《星际迷航》中涉及的那些物理现象，非常值得我们深入探究一番。宇宙包罗星海，浩瀚无垠。如果我们仅仅把目光停留在这小小的地球上，那么人类的一切文明，也将永远被囚禁于这沧海中的一粟上。

史蒂芬·霍金

注解：

[1] 　Data，《星际迷航》中的一个生化人角色，有着极高的智商，但对人类的情感不甚了解。

自序
preface

读者可能会产生这样一个疑问——为什么要以《星际迷航》为背景来写这本书呢？毕竟吉恩·罗登贝瑞所描绘的只是一个科幻作品，而不是确凿的科学事实啊！的确，《星际迷航》中出现的那些技术奇迹，不可避免地会涉及一些模棱两可的物理学概念，甚至会与我们认知中的宇宙产生偏差。当我写完这本书，站在“尾声”的部分向前回顾时，我不希望它仅仅是一本《〈星际迷航〉漏洞大全》。

然而我发现，“写一本《〈星际迷航〉里的物理学》”的想法，在我脑海中挥之不去。而且我必须向大家坦白，最初正是《星际迷航》中神奇的时空传送器吸引了我，才让我产生了这样的想法。我相信，只要你能够意识到构思出这个庞大的科幻世界需要面对何等的挑战，那么你也一定会不由自主地开始思考计算机、信息高速公路，思考粒子物理、量子力学、核能源、望远镜的构造、生命体的复杂性，甚至是人类灵魂的存在性等一系列问题，当你把这些问题和空间弯曲、时空旅行糅合在一起时，你就会发现这整个思考过程是多么让人难以抗拒。

我忽然意识到，我乐于写这本书的原因，和《星际迷航》在首集播出三十年后的今天仍然受到广大影迷喜爱的原因，是一样的——用《星际迷航》中那个无所不能的、喜欢恶作剧的Q的一句话来讲就是：“对于那些不为人知的、关于各种事物本身存在性的问题，我想逐个得到解答。”其实在我看来，思索这些答案的过程，比真正得到这些答案更有趣。我相信Q会同意我的看法。

正如史蒂芬·霍金在本书序言中所说的那样，《星际迷航》这类科幻作品确实能够拓展人类的想象力。而探索未来世界中的无限可能——包括目光短浅的人类解决国际矛盾和种族矛盾并齐心协力探索外太空的可能性——也确实是《星际迷航》系列能够经久不衰的原因之一。同时，这些无限的可能性也是现代物理学不断创造奇迹的原因之一。不过，正是因为这些可能性是无限的，我只能从中挑出一些具有代表性的问题，在本书中展示给大家。

前几天我在校园里闲逛的时候，曾顺手做了一份非正式的调查报告。数据显示，在英国，那些从未听说过“传送我吧，斯科提”这句话的人，和那些表示自己从来没听说过番茄酱这种东西的人，在数量上几乎是一样的。当我们考虑到星舰进取号的模型是整个美国国家航空航天博物馆中最受欢迎的展品这一事实时——它甚至比馆中那个真正的航天器更受欢迎——我们就不难发现，对于大部分人来说，《星际迷航》是他们对宇宙的好奇心的天然载体。我不觉得还有其他更好的载体，能够让我们在了解现代物理学前沿的同时，了解到未来物理学的极限所在。最后，希望大家能够和我一样，享受这次探索宇宙的旅程。

“生生不息，繁荣昌盛。”

修订版自序
preface to the revised edition

当我在13年前，坐在书桌前写下《〈星际迷航〉里的物理学》的第一个字的时候，我完全没有想到这本书会完全改变我的生活，也没有想到这本书会对读者们产生如此巨大的影响，无论他们是不是《星际迷航》的影迷。我当时最大的愿望，就是希望在本书出版后，那些愤怒的影迷不会对我处以私刑，那些一起工作的同事不会对我冷眼相待。

最后事实证明，我担忧的这些事情都没有发生，而且那些呼声最高的书评和我预想的正好相反。在我收到的第一批读者来信中，有人这样写道：“我一直等了20年，才终于在书店的‘科普读物区’找到一本关于《星际迷航》的书！”不仅如此，在本书的专题讲座上，我还遇到了一群七八岁的孩子，手里攥着已经被翻破的《〈星际迷航〉里的物理学》不断地向我问问题；我的同事们也没有对我冷眼相待，而是惊讶于物理科普书居然能挤进畅销榜。最令我感到不可思议的是，这本书居然开辟了一个新的图书种类——《XX里的XX学》。起初，这些类似的书名还仅仅停留在《〈星际迷航〉里的XX学》这种程度。然而不久之后，就出现了《圣诞节里的物理学》和《〈哈利·波特〉里的科学》这种书名……

我甚至有幸参演了由派拉蒙影业拍摄的《星际迷航》中的一些场景，可惜我并没有能够出现在爱因斯坦的牌局中，只是在旁边客串了一下。此外，我还和柯克舰长一起拍了一部电视纪录片，与指挥官瑞克、夸克的扮演者一起消磨时光。

其实在本书出版不久之后，我就收到了关于续作的呼声，并且在接下来的几年中，这样的呼声越来越高。但我认为，我已经在这本书中把想要讲的东西都讲到了。嗯……几乎都讲到了。然而随着时间的推移，《星际迷航》系列又增添了新的作品，同时科学也在不断发展，而且我认为后者的速度要比前者的速度大得多。为了能够让书中涉及的科学知识都能跟上时代，我决定把这本书从头到尾修订一遍，把那些看起来有必要的前沿科技都加进去，同时删掉那些最后被证明有纰漏的争议性言论。

在这个过程中，我还会增加一些和《星际迷航》剧情、甚至一些幕后花絮相关的内容——一个和我在某次讲座中遇到的一个5岁小朋友有关，另一个和进取号上的一位船员有关。不过请各位放心，我会竭尽全力保留在第一版中出现过的那些角色，他们中的绝大部分都会“毫发无伤”。最后，我希望读者能够继续享受这本书中讨论，并且认识到一个更加迷人的事实——现实中的宇宙和《星际迷航》中的宇宙一样浩瀚壮丽，并且不断地为人类献上一场又一场超乎认知的科学奇迹，哪怕是地球上最顶尖编剧精心设计的最不可思议的奇思妙想，也难以望其项背。

第一部分
一场宇宙级别的纸牌游戏

我首先会介绍惯性阻尼器和牵引光束，进而引出时空旅行、翘曲速度、护盾、虫洞，以及各种和时空有关的奇异概念。

［第一章］
牛顿开启牌局

“无论你的星舰驶向何方，宇宙都将与你同在。”

——摘自影片《星际迷航6：未来之城》中，星舰精进号上的一块标牌。

可能转引自《巴卡路-班仔的大冒险》

你现在正驾驶着星舰挑战号（NCC–1764），在环绕着伊肯尼安星球的轨道上飞行，靠近中立区。你的任务是飞到太阳系的另一端与一艘补给飞船会合，然后拿到维修配件，修好传送器中出故障的初级励磁线圈。很显然，这个任务没必要使用曲速引擎：你只需要把冲量引擎开到最大马力，就可以轻松地让星舰速度达到光速的一半，从而在短短数个小时之内飞到目的地，甚至还有多余的时间来取回补给飞船上最新的飞行日志。然而，当你就这样启动引擎飞离伊肯尼安星球的轨道时，你的胸口会突然受到一股巨大的压力，双手如铅球般沉重，整个人像是被钉在座位上，动弹不得。同时你的嘴角狰狞地咧开，眼球仿佛马上就要“夺眶而出”，全身的血液难以流入大脑。过一会儿你就会失去意识……几分钟后你就会命丧宇宙。

究竟发生了什么？这并不是星舰即将毁于“相间漂流”的预兆，也不是罗慕伦帝国的隐形战机来袭，而是你已经受作用于某种更强大的力量，成为它的牺牲品。因为此时那位聪明绝顶、被你寄予厚望的《星际迷航》的编剧，尚未构思出那个后续作品中常见的设备——惯性阻尼器。你应该已经猜到了，那个让你成为牺牲品的力量其实不是什么新奇的东西，而是源自高中物理中最容易忘记的那条定律——牛顿运动定律。

看到这里，可能会有一些《星际迷航》影迷表示不满：“这样好没劲啊！我并不想把牛顿定律重新学一遍！请直接回答那些我们真正想了解的问题！比如‘曲速引擎的工作原理’‘达到翘曲速度之前的闪烁到底是怎么回事？是不是就像音爆一样？’或者‘什么是二锂晶体？’”请各位读者放心，这些问题在本书中会一一得到解答。想要畅游《星际迷航》的世界，必然要了解那些无比新奇的物理知识。然而只有把零散的知识拼凑起来，我们才能真正解决各位读者最关心的那个问题：“《星际迷航》中的那些神奇景象真的能实现吗？如果答案是能，那它们又是怎样实现的呢？”

且不说探索无人深空，就连离开星际舰队总部这样简单的行动，都和300多年前伽利略与牛顿面对的问题一样困难。而激励人们不断探索的最终动机，将是一个宇宙级别的问题，也是吉恩·罗登贝瑞在《星际迷航》中所要阐述的核心问题，同时也是我在这本书中不断探索的一个问题：以现如今的科学水平为画笔，我们能描绘出怎样的未来文明呢？

坐过飞机或汽车的人都知道，交通工具从静止到开始提速的过程中，乘客会有一种被推向座椅的感觉，这种感觉在星舰上会尤为突出。这是因为冲量引擎中正在进行核聚变反应，该反应会产生强大的压力，推动一些气体和放射物质以极高的速度从舰尾喷出。这些气体和放射物质在脱离发动机的过程中，会对发动机造成一个反作用力，使得发动机因“反冲作用”向前运动。由于发动机固定在星舰上，因此星舰也会跟着发动机一起向前运动。掌航的你，也会被座椅对你产生的力推着前进。反过来，你的身体也会对座椅产生一个向后的作用力。

这里有一个让人头大的问题。当一个锤子以极高的速度砸向你的头部时，会对你的头骨造成一个致命的冲击力。如果座椅对你产生的力过大，那么它也会像锤子一样置你于死地。对于这个在高速加速过程中（如飞机起飞或火箭发射）人体感受到的力，喷气机飞行员和美国航空航天局给它起了一个特别的名字——G力。我臀部疼痛的现象也可以用G力来解释：坐在电脑前忙着打字时，我可以感觉到办公椅始终存在着一种作用于我臀部的、我早就习以为常的力（这里还要补充一点，此时此刻我的臀部正在以一种非常不雅的方式和这种力斗争）。这个作用在我臀部上的力正是由于重力而产生的。如果不受任何阻碍，那么我将会因重力不断加速着坠入地球内部。我之所以没有从办公椅上坠入地球内部，是因为大地为房子提供了一个向上的反作用力，这个力通过钢筋混凝土结构传到我所在的二楼书房的木制地板上，地板又对我的办公椅施加了一个力，办公椅又会对我身体和办公椅相接触的部位施加一个支撑力。假如地球质量增加一倍而直径不变，那么我臀部所感受到的力也会增加一倍。此时为与重力保持平衡，各处向上的反作用力也要增加一倍。

在星际旅行中也要考虑同样的问题。假如身为舰长的你此时正坐在座椅上，打算命令星舰加速，那么你必须考虑座椅对你身体产生的那个向前的作用力。如果你命令船员将星舰加速度增加一倍，那么座椅产生的作用力也会跟着增加一倍。加速度越大，座椅的作用力越大。问题在于，短时间内将星舰加速到“冲量速度”需要极大的推力，这样的推力没有任何东西能承受——更不用说你那脆弱的身躯。

顺便提一句，在整个《星际迷航》系列的各种不同场景中，都出现过同样的问题——甚至包括地球上的场景。在影片《星际迷航5：终极先锋》的开头，詹姆斯·T·柯克正在约塞米蒂国家公园度假，享受自由攀岩的乐趣。突然他脚底一滑，坠落下来。斯波克利用火箭靴前去营救，在柯克舰长距离地面只有咫尺之距的时候接住了他。其实这种营救方法在现实中难以奏效，因为无论接住他的是大地，还是斯波克的“瓦肯式扑救”，瞬间停止坠落这个过程本身都会将舰长置于死地。

现在回到正题。还没等反作用力撕碎你的身体，严重的生理问题就已经开始作祟了。首先，你的心脏将难以像往常一样通过强有力的泵血过程，将血液输送至你的头部。当战机突然加速，或刚进行了高难度的飞行动作时，飞行员偶尔会昏厥过去，也是这个原因。为此科学家研制出了一种特殊的制服，使得飞行员体内的血液能够从腿部上流到头部，从而让飞行员在加速过程中能够保持清醒。这种人体生理反应一直以来都决定着现代化航天器加速度的上限，这也解释了美国航空航天局为什么不能像儒勒·凡尔纳的经典作品《从地球到月球》中那样，用大口径加农炮将宇航员发射到飞行轨道上。

假设我现在打算从静止开始，加速到光速的一半，也就是大约每秒150000千米，我只能耐心地慢慢加速，从而保证我的身体不会在加速过程中被撕碎。从轨道加速离开时，为了使将我推向座椅的力不大于3G，那么相应的加速度必须控制在地球上自由落体加速度的3倍以内。以这样的加速度进行加速，达到光速的一半将耗时500万秒，也就是大约两个半月！这样的设定可拍不出惊心动魄的影片。

惯性阻尼器

为了摆脱这种困境，在完成了第一艘宪法级星舰进取号（NCC–1701）的构思之后，《星际迷航》的编剧们不得不对观众们的质疑——星舰加速度过大会瞬间让全体船员变得血肉模糊 [1] ——进行回应，他们发明了“惯性阻尼器”。这是一种宇宙级别的减震器，同时也是一种精妙的、能够摆平上述棘手问题的情节设计。（其实在整整一个世纪以前，由舰长亚契领导的NX级别的星舰进取号似乎已经装上了惯性阻尼器。可惜的是，虽然这艘星舰建造时间很早，但是在《星际迷航》中登场的时间却特别晚。）

俗话说，失去后才懂得珍惜，惯性阻尼器便是如此，失去时才会发现它有多重要。例如那次，一种被称作纳米人的微芯生物为了完成自身的进化，吞噬了星舰控制中心的内存设备，导致进取号失去对惯性阻尼器的控制，几乎舰毁人亡。没错，似乎每次进取号被摧毁（通常出现在叛变情节中），都是由失去惯性阻尼器造成的。同样的，当一架罗慕伦帝国战机失去惯性阻尼器时，我们也能够看到机组人员的身体开始渗出绿色血液。

就像《星际迷航》中其他的新奇技术一样，想要精准地阐述惯性阻尼器的工作原理是很困难的。相比之下，描述惯性阻尼器所解决的实际问题，则要容易得多。“星际迷航物理学第一定律”应该这样阐述：要回避的问题越基础，解决起来就越具有挑战性。人类之所以能走到今天，甚至构想出《星际迷航》这样的未来世界，就是因为物理学是一门在其基础上不断发展的科学。构想《星际迷航》世界的难点在于，编剧们不仅要回避一些基础性的物理问题，更要回避由这些基础问题延伸出来的一系列物理问题。物理学的发展过程不像是闹革命那样，摒弃所有旧东西、旧观念；而是像生物进化的过程一样，以已有的精华为基础，不断优化，不断进步。即便是再过100万年，无论前沿物理发展到了何种地步，牛顿定律都会像今天一样适用。如果我们站在地上抛个球，那么它一定会掉向地面；如果从现在开始，我坐在桌前一直写作到世界末日，那么我的屁股也一定会保持着疼痛，直到永远。

即便如此，如果一直对惯性阻尼器的问题避而不谈，甚至连这东西的工作方式都不进行一些实实在在的介绍，那未免有失公允。正如前面提到的，人们必须想办法在星舰中制作出一个人造环境，来消除加速度惯性力引起的反作用力，从而使星舰中的人和物都感觉不到星舰正在加速。前面我们解释过为什么加速过程会让你有一种类似受到地心引力的感觉。两者之间的联系就是爱因斯坦广义相对论的基础，这种联系远比看上去的要密切。因此，制作出上述的人工环境只有一种办法：机组成员必须在星舰内部创造一个人造引力场，产生一个反向的拉力来抵消反作用力。

这种办法即便能够令人信服，也仍旧存在着许多亟待解决的实际问题。例如当冲量引擎突然提速时，惯性阻尼器不能及时地做出调整。举个实际情况的例子，当波兹曼号紧随进取号，从时间扭曲中浮出时，进取号会掉入到因果循环陷阱之中，舰上的船员会被甩到星舰的各个角落（这种现象甚至会先于曲速核心爆裂和惯性阻尼器失灵）。我查过进取号的技术参数 [2] ，发现惯性阻尼器的响应时间大约是60毫秒 [3] 。这个时间看上去很短暂，但是如果惯性阻尼器在加速期间出现60毫秒的延迟，那结果将是致命的。为了更加形象，可以想象一下锤子让你脑袋开花所需要的时间，也可以考虑从约塞米蒂国家公园的悬崖上跳下，到坠地而死所耗费的时长。你要知道，以十几千米每小时的速度产生的冲撞，就相当于你全速奔跑时一头撞到墙上！为了保证生命安全，惯性阻尼器的响应时间最好能够更短一些。在那些我认识的《星际迷航》影迷当中，不止有一个人指出，无论什么时候星舰受到撞击，都没有发生那些本应出现的画面——船员们被冲击波甩向星舰各处。

牵引光束

在我们离开熟悉的经典物理学领域之前，我不得不说一下另一个想要生效，就不得不考虑牛顿定律的技术奇迹：那就是进取号上的牵引光束。这种技术能让不断逼近的星核碎片发生偏转，在摩押IV星球上的基因组殖民地救援行动中大放异彩；也曾在布莱尔IV星球上一场营救行动中（虽然行动并未成功）有过类似的精彩表现——牵引光束把袭来的卫星推回了正常的轨道上。粗浅地来看，牵引光束似乎很简单，因为它就像隐形的棍子或绳子，即便这背后的驱动力很不可思议。牵引光束的确就像结实的绳子一样，进行着牵引航天器、拖拽战舰、或阻止敌舰逃跑这样的工作，而且效果出奇的好。其实早在牵引光束在星际联邦中普及之前，NX级别的星舰进取号就已经用上了一种叫作“磁爪”的工具来应对这些需要精确操作的任务。这里我们暂且不详细介绍磁爪，因为关于牵引光束我们还有一个问题：无论是用绳子、磁爪，还是牵引光束，只要是拖拽作业，我们都需要把拖拽工具固定在地面，或者是其他的重物之上。滑过冰的人都知道，当你站在冰上，想要将一个物体推离你的时候，会遇到这样一个情景——你成功地推开了物体，但同时你自己也向另一边滑动了。也就是说，如果你不能把自己绑在一个固定不动的物体上，你就难以摆脱自身惯性的影响。

正是考虑到这个原理，舰长让-卢克·皮卡德才会在“战斗” [4] 这一集中命令瑞克中尉关掉牵引光束。皮卡德解释说，如果不关掉光束，那么他们的牵引目标会在其自身动量 [5] 的作用下，与他们并排前进。出于同样的原因，如果进取号打算用牵引光束避开占星者号的话，那么在成功将占星者号推走的同时，进取号自身也会被反作用力推向另一方向。

目前来说，这种现象已经严重影响到了人类探索宇宙的进程。举个例子，假如你是一名宇航员，被派送到哈勃空间望远镜上去拧紧一颗螺栓。当你拿出携带的电动扳手，去拧那个讨厌的螺栓时，你会猛然发现一个糟糕的事实——将电动扳手就位并打开开关后，转起来的可能不是螺栓，而是你自己。这是因为哈勃空间望远镜的重量要远大于你的重量，电动扳手在对螺栓施加力的同时，相应的反作用力也会作用在你身上，所以你比螺栓更容易转起来，尤其是当这个螺栓被紧紧固定在望远镜上的时候。当然如果你足够幸运，能够像刺杀克林贡最高议会议长高冈的杀手一样得到一双重力靴，那么你就能稳稳地站在任何地方，就像在地球上一样，可以随意走动。

同样的，你也能想象到当进取号试图将另一艘星舰拉向自己时会发生什么。除非进取号的质量大到难以计量，否则一旦开启牵引光束或是磁爪，进取号和另一艘星舰会同时开始运动，最终被吸到一起。然而在茫茫宇宙中，这种相对位移只不过是文字游戏而已。在没有任何参照系的情况下，没人知道到底是谁在飞向谁。然而假如你恰好处在那个倒霉的正笼罩在叛变阴影下的摩押IV星球，那么在这种情况下，进取号飞向摩押IV和摩押IV飞向进取号将有巨大的差别。

有一位我熟识的《星际迷航》影迷指出，在剧集中，至少有一集已经间接解决了这个难题：进取号只需要在启用牵引光束的同时打开冲量引擎，它就能够利用引擎制造一个与牵引方向相反的力，来抵消掉进取号牵引物体时产生的反作用力。这位影迷还强调说，他明确记得剧中曾经提到过，牵引光束需要冲量引擎的配合才能正常工作。然而我却不记得剧中有过这样的设定，也没看到过柯克和皮卡德下达相关命令——要求在牵引光束工作时打开冲量引擎。事实上，对于一个有能力设计并制作出惯性阻尼器的文明来说，这样莽撞的飞行行为令人费解。这让我想起乔迪·拉弗吉试图用一个翘曲场，将布莱尔IV星球的卫星推回它的轨道上。拉弗吉这样的要求在现实中看起来是个遥不可及的梦想，但是我认为，只要通过对时空进行一些复杂的操作，就能够从另一个角度解决乔迪·拉弗吉的问题。想要知道到底是怎么回事，我们就必须启动惯性阻尼器，并加速进入到一个时空弯曲的世界。

［第二章］
爱因斯坦加注

曾有仙女，名号清亮

迅疾叵测，光影摇荡

今赴人间，呈以相对之势

次日归还，却披昨夜星光

——佚名

“时间，人类最后的疆域。”——或许每一集《星际迷航》都应该用这句话作开场白。早在约50年前播出的、被奉为经典的“明天即是昨天” [6] 一集中，进取号就已经能够穿梭时间，进行时空旅行了。（实际上，在更早的“赤裸时间” [7] 一集的结尾，进取号就已经经历了一次穿越到3天前的时间旅行，不过是单向的。）当时星舰由于遭遇了“黑星”（当时“黑洞”这种叫法尚未进入大众文化），而被传送回20世纪的地球。在今天，像是虫洞、“量子奇点”这样，经常被用来增添《星际迷航：航海家号》《星际迷航：进取号》等剧集的趣味程度的新奇理念，对剧情的重要程度早已超过了“时空冷战”这类元素。多亏了爱因斯坦和那些沿着他的足迹探索的人们，整个时空的构造才充满了戏剧色彩。

虽然从某种程度上来讲，我们每个人都是时间旅行者，但是我们似乎注定只能朝着一个方向前进——走向未来，因此整个人类的历史，在浩瀚的宇宙中看起来有些可悲。倘使有这样一个机会，能够让我们穿越回过去，重温往日的荣耀，纠正犯下的错误，参拜我们的英雄，甚至避免那些发生过的灾难，又或者仅仅是保留记忆返老还童，难道我们不会不顾一切地去争取吗？每当我们仰望星空，都会唤醒我们关于时空旅行的梦想，然而我们似乎将永远被囚禁在当下。不断激励人们在科幻作品中追寻关于时空的梦想，在现实中探索理论物理的动机，是这样一个问题：我们是否被束缚在一辆隶属于“宇宙货运公司”的、正以时间为轨道不断前行的列车上？

作为现代图书分类中的一大门类，现代科幻小说的起源与时间旅行的问题密切相关。以马克·吐温的早期经典作品《误闯亚瑟王宫》为例，与其说它是一部科幻小说，不如说它是一部纯虚构小说，尽管全书都在讲述一个倒霉的美国人在中世纪英国进行时间旅行时所碰见的种种奇遇。（之所以马克·吐温没有在时间旅行这个问题上进行充分的科学性的描述，可能是因为在“光阴似箭”一集中，他在进取号上向皮卡德许下过诺言，承诺当自己穿过戴维迪亚二号星球，返回19世纪时，不会向当时的人们透露未来的景象。）而赫伯特·乔治·威尔斯的著作《时间机器》，则帮助《星际迷航》剧集树立了一个标准。威尔斯毕业于伦敦帝国理工学院，其小说中进行讨论时所用到的科学术语，和进取号船员交流时所用的语言，几乎一模一样。

可以肯定的是，《星际迷航》中那些最富有创造性、最引人入胜的剧集，都和时间旅行的主题有关。我曾经统计过，在《星际迷航》最初的两季电视剧中，就有不下22集涉及这一主题。此外，在其余三部星际迷航电影《星际迷航：航海家号》《星际迷航：深空九号》和最近的《星际迷航：进取号》中，时间旅行这个主题在剧情推动上都起到了重要的作用。在《星际迷航》中，时间旅行最迷人的地方，或许就是人们几乎没有任何能力来反抗《最高指导原则》。星际舰队的船员们被告诫，不要干扰他们所遇到的那些外星文明的正常历史进程。然而你却可以通过时间旅行回到从前，现在的一切，乃至整个历史，都将不复存在。

关于时间旅行的悖论

在科幻小说和物理学两个领域中，人们发现了一个著名的悖论：假如你成功地回到了过去，并在出生前就杀掉了自己的母亲，那么会出现怎样的情况呢？理论上讲，由于没有了母亲，你不可能出生。然而因为你没有出生，你就不可能回到过去杀掉你的母亲。由于你没有杀掉你的母亲，那么你就会顺利出生，并存在于这个世界上。换句话说：如果你出生了，那么你就一定不存在；如果你没有出生，那么你就一定存在。

当你更进一步地思考关于时间旅行的问题时，你还会遇到一些不那么明显，却同样富有戏剧性、同样让人困惑不解的问题。比如在“光阴似箭”一集中，为了把一些重要信息从19世纪发送到24世纪，皮卡德想到了一个机智的办法：他把这些信息的二进制代码输进了戴达的机械头部，因为他相信在大约500年以后，人们会发现这个机械头部，并设法将它重新接回戴达的身体上。正如我们在剧集中看到的那样，皮卡德向戴达的头部输入了二进制代码，然后画面切换到24世纪，拉弗吉成功地把头部接回到戴达的身体上。在观众们看来，这两件事似乎是同时发生的，其实不然。这些二进制代码一旦被皮卡德成功输进戴达头部，就会在漫漫时间长河中度过半个世纪。但假如当拉弗吉在24世纪仔细检查戴达头部的时候，皮卡德没能穿越到过去并改变未来，那么拉弗吉还能收到这条信息吗？可能会有许多人这样想，既然皮卡德没能够穿越到过去，那么他就不可能向戴达的头部输入信息。然而戴达头部被输入信息这个事件确实在19世纪发生了，与皮卡德在什么时间、以什么方式完成这一事件，没有任何关系。因此，即便皮卡德现在还没能成功穿越回过去，也并不影响戴达头部编程事件的发生。总体来说，就是19世纪的原因（皮卡德对戴达头部进行编程）造成24世纪的结果（二进制代码被拉弗吉获取）这一因果链，可以先于24世纪的原因（皮卡德进行穿越）造成19世纪的结果（皮卡德穿越成功，并对戴达头部进行编程）这一因果链发生，从而保证最原始事件（皮卡德对戴达头部进行编程）的发生。

虽然上述这一切看上去都很匪夷所思，但他们的诡谲程度远不如在《星际迷航：进取号》的“时空冷战”中，亚契上校所遇到的那些花样繁多的时间旅行。不过就算是这些错综复杂的时间线，也比不上《星际迷航：下一代》的最后一集中，皮卡德亲手缔造的“终极版弑母悖论”——他引发了一连串的、能够影响整个时空的事件，从而不仅抹掉了他自己的祖先，还毁灭了地球上的全部生命。这其中最具有威胁性的就是包含了“反时间”的“子空间时间畸变”，它会沿着时间逆向延展，最终会在构成生命的原始蛋白形成之前，吞噬新生代地球上的全部氨基酸原生质。这是一个“结果影响原因”的极端例子。很明显，时间畸变是在未来发生的。假如在遥远的过去，子空间时间畸变成功地摧毁了地球上的第一批生命，那么地球上就不可能孕育出那些更高级的、能够创造时间畸变的文明！

寻求这些悖论的标准答案的过程，在许多物理学家看来，就是要证明一个先验性的结论：在一个理性的宇宙中，绝不允许出现这种悖论。然而问题在于，爱因斯坦的广义相对论方程不仅没有否定这种可能性，甚至还从理论上支持了它。

在广义相对论不断发展的30年中，曾在普林斯顿高等研究院与爱因斯坦共事的著名数学家库尔特·哥德尔，明确提出了一种实现时间旅行的解决方案。用《星际迷航》中的话来讲，就是这个解决方案能够创造一个“时间因果循环”，就像进取号在受到波兹曼号的袭击后，所陷入的那个“循环”一样。现代物理学用干巴巴的术语将其命名为“封闭类时曲线”。不论哪一种叫法，都意味着你能够进行时空旅行，并在旅途结束后回到最初的时间、最初的地点！库尔特·哥德尔提出的解决方案涉及另一种宇宙，这种宇宙和我们所处的宇宙的不同之处在于，它并不会持续扩张，而是会匀速旋转。从理论上来讲，在这样的宇宙中，人们只需要在空间中转一个巨大的圈，便可以实现时间上的回溯。尽管这种宇宙和我们所处的宇宙大相径庭，但它确实能够证明，利用广义相对论可以实现时间旅行。

在课堂上，我总会向我的学生们讲到这样一个格言：那些可能性不为零的事件，最终必然会发生。正如戴达在“平行世界” [8] 一集中谈到量子力学定律时所言，“一切有可能发生的事，最终都发生了”。我认为，在探索《星际迷航》中的物理学时，我们应该将这个格言牢记于心。需要我们认真思考的，并不是可操作性和不可操作性的差别，而是可能性和不可能性的差别。

爱因斯坦当然也考虑到了这一点。他曾经写过这样一段话：“库尔特·哥德尔在《时间机器》中所提出的解决方案，事实上涉及另外一个问题，而这个问题在我创建广义相对论的时候就已经困扰过我，当时我并没有把这个问题搞清楚……有趣的是，人们似乎应该将已有的物理学基础定律抛在脑后，从而重新思考这个解决方案。” [9]

物理学家们现在有了一个前所未有的挑战：虽然广义相对论方程似乎支持时间旅行，但是假如有其他的“物理学基础定律”和广义相对论发生冲突，人们该怎么办？我们想要讨论这些问题，就必须超越广义相对论这一经典理论，进入到一个更高层次的、充满黑暗的领域。在这个领域中，量子力学不可避免地会涉及时间和空间本身的性质。在探索的道路上，我们会像进取号一样遇到黑洞和虫洞。但首先我们必须及时将自己传送到19世纪后半叶。

相对论与时空

空间和时间的“姻缘”，是伴随着1864年电与磁的结合而产生的，这段姻缘预示着现代科技的开端。另一方面，这一伟大的成果，是建立在安培、库仑、法拉第等杰出物理学家不断积累的成果之上，并最终由才华横溢的英国物理学家麦克斯韦总结而成的。麦克斯韦总结出的“麦克斯韦方程组”，不仅描述了电磁间的相互作用，也暗示了“电磁波”的存在。电磁波能够在宇宙空间中自由传播，其速度可以通过已知的电磁性质计算出来。最终人们发现，这个速度和早先测得的光速是一样的。

自牛顿物理学时代开始，就有一个争论不休的问题：光究竟是一种依靠介质传播的波，还是一种不需要介质就能传播的粒子呢？麦克斯韦通过实验进行观测，发现电磁波确实存在，并且传播速度和光速一样，从而为这个问题画上了一个完美的句号：光是电磁波的一种。

任何波都是一种行进式扰动。如果说光是一种电磁扰动，那么在光传播的过程中，受到扰动的介质又是什么呢？这个问题成为19世纪末的科研热点。早在亚里士多德的年代，人们就给这个假想的介质起了一个名字——以太，不过这种物质远远超出了人们的观测能力。在1887年，分别在两家不同的科研机构（这两个机构后来在1967年合并了，即我曾经工作过的凯斯西储大学）工作的阿尔伯特·迈克耳孙和爱德华·莫雷，进行了一项科学实验，其目的并不是直接测量以太，而是间接地测量以太产生的效应：既然我们已经假定以太充斥于整个空间，那么地球就必然在以太中运动，因此当光线朝着不同方向传播时，就应该表现出不同的速度。尽管阿尔伯特·迈克耳孙和爱德华·莫雷最终没有观测到他们想要的实验结果，该实验还是成为19世纪最重要、最有影响力的一项实验。事实上，正是因为他们没有观测到以太对地球运动造成的影响，他们的事迹才能被铭记至今。（在这以后，阿尔伯特·迈克耳孙继续从事他的科研事业，最终凭借自己在光速方面的科研成果，成为第一个荣获诺贝尔物理学奖的美国人。至今我都对他在100多年前进行的科研工作感到无比骄傲。爱德华·莫雷则成为一位享有盛名的化学家，成功确定了氦元素的原子量，在许多其他科研项目上也颇有建树。）

诚然，这个并未成功的实验的确对物理学界造成了一定的影响，然而就像其他具有划时代意义的重大发现一样，只有那些已经意识到当时的电磁学存在许多漏洞的人，才能发现隐藏在这个实验背后的真相。就在阿尔伯特·迈克耳孙和爱德华·莫雷进行试验的同时，一位年仅8岁的高中生开始独自挑战与这些悖论有关的难题。在1905年，他成功地解决了这些难题，此时他也才仅仅26岁，这个人就是爱因斯坦。正像物理学每一次取得重大飞跃时所常常出现的那样，爱因斯坦的研究成果带来的一系列新问题，比这些研究成果能够解决的旧问题还要多。

这些后来成为狭义相对论理论核心的研究成果，是建立在这样一个简单而又不可思议的事实基础上的：只有当无论人相对于光以怎样的速度移动，都不影响人观测到的光速时，麦克斯韦的理论才能成立。然而这个事实基础完全有违常理。当一个探测器离开进取号，并以一定速度进入到宇宙中时，位于它下面的星球上的观测者，会看到探测器呼啸而过，其速度要远远大于进取号上的船员从舰窗中观测到的速度。然而爱因斯坦已经意识到了，麦克斯韦的理论只有在光波表现出不同运动特性，即只有在两个观测者测的光速完全相同，测量结果完全不受观测者之间的相对运动所影响的情况下，才能完全成立。因此，假如我指挥进取号从战舰前部射出光束，那么这束光就会以光速射向罗慕伦帝国的战机。如果此时罗慕伦帝国的战机正以四分之三光速接近进取号，那么战机上的敌人仍然会看到光束在以正常光速接近他们，而不是一又四分之三光速。这样的事情可能会让一些《星际迷航》的影迷产生困惑。因为从直觉上来讲，假如进取号正在以近光速的速度飞行，而另一艘星舰以同样的速度反方向飞行，那么从进取号射出的光束应该永远也追不上另一艘星舰（因此另一艘星舰就不可能观测到进取号）。然而实际上，另一艘星舰上的船员是能够看到进取号射出的光束的，并能观测到这束光正以标准的光速接近他们。

仅凭这一点，还不足以让爱因斯坦的大名家喻户晓。他更伟大的贡献，其实是阐明了隐藏在表象背后的科学原理，尽管这些表象看起来毫无道理可言。根据我们的日常生活经验来判断，只有时间和空间才是绝对的，速度则是相对的：人们所观测到的物体的运动速度，最终取决于观测者自身的运动速度。但是当一个人以接近光速的速度运动时，速度就成了一个绝对的量，相应的，空间和时间便成为相对的量！

之所以出现这样的情况，是因为“速度”这个物理量被定义为“在一段特定时间内通过的距离”。因此，对于处在相对运动中的观测者来说，只有“秒”和“米”都变成了相对量，他们才能够成功观测到等距离运动的一束光——例如同一束光，在1秒内运动30万千米这个事件，在不同的观测者看来，这其中的“秒”和“米”都是不同的。在狭义相对论里，“最糟糕的事情” [10] 发生了——“秒”和“米”都变成了相对的量。

总而言之就是，无论观测者的相对速度有多大，他们所测得的光速都应该是一样的。从这个简单的事实出发，爱因斯坦总结出了如下4条关于空间、时间、物质的结论：

（1）对于观测者A来说在两个不同地点同时发生的两个事件，在与A做相对运动的观测者B眼中，不一定是同时发生的。每个观测者的“现在”都仅仅是对他们自身而言的，“以前”和“以后”都是相对的。

（2）星舰上所有和我做相对运动的时钟，在我看来都比我的手表要慢一些。也就是说，对于所有正在运动的观测者来说，时间都会放慢。

（3）对于所有在和我做相对运动的星舰上的量尺，在我看来都比我手中静止不动的量尺要短一些。也就是说，包括星舰在内的所有物体，只要他们开始运动，其尺度就会跟着缩小。

（4）对于所有具有质量的物体来说，它们的质量会随着运动速度的增加而增加。当它们不断接近光速时，他们的质量便会无限增大。因此，只有无质量的物体，比如光，才能真正以光速进行运动。

我并不打算在这里对相对论涉及的那些奇异的悖论进行评价，而只打算强调这样一点：无论你是否相信，这4条结论都经过了实验的检测是正确的。科学家们曾经将原子钟带到高速飞行的飞机上，结果他们发现，当飞机返回地面时，其运载的原子钟要比一直处于地面的原子钟慢一些。位于世界各地的高能物理实验室，都把狭义相对论的结论当作面包牛奶一样的日常用品，用于科学实验之中。人们将不稳定的基本粒子加速到接近光速，发现这些粒子的寿命出现了巨大的增长。当电子处于静止状态时，它的质量仅为质子的二千分之一；然而当电子被加速到接近光速时，它的动量（物质质量和速度的乘积）便会和那些重得多的质子不相上下。假如在电子被加速到光速的0.999999999999999999999999999999999999999倍时撞到了你，那么它带来的冲击力将不亚于一辆正常行驶的马克卡车。

当然，对于我们来说，想要一下子接受相对论中那些关于时空的奇异结论是十分困难的。其原因就在于，我们在日常生活中所遇到的运动速度要远远低于光速。只有当人们以“相对论”速度运动时，才能体验到上述种种神奇现象。退一步讲，即便只达到光速的一半，时钟也会慢15%，同时所有的量尺也会缩短15%。美国国家航空航天局的宇宙飞船能够以8千米每秒的速度绕地飞行。这个速度虽然很快了，但是这艘飞船上的时钟，与地球上的时钟相比，也只是慢了不到千万分之一。

然而，在进取号这类星舰所处的高速运动的世界中，相对论便成为一个日常问题。在星舰的航行过程中，不可避免地会带着舰上的众多钟表一起接近光速。大家可以想象，让这些钟表在广袤的银河系中保持同步将是一件多么困难的事。因此，星际舰队做了一项明文规定，将星舰的正常冲量速度限制为0.25c，也就是四分之一光速，即75000千米每秒。 [11]

即便有了这项规定，在星舰以0.25c飞行的过程中，其时钟还是要比星际舰队指挥部上的时钟慢3%多一点。这就意味着，在为期一个月的航行过程中，星舰上的钟表几乎会慢整整一天。如果此时进取号返回星际舰队指挥部，那么正确的返回时间应该是星期六，而不是进取号上显示的星期五。此外在地球上，每当船只途经亚洲并穿越国际日期变更线后，船员们都需要重新对表。我觉得没有比这更糟的事了，除非在这次航行后船员们真的年轻了一天。然而这是不可能的，因为虽然当你向东航行的时候会额外多出一天，但你返程的时候这多出来的一天就没了。

现在你应该能明白，曲速引擎对进取号来说有多么重要。因为它不仅能够让星舰不必达到极限速度——光速——就能够成功穿越银河系；还能够避免星舰亚光速飞行时遇到的时间膨胀问题。

我想，相对论的重要性已经无须再强调了，而且许多科幻作家（以及所有梦想着实现星际旅行的人）都接受了“钟慢尺缩”这个事实。这将为人们——特别是对那些想亲自乘坐星舰的人——在有生之年，实现遨游星辰的梦想开辟了一条道路。不过即便是以亚光速飞行，一次通往银河系中心的旅程，以地球上的时间来计算，也要花费25000年。然而这段时间在星舰上的人看来，则不超过10年。虽然时间依旧很长，但至少是人类能够接受的。虽然这为个人性质的星际探索提供了可能，却无法让分散在银河系各处的文明形成一个联邦。正如《星际迷航》编剧所推测的那样，对于同一个航行任务，对进取号来说需要10年，而对星际舰队指挥部来说，这段航行将耗时25000年。这对任何希望能成功调度航行团队的指挥部来说，都是一个令人绝望的事实。因此，以下两点可以说是星际航行中的铁律：

（a）为了避免让星际舰队指挥部疲于同步时间的苦役，禁止光速飞行；

（b）为了真正能够畅游银河系，必须超光速飞行。

然而单就狭义相对论而言，上述的情况（b）是无法实现的。因为一旦真的出现了超光速现象，那么整个物理学就会出现各种与事实相矛盾的理论。其中最具有代表性的一个矛盾就是，随着一个物体不断接近光速，它加速所需要的能量就越来越大；然而在该物体得到这些能量后，其自身总能量反而在减少。正像古希腊神话中，英雄西西弗斯被众神惩罚，需要用尽一生来将一块巨石推上山顶，然而每次快到山顶时巨石都会回滚到山脚下那样，即便是耗尽全宇宙的能量，也不足以让我们推动哪怕是一粒比星舰轻上千万倍的尘埃，使它超过光速。

出于同样的原因，包括光在内的所有无质量射线都必须以光速运动。这就意味着，进取号和之后的航海家号所遇到的那些“纯能量”形态，实际上很难真正存在。首先，这些“纯能量”不能处于静止状态，因为光是不可能被减速的，更不用说让光在真空中停下来。其次，任何被限定以光速进行运动的智慧能量体（例如《星际迷航：航海家号》中的“光子态”智慧能量体、《星际迷航：下一代》中，位于贝塔丽娜星云的智慧能量体、《星际迷航：原初系列》中的“泽塔瑞恩”，以及《星际迷航：深空九号》中的“达罗克”），与我们相比，都会处于一个无限缓慢的时间尺度里。我们整个宇宙的历史长河，在他们看来不过是转瞬即逝。即便这些智慧能量体打算把全宇宙所有的事物都体验一遍，也用不了眨眼的工夫！更不必说与其他生命接触了，这些智慧能量体还没来得及与其他有形的生命产生互动，这些有形的生命早就已经消亡殆尽了。

说到时间，我想是时候介绍一下著名的“皮卡德回旋”了。让-卢克·皮卡德因为在占星者号上提出了这个战术而名声大噪。尽管这个战术涉及曲速旅行，或者说超光速飞行，也就是以我在前面介绍狭义相对论时已经被证明不可行的旅行速度来飞行，但我仍然觉得在这里提一下这个概念也未尝不可，毕竟它和我们接下来的讨论密切相关。在“皮卡德回旋”战术中，为了迷惑意图进攻的敌方星舰，己方星舰需要在某个瞬间达到翘曲速度。这样一来，这艘己方星舰在敌人眼中就同时出现在两个不同的地点。这是因为，星舰达到翘曲速度后行进速度比光速快，超过了刚开始运动时从星舰上发射出去的光线（即星舰在旧位置时的影像信息）。这样，敌人就同时看到星舰在新旧两个位置的影像。这是一个绝妙的战术——而且它也没有出现任何逻辑上的矛盾（在这里我们不考虑星舰是否能达到翘曲速度）——你现在亲自见证了一个装满蠕虫的潘多拉魔盒。首先，这引出了一个自《星际迷航》播出以来不断被影迷质问的一个问题：当进取号进行曲速飞行时，其上的船员是如何看到飞向星舰的物体的？就像占星者号能够追上自己的影像一样，任何进行曲速飞行的物体都能做到这一点；然而从观测者的角度来讲，只有当这些曲速飞行的物体到达目的地时，人们才能看到它移动时的影像。因此观众们只能这样认为，即柯克、皮卡德、珍妮薇、亚契在星舰屏幕上调用图像时，看到的其实是来自遥远的神秘“子空间”（即超光速通讯）的传感器合成出来的图像。即便无视这些明显的剧集设定的漏洞，《星际迷航》所描绘的宇宙也仍旧是迷人但无法通行的，其中充满了在很早很早以前，进行曲速飞行的那些星舰所遗留下来的幽灵般的残影。

冲量引擎

现在让我们一起回到亚光速的世界：此时我们还没有摆脱爱因斯坦理论的束缚。作为狭义相对论的一项重要结论，爱因斯坦所提出的质能方程，即E=mc² ，为人类实现冲量速度旅行带来了新的挑战。正如我在第一章中所讲的那样，火箭是一种为了实现向前运动，而向后喷射物质的装置。不难想象，喷射物质速度越大，火箭获得的向前的冲量也越大。然而任何喷射物质的速度都不可能超过光速。即便是达到光速，也不是一件轻而易举的事儿：只有一种办法能够让喷射物质达到光速，那就是使用由物质和反物质（我会在后续章节中进行详细说明）合成的燃料。因为正反物质相遇时会发生湮灭，进而产生以光速运动的纯辐射。

虽然进取号上的曲速引擎使用的是正反物质燃料，冲量引擎却不是。它采用的是核聚变能源——与太阳上不断进行的核聚变反应是一样的，即通过由氢生成氦的反应过程产生能量。在聚变反应中，大约会有1%的质量转化为能量释放出来。正是由于这些巨大的能量，反应生成的氦原子才能以大约1/8的光速从火箭尾部喷射出来。根据推进剂的这一排出速度，我们可以计算出将进取号加速到1/2光速需要多少燃料。（虽然这个计算过程并不复杂，但考虑到阅读的连贯性，我在这里仅仅给出计算结果。）这个结果可能会让你大吃一惊：进取号每次加速到1/2光速时，都必须消耗掉相当于星舰自身重量81倍重的氢燃料。比如像皮卡德所在的进取号-D这类的银河级星舰，其重量超过400万吨 [12] ，那么这类星舰每次使用冲量引擎加速到1/2光速时，都会需要超过3亿吨的燃料！如果星舰上的冲量引擎采用的是物质——反物质推进系统，情况可能会稍好一些。不过即便是在这种情况下，进取号每次加速到1/2光速，所需要的燃料的重量也是星舰自身重量的2倍。

更糟的是，上述燃料的重量只够星舰完成一次加速。如果星舰需要在目的地停下来，那么还需要额外的81倍于其自身重量的燃料来完成减速。考虑到从星舰开始加速到1/2光速，最后在目的地停下来这个完整的旅途中，星舰需要一直携带着所需要的全部燃料，那么这些燃料的总重量将达到81×（星舰在目的地停下所需要的燃料重量+星舰自身的重量）=81×82=星舰自身重量的6642倍！而且这还是在加速时间长达数小时的情况下。（当然我们默认，这期间惯性阻尼器能够正常工作，从而保障机组人员和星舰自身的安全；否则G力带来的麻烦便会接踵而至。）此时星舰发动机向后喷射物质的功率将达到10²² 瓦——即它每工作一秒钟所产生的巨大能量，相当于地球上所有人类所产生和消耗的总能量的10亿倍！

现在，你可能会说——就像最近我和一位智慧过人的同事讨论这个问题时，他所说的一样——这其中貌似有个地方值得推敲啊！没错，这个问题的核心就在于火箭飞行过程中是否需要随时携带着所需燃料，难道不可以一边飞行一边收集燃料吗？毕竟氢是宇宙中含量最多的元素啊，星舰就不能在穿越银河系时顺便把这些氢元素收集起来吗？然而实际上，氢元素在宇宙中的密度是很低的，平均每立方厘米大约只有1个氢原子。如果我们希望星舰每秒钟能收集1克氢原子，那么就需要星舰的速度达到光速的六七成，并且还要有一个直径超过40千米的氢原子收集板。而且就算这些氢原子都能够成功地反应掉，那么产生的能量也只能达到推进所需能量的一亿分之一！

荣获过诺贝尔奖的物理学家爱德华·珀塞尔，曾就这一问题讲过一段话，在这里我稍加修改：你的感觉没错，这件事听起来确实荒谬至极。这种荒谬来自于经典物理和狭义相对论之间的冲突，而且这种荒谬就像你往地面扔一个球它就会下落一样，是不可避免的。不论是现在，还是在遥远的未来，用火箭推进的方式达到亚光速，从而实现星际旅行，都是不可能的！

难道说，这本书就这样结束了吗？难道我们现在只好将《星际迷航》的纪念章寄回，并要求退款吗？请大家放心，我们和爱因斯坦之间的账还没算清呢！他最后提出的、也许是物理学史上最伟大的发现，让星际旅行有了一线希望。

四维空间

现在让我们把时间调回到1908年：就在这一年，爱因斯坦提出了时空相对论，并引起了极大的轰动，从此改变了人类对宇宙的认知。同年秋天，数学物理学家赫尔曼·闵可夫斯基写下了那句闻名于世的话：“从今以后，就单独的时间本身和单独的空间本身来说，注定要消失成为幻影；只有两者统一体才是独立存在的。”

可见闵可夫斯基早就意识到了，对于相对运动的观测者来说，即便他们观测到的空间和时间都是相对的——你的表可能比我的慢一点，我测得的距离也比你的要长一点——在时间和空间合并为四维时空的情况下（即三维空间加上一维的时间），人们也能够得到一个“绝对的”客观现实。

闵可夫斯基这一创造性的认知可以用下述的方法来说明。假设每个人都只有一只眼睛能够看到东西，从而失去了对距离的判断。（当你闭上一只眼时，你对物体纵深的感知能力就会减弱。此时我若拿起一把尺子给你看，并让处于另一个位置的人也观测这把尺子，那么就会像图2-1一样，你们两个人观测到的尺子长度将会有所区别。）

由于单眼无法判断距离，因此图中的两个观测者将会把自己看到的二维投影（L和L'），当作是尺子真实的三维长度。然而实际上正身处在三维空间中的我们，并不会像图中的观测者一样受到欺骗。我们很清楚，从不同的角度观测同一物体，虽然从视觉效果来看它的长度确实会不同，但这并不会改变它的真实长度。闵可夫斯基提出的时空概念与之类似，即假定我们所处的三维空间是四维时空在低维度上的一个投影，那么相对论涉及的那些悖论就都能解释得通了。就像对于同一个三维空间来说，上图从不同角度观测的两个人，会感受到不同的二维空间一样；对于同一个四维空间来说，处于相对运动中的两个观测者，也会感受到不同的三维空间。

图2-1

也就是说，闵可夫斯基认为，处于相对运动中的两个观测者所观测到的空间距离，不过是四维时空距离在观测者所能感知到的三维空间中的投影。同样的，两个事件的“时间间距”，也不过是四维时空在观测者所在的时间线上的投影。正像一个快速转动的三维物体能够让人分不清其长宽高一样，在四维时空中的相对运动也会让观测者分不清“时间”和“空间”。最后还有一点需要强调的是，正如对同一个物体来说，它的真实长度并不会因为观测角度不同而改变一样；两个事件在四维时空上的距离也是绝对不变的——无论观测者处于什么样的“时间”、什么样的“空间”、什么样的相对运动状态，都不会改变这个绝对距离。

因此，“光速对所有观察者一视同仁”这一令人费解的事实，为我们解开赖以生存的四维时空的真相，提供了一条重要的线索。光揭示了时间和空间内在的关联性。的确，正是光速描述了这种关联。

在闵可夫斯基提出“狭义相对论中的时空就像一张四维纸片”这个理念以后，爱因斯坦又用了将近十年的时间，来施展他在数学计算方向上的才华，直到他成功地把这张四维纸片折弯，从而颠覆整个时空旅行的基本规则，顺便拯救了《星际迷航》中那些令人纠结的科学设定。没错，光再一次起到了决定性的作用。

［第三章］
霍金亮出底牌

“你们这些凡人根本不懂时间的本质。它不一定是线性的啊，皮卡德！”

——在《曲终人散》 [13] 中，Q对皮卡德如是说

“瓦肯星”（Vulcan），即斯波克的母星，在20世纪的物理学中有过一段庄严的历史。20世纪初期，天体物理学界出现了一件令人困惑不解的怪事：人们发现水星的近日点——即水星在绕着太阳运行时，距离太阳最近的那一点——每过一个水星年就会绕着太阳向前移动一段让人难以察觉的距离，而这种现象并不符合牛顿提出的万有引力定律。有人解释说，这是因为在水星轨道内可能存在着一颗尚未被发现的行星，正是这颗行星造成了上述中的问题。（其实在很早以前，就有人用类似的理论解决了天王星轨道异常的问题，并因此发现了海王星的存在。）后来，这颗假想的行星被命名为Vulcan [14] 。

然而实际上，这颗神秘的“瓦肯星”并没有出现在预言中的位置。问题出在哪里呢？爱因斯坦为此提出了一个全新的理论，即我们必须抛弃牛顿和闵可夫斯基理论中关于“空间是平坦的”这一假定，并接受广义相对论的结论——时空是弯曲的。在这种弯曲的空间里，水星会稍稍偏离牛顿预测的轨道。这样一来，爱因斯坦就成功解释了观测水星时遇到的轨道偏差问题，人们也没必要去寻找那颗预言中的“瓦肯星”了。爱因斯坦的这个理论为人类带来了各种激动人心的可能性——黑洞、虫洞，甚至是翘曲速度和时间旅行。

时空的弯曲

其实在《星际迷航》的编剧构思出“曲力场”这个概念以前，爱因斯坦就已经更进一步，在理论上实现了时空的弯曲。这个理论看起来非常不可思议，简直像是上帝的神谕。不过我们知道，就像《星际迷航》的编剧一样，爱因斯坦也仅仅是个凡人之身，只不过他的想象力更理性而已——在编剧们构思高速的星际飞船的时候，他却在设想一台直达电梯。毫无疑问，这样理性的想象力让他成为一位伟大的物理学家。然而如果让他去当个剧作家，那他恐怕连一个剧本都卖不出去。

虽然爱因斯坦的一生和剧作家无缘，但他提出的理论仍然适用于《星际迷航》中的进取号。这是因为，光就像一条纱线，能够把时间和空间编织在一起。正如经线和纬线编织出了我们绚丽多彩的地球一样，光在时空中穿梭的轨迹，也编织出了一幅壮阔的时空图景。虽然说光线通常是沿直线传播的，但假如位于“战鸟”战机上的罗慕伦指挥官，向坐在舰长专艇“卡吕普索号”上、刚刚进入冲量加速过程（这里我们假设惯性阻尼器已经关闭）中的皮卡德发射一道相位光束的话，会出现什么情况呢？答案是，皮卡德会因加速前进，刚好避开相位光束带来的冲击波。若站在皮卡德的参照系来看，就会像下面图3-1中那样。

图3-1

也就是说，在皮卡德看来，相位光束发生了弯曲。除此之外，皮卡德还会发现哪些神奇的现象呢？回想一下第一章的内容，一旦惯性阻尼器被关闭，皮卡德就会被推回到自己的座位上。另外我也曾讲到过，如果皮卡德以地球上物体自由下落时的加速度大小，将自己向前加速的话，他就会感觉到，那股将他推向座椅的力，恰好等于他站在地球上时感受到的重力，他此刻就像处在地球的引力场中一样。实际上，根据爱因斯坦的理论，皮卡德（或任何处于正在上升的电梯中的人）此时没有任何办法仅通过自己的感受，来判断他受到的力是由加速产生的，还是由星舰附近星球的万有引力产生的。正是凭借这样超前的物理直觉，爱因斯坦才得以大胆地迈向物理学家们从未涉足过的领域，并得出了这样的结论：处于加速状态的观察者所看到的现象，和处于引力场中的观察者所看到的现象，其实是一样的。

上述例子表明：由于处于加速状态的皮卡德看到光束发生弯曲，那么在引力场中光线也必然会发生弯曲。如果时空真的是由光线编织的，那么时空在引力场中也必然发生弯曲。最终就导致这样一个结论——由于物质会产生引力场，那么物质本身就能够使时空发生弯曲！

你可能会想，虽然说光本身是具有能量的，并且根据爱因斯坦的质能方程E=mc² ，能量又和物质（质量）紧密联系在一起，这样“光在引力场中会发生弯曲”这件事就说得通了——但这并不意味着我们能够接受“时空本身会发生弯曲”这样的说法。因为毕竟，在引力场中物体运动的轨迹会发生弯曲（例如把一个球抛向空中）。假如伽利略在当年接受了这种理论，他一定会用棒球或“开路者号”这样的物体来证明，它们的运动轨迹确实能够发生弯曲。但他永远也无法以这样的方法证明空间的弯曲性。

如果你感兴趣的话可以估算一下，假如光能够像棒球一样运动，那么光线会弯曲到何种地步；你还可以更进一步，参考亚瑟·斯坦利·爱丁顿爵士在1919年的一次日食活动中，率领考察队对近日点的星体进行观测时所做的那样，准确测量光线弯曲的程度。如果当年伽利略认为光和棒球的运动是一样的，并据此计算出了光在平坦空间的弯曲程度，那么你就会像当年的爱丁顿爵士一样，惊奇地发现你的测量值恰好是伽利略预测值的2倍。你可能已经猜到了，这个倍数“2”，正是根据爱因斯坦的理论——假如时空在太阳附近产生弯曲，而光线（这里特指水星发出的光线）在这个弯曲的时空内传播时，又产生一次弯曲，所以是共弯曲了2次——所推导出来的。凭借这个震惊世界的奇异结论，爱因斯坦一夜之间成为家喻户晓的名人。

空间的可弯曲性，为物理学的发展和人们对宇宙的认知打开了新的大门。转眼之间，我们便能够同进取号一起，从狭义相对论引出的、对于Q这种智慧生命来说简直深恶痛绝的线性思维中解放出来。在弯曲的时空中，人们可以做到许多在平坦空间中做不到的事。比如说，在弯曲的空间中，你朝着一个方向笔直前进，也能回到起点——那些环球旅行的人正是这么做的。

爱因斯坦广义相对论的先决条件可以用这样一句简单的话来概括：时空的弯曲性直接取决于它所包含的物质和能量的分布。爱因斯坦方程实际上只是给出了“时空曲率”和“物质与能量”之间严格的数学关系：

这一理论乍看上去让人根本摸不着头脑，这是因为其中存在着一个简单的循环：时空弯曲性取决于宇宙中物质和能量的分布，而这种分布反过来又会受到时空弯曲性的影响。这有点像鸡和鸡蛋的问题——到底是先有鸡，还是先有鸡蛋？物质是时空弯曲的原因，而时空的弯曲性又决定了物质发展演变的方向，物质的发展演变反过来又会影响到时空弯曲，如此反复循环，没有尽头。

对于《星际迷航》来说，这可能是广义相对论中最重要的结论了。广义相对论的复杂性本身就表明了，我们尚未完全理解它的全部结论。因此我们就不能否定那些看起来令人难以置信的各种可能性。而且正是这些可能性，成为《星际迷航》中那些绚丽夺目的科幻题材。我们将会看到，所有的这些可能性都和一个谜样的未知事物有关——它充斥于天地万物之间；从虫洞、黑洞到时间机器，它无所不在。

时空不必是平坦的，这一点对进取号的星际旅行来说非常重要，因为在这种情况下，与狭义相对论的结论相比，时间本身成为一种更灵活的量。对于不同的观察者来说，即便他们没有做相对运动，也能够感受到不同速度的时间流逝。我们可以把时钟指针滴答滴答的运动想象为橡胶尺上的一个个刻度。当我拉伸或掰弯这个橡胶尺的时候，上面刻度的间距也会随之改变。假设这些刻度的间距代表着时间的间隔，那么不同地点的时钟也就会有不同的流逝速度。在广义相对论中，让这个橡胶尺“弯曲”的唯一条件，就是要存在一个对应的引力场，而这个引力场的存在，又会以相应物质的存在为前提。

现在我用更直白的语言来描述：如果我在时钟旁边放一块沉重的铁球，那这个铁球就会改变时钟流逝的速度。或者举个更生活化的例子：如果我在睡觉时把闹钟放在身边，那么我身体的静止质量就会影响到这个闹钟，让它响得稍微晚一点。

哈佛大学物理实验室曾在1960年做了一个著名的实验，第一次成功地证明，时间流逝的速度和观察者所处的位置是紧密相连的。罗伯特·庞德和乔治·里贝卡证实，在实验楼地下室放射源处测得的伽马辐射频率，与在23米高的楼顶上测得的频率相比，有一些差别。（实验所使用的测量仪器均经过严格校准，所以任何差别都应该来源于人们的观测行为，而不是仪器本身。）不过这些差别是极其微小的——大约相差1015分之一。如果把伽马辐射的每一个周期比作是原子钟时间流逝的间隔，那么这个实验就意味着，一个放在地下室的原子钟，和一个放在楼顶的原子钟相比，前者表针走动得会稍微慢一些。之所以地下室的原子钟会慢一些，是因为与楼顶的原子钟相比，它距离地球更近一些，因此引力场也更强一些，引起的时空弯曲程度也就更大一些。虽然从宏观角度来看，两个时钟的差别极其细微，不过它的意义是巨大的。因为这个微小的值，和广义相对论中，根据时空会在地球附近产生弯曲这一结论所得到的预测值是一样的，从而在实验上证明了这一结论。

此外，虽然时空在地球附近的弯曲程度很小，但是这一效应对我们日常生活的影响却是巨大的。比如我们在开车时经常用到的GPS（全球定位系统），它是通过接收来自地球高轨道卫星的信号来工作的。通过对比不同的卫星信号到达用户接收机的时间，GPS就能精准地确定我们在地球上的位置。然而，不同的卫星飞行在各个不同的轨道上，因此它们时间流逝的速度也就不一样。尽管这个速度的差距非常小，但是它们能够让GPS的定位结果产生极大的偏差。因此，我们必须定期对卫星上的时钟进行校准，否则在地球重力的影响下，这些时钟就会产生数秒的偏差。

对于那些期待时空旅行的人来说，时空弯曲的第二个特性会更加激动人心。因为一旦时空能够弯曲，直线就不一定是两点之间最短的距离了。我们以纸上的一个圆圈为例（图3-2）。一般来说，对于直径上的两个端点A和B，它们之间最短的距离就是这条直径本身。

图3-2

如果一个二维小人打算从A点沿着弧线走到B，那么这段路程的长度大约是直径（A到B的直线距离）的1.5倍。现在我把这个圆面像橡胶一样拽住中心向外拉伸，让它的中心区域产生一个坍缩的洞（图3-3），那么情况就会完全不一样了。

图3-3

现在我们从三维的角度来观察，一眼就能看到一个明显的事实：从A到B有两种途径，第一种是先向下走，经过整个区域的中心，再绕上去到达B点；第二种是直接绕着圆弧走。前者的路程要比后者的路程远很多！如果我们此时以俯视的角度把这个图形拍成一个二维的相片，就会发现，第一种途径的路线，现在看起来就是一条直线。更形象地来讲，如果此时有只小虫子（或者是进取号遇到的那些二维生命）打算用最少的步伐从A走到B，那么它一定会采取第一种途径，因为这种途径在它看来是一条直线。然而当真正踏上行程时，它就会惊奇地发现，第一种途径并不是最短的，因为这根本不是直线！如果这只虫子足够聪明，它就会得出这样的结论：它所在的二维空间是弯曲的。但只有站在三维的角度来观察，我们才能够直接看到这种弯曲。

类似的，我们人类自身就生活在一个可弯曲的四维时空内。我们直接感知三维空间弯曲性的能力，并不比虫子直接感受二维空间弯曲性的能力强。我想你能明白这意味着什么：既然在弯曲的空间中，两点之间最短的距离不一定是直线的话，那么我们用肉眼看到的一条遥远的路径，如果从时空弯曲性的角度来看，很有可能恰恰是一条捷径。

我所提到的这些奇异理论，其实正是《星际迷航》编织梦想的素材。因此，我们很自然会提出这样一个问题：这些梦想到底有多少能够成为现实？

虫洞：连接想象和现实的桥梁。

虽然说《星际迷航：深空九号》中的贝久虫洞算是整个《星际迷航》中最著名的虫洞，不过除此之外还有着许多其他具有代表性的虫洞。例如斯科提利用进取号翘曲加速过程中物质-反物质失衡制造的破坏性极强的虫洞、《星际迷航：下一代》“代价” [15] 一集中佛瑞吉人的星舰坠入其中的那个巴尔赞虫洞、航海家号在银河系的另一头想方设法回到基地时遇到的那个虫洞等。

上面的讨论过程，其实就是“虫洞”这个概念的形成过程：如果时空确实是弯曲的，那么两个点之间就可能存在不同的连接方式，从而使两点之间的真实距离，比视觉上两点之间的那条“直线”要短得多。然而人类是无法直接看到四维空间的弯曲现象的，因此，我们不得不再次通过从三维的角度来观察二维空间的弯曲，来帮助我们理解和想象三维空间的弯曲。

现在，我们设想有一块儿弯曲程度很高的橡胶板，如图3-4所示：

图3-4

显然，我们可以拿一支铅笔抵住A点，并用力往下捅，直到橡胶板上的A点随着铅笔头一起到达B点。然后我们把这两点缝合在一起，如图3-5所示：

图3-5

现在我们成功开辟了一条连通A、B两点的隧道，而且它显然比绕着橡胶板的右侧走要近上许多。另外有一点需要我们注意，那就是橡胶板在A、B两点附近是平坦的。正是由于我们在A、B两点上人为地制造了不平坦的区域，并利用一条通道将这两点连接在一起，才使得它们现在能够贴合在一起。假如现在有一只被限定在橡胶板表面爬行的小虫子（不妨假设它非常聪明），那么即便它能够绕着A点做一些调查，检验一下橡胶板的弯曲情况，它也永远不可能想到B点实际上是如此之“近”。

你可能已经猜到了，图中连接A、B两点的隧道，实际上是一个三维虫洞在二维中的模拟。理论上来讲，三维中的虫洞也能类似的连接时空中相隔甚远的两片区域。虽然说这种理论能够让人激动不已，但我希望大家能够保持严谨的态度，因为图中仍旧存在一些具有迷惑性的地方需要我们注意：首先，虽然我们在图中借助了三维透视的办法，以便我们能够“看清”橡胶板的弯曲性，但实际上这个弯曲的橡胶板并不依赖于三维空间，它能够脱离周边的三维空间而独立存在。也就是说，A、B两点之所以如此“贴近”，是因为它们其中存在着一个虫洞；如果没有这个虫洞，那么A、B两点的“贴近”这种说法在二维空间中就是没有道理的。如果想不借助虫洞实现这种“贴近”，我们就不得不从二维的橡胶板中跳出来，跳到三维空间中来实现这种自由的穿梭。如果我们的三维空间不见了，那么这块橡胶板就变成了宇宙所拥有的一切。

现在我们设想这样一种情况：你代表着一个极度发达的宇宙文明（但还没有到达Q的那种地步，因为他看起来似乎可以无视各种物理定律），并且具备在空间中制造虫洞的能力，制造过程就像我拿铅笔戳橡胶板一样简单高效。不过，即便你能够让时空发生大幅度弯曲，你在试图用虫洞连通两个相距遥远的区域时，也不得不像盲人一样摸索，以期能够有朝一日找到正确的连通途径。这是因为，在虫洞形成之前，人们没有任何办法使这两个区域彼此靠近，你根本不知道你想要连通的那片区域到底在哪里。由此可见，虫洞形成的过程，本身就是改变时空整体性的一个过程。

正因如此，制造虫洞并不是一件轻而易举的事。《星际迷航》中在巴赞总理伯瓦尼访问进取号，打算拍卖掉巴尔赞虫洞的使用权时，她曾宣称道：“呈现在你们面前的，是宇宙中的第一个虫洞，也是唯一一个具有稳定性的虫洞！”其实她的说法并不准确，因为这个虫洞根本不稳定；爱因斯坦通过严格的数学计算，证明了虫洞这种东西是转瞬即逝的。所谓的虫洞，其实是由两个极小的“奇点”——时空中那些曲率无限大的区域——短暂相遇而形成的。还没等时空旅行者穿越虫洞，它们就已经关闭了，只留下两个萍水相逢的奇点。就算有一些不幸的旅行者接触到了虫洞，他们也不可能完成这次穿越。因为在到达终点之前，他们就会被其中的一个奇点撕成碎片。

怎样才能让虫洞的入口保持在开启的状态呢？用数学工具去解决这一问题是极为困难的，不过用物理语言去描述它却是相当容易的：借用引力！任何物质或能量在自身引力作用下都会有坍缩的趋势，除非有其他的力能将其抵消。与此相似，虫洞的入口也会趋于关闭的状态，除非有什么东西能够阻止这种趋势。

因此，问题的关键就在于如何摆脱这种趋势。来自加州理工学院的物理学家基普·S·索恩，在最近几年提出过这样一个观点：只有在虫洞中融进“外来物质”，才能让它的入口持续处于开启状态。这种“外来物质”指的就是拥有“负能量”的物质。从这个特性你就可以推断出（虽然这样的推断在广义相对论中仍然疑问重重），与“抵消”引力相比，这种物质更有可能会产生一次“爆炸”。

我想，即便是那些《星际迷航》铁杆影迷，也能够逐渐接受“负能量”这种奇异的概念。毕竟从前文的论述来看，在弯曲的时空中，许多常理都会被打破。更进一步地说，如果你把用于解释微观物理世界的量子力学引入进来，那么这一切都会变得不一样了。

黑洞与霍金博士

是时候介绍一下史蒂芬·霍金博士了。凭借着对奇点理论的证明，霍金在众多研究广义相对论的物理学家中脱颖而出，闻名于世。这之后，在20世纪70年代，他又凭借着对黑洞理论的重大发现，再一次声名大噪。根据他的理论，黑洞是由完全坍缩后的物质形成的，它表面的局部引力场甚至能阻止光的逃逸。顺便说一下，“黑洞”（black hole）这个能充分激发人们想象力的词汇，其实是由普林斯顿大学的物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒，在1967年的深秋想出来的。这个时间点本身就很有意思，因为据我所知，《星际迷航》首次提到“黑洞”的一集，也是在1967年播出的。但是播出时间要比惠勒公开提出“黑洞”这个词的时间早一些，因此剧集中在描述“黑洞”这个概念的时候，用的是“黑星”（black star）这个词。为了完成这本书，我曾经重温过《星际迷航》的剧集，当时我就觉得奇怪，《星际迷航》的编剧们居然把黑洞的名字写错了。后来我才明白，他们并不是写错了名字，而是差点儿发明了一个新的物理学术语！

由于种种原因，黑洞成为一种非同寻常的东西。首先，所有黑洞的中心都隐藏着一个时空奇点，所有坠入黑洞的物体最终都会与这个奇点相遇。在这个奇点中——也就是时空曲率无限大的一点——人类目前发现的所有物理定律都会失效。在奇点附近，巨大的曲率存在于极小的范围里，以至于引力效应会受到量子力学的影响。目前还没有人能够提出一个理论，能够兼容量子力学和广义相对论（即万有引力）。《星际迷航》的编剧一定早已注意到了量子力学和万有引力的不和谐之处，不然他们为什么会把时空奇点称为“量子奇点”呢？编剧们灵感的源泉我们已无从考证，但有一件事是确定无疑的：黑洞中心的引力场的确是无限大的，任何物质在靠近它时都会被撕裂成碎片，人类掌握的物理学知识在它面前根本不值一提，所有物理定律都将失效。在黑洞面前，一切的一切都将被其碾压、吞噬。

你可能会有一个疑问，为什么我在介绍奇点的时候，说它是“隐藏”在黑洞中心呢？这是因为，在黑洞的外围，存在着一个根据数学计算推导出来的、被称为“事件视界”的界面，它会阻碍我们的观察行为，使我们看不到坠入黑洞的物体究竟发生了什么情况。如果一个物体处于事件视界内部，那么它会不可避免地和这个令人绝望的奇点相遇；而如果它在事件视界外部，那么它就有了逃跑的机会。如果一个观察者不幸坠入了黑洞，在穿越事件视界的过程中，他也（不久就会变成“它”了……）看不到任何特别的景象。然而站在远处的另一个观察者，则会得到迥然不同的观察结果。对于那个正在穿越事件视界的观察者来说，他的时间流逝速度要比另一个观察者的慢上很多。因此在旁人看来，这个穿越事件视界的观察者在接近事件视界的时候似乎在不断放慢速度。而且，这个人距离事件视界越近，他速度就被放得越慢。这个穿越事件视界的观察者，只需片刻（以他自己的时间尺度来说）便可以成功穿过事件视界——这其中并没有什么特别的事情发生——而在其他人看来，这是一段永无尽头的漫长岁月，穿越事件视界的那个人好像被卡在了时空中，动弹不得。

此外，任何物体在坠入黑洞的过程中，随着它们越来越接近黑洞中，它们反射的光会越来越难以被外界看到。也就是说，在一个物体不断接近事件视界时，它会变得越来越暗（因为它发出的辐射会降到可见频率以下）。即便你能够从外界观察到物体穿越事件视界的过程（事实上你的寿命是如此之短，以至于无法观察到这整个过程），你也无法继续观察这个物体的行踪。因为物体一旦穿过事件视界，它所反射的光线就会随它一起永远地被困在事件视界里，从而立即消失于你的视野之中。无论是什么东西，只要落入事件视界，对外界来说，它都会永远消失。这种单向通信，正像是我们常见的单行道：外界的观察者可以向事件视界内部发送信号，但永远都无法接收到反馈信息。

正是由于这样的原因，《星际迷航》中那些波澜壮阔的黑洞景象，其实并不符合我们已有的理论。比如说，事件视界并不是一个有形的实体，而是一个用来描述黑洞、划清其内外两部分的数学概念。这就意味着，航海家号从黑洞内部奇迹般逃脱时所遇到的那个黑洞“裂缝”，其实不可能存在。（裂缝这种设定的确有些荒谬，因此我已将其列入“《星际迷航》十大科学漏洞”，并附在本书的最后一章中。）此外，在一次时空旅行时，进取号曾和罗慕伦战机一起遇到了“量子奇点生命体”，并从他们手中得到了一个培育后代的场地：看上去是一个天然形成的黑洞（事实上进取号船员弄错了，这并不是什么天然黑洞，而是来自罗慕伦战机的一个人造量子奇点）。就算这个黑洞真的能起到保护孩子的作用，家长们也永远都见不到这些孩子了。毕竟，黑洞中的任何东西都无法与外界取得联系。

虽然黑洞看上去是如此难以想象，但却没有那么遥不可及。进取号搭载的穿梭机一号就曾经遇到了一个像是黑洞的“微奇点”。不过，如果它真的是黑洞的话，那么剧集中的画面就有问题了——它旁边的陨石不可能飞得那么远。有证据表明，我们的现实生活中的确存在着黑洞，它们是由比太阳质量大得多的恒星在坍缩过程中形成的。这些坍缩的恒星密度极大，从它上面挖一勺，就能得到数吨重的物质。此外，黑洞还有另一个神奇的性质：黑洞越大，形成黑洞所必需的星体质量就越小。比如一个质量是太阳100万倍的星体，它只需达到水的密度，就能够坍缩成一个黑洞。星体密度越小，所形成的黑洞密度越小。通过进一步计算，你就会发现，如果想要制造一个质量和宇宙一样大的黑洞，所需要的密度恰好就是我们宇宙现在的平均密度！也就是说，我们有可能就生活在一个黑洞之中。

1974年，霍金在研究黑洞特性时有了一个惊人的发现：它并不完全是黑的！它们的质量决定了各自的特征温度，在这个温度下，黑洞能够发出辐射，不过这些辐射并不能给出坠落物的任何信息。黑洞能够发出辐射这种设想的确不可思议，因为它违背了一些物理学理论——其中有些理论是早些时候霍金亲自证明的——即物体只能坠入黑洞，而不能够从黑洞中逃脱出来。其实如果抛开黑洞辐射的来源不谈，这些理论并没有什么错。至于这个黑洞辐射的来源，它本身不是什么普通的物质，而是真空。它的性质十分奇异——尤其是处于黑洞附近的时候。

在第二次世界大战之后不久，物理学家把量子力学和狭义相对论结合起来了。自那时起，人们就已经意识到，真空并非什么也没有，而是一片沸腾着的、量子涨落的海洋。量子涨落会周期性地产生基本粒子对，这些粒子对存在的时间极其短暂，以至我们根本无法进行观测，它们瞬间就会消失于真空之中。量子力学的测不准原理告诉我们，在这样短暂的时间中，人们无法直接探测到粒子的存在，因此我们也无法用实验证明它们不存在，从而我们把这些粒子称之为虚粒子。虽然无法直接测量，但它们的的确确存在着，并影响着诸多物理过程，而这些物理过程我们是能够直接观测的，比如原子能级之间的跃迁概率和跃迁能量。人们预测中的虚粒子，和物理学已有的测量结果十分吻合。

这样一来，我们不得不再次回到霍金那关于黑洞的惊人结论之中。正常情况下，量子涨落在产生一对虚粒子的时候，这对粒子将在瞬间湮灭于真空之中，使我们无法观察到任何违背能量守恒定律（发生在粒子对从无到有这一过程中）的现象。不过，当一对虚粒子从黑洞附近弯曲的空间中产生时，情况就会大不一样了：其中一个粒子可能会坠入黑洞，这样一来，另一个虚粒子就能够成功逃逸，并被人类检测到。这是因为，理论上来讲，与从无到有产生一个虚粒子的能量相比，粒子在坠入黑洞的过程中失去的能量更多。这样一来，坠入黑洞的粒子就会为黑洞带来“负能量”，黑洞自身的能量就变小了。这是符合能量守恒定律的。通过检测我们发现，那个逃逸的粒子得到了这部分失去的能量，这就是黑洞能够发出辐射的原因。另外值得一提的是，在这个过程中，随着黑洞能量一点点地减少，黑洞的质量也会跟着一点点地减小。这个过程持续下去，黑洞就有可能会完全蒸发掉，只留下它之前发出过的那些辐射。

霍金和许多其他物理学家们所研究的问题，已经远远超出了时空弯曲的范畴，触及到了那些更加不同寻常、尚无定论的前沿物理。如果我们把量子力学的应用范围从物质和辐射的问题上拓展到引力问题上，那么时空本身就会出现小规模的量子涨落。遗憾的是，我们目前没有发现行之有效的理论，能够解释这些物理过程，不过这并不妨碍我们继续探索新理论。其中有一个特别有趣的理论，这个理论认为量子力学中的物理过程不仅能够产生新的粒子，甚至还能够生成一个全新的“幼年期”宇宙。如果用数学语言来解释这个理论的原理，那么就有点像我们在讲广义相对论时，用来分析虫洞的那个解释过程。借助于这种“欧几里得”虫洞，我们能够架起一座“时间的桥梁”，一个全新的宇宙便可以从桥梁中横空出世。“欧几里得”虫洞和新生宇宙概念的提出，着实激动人心，以至在《星际迷航：下一代》“陨落”一集中，霍金、爱因斯坦、牛顿在牌局中都提到了量子涨落的问题 [16] 。我想，《星际迷航》的编剧们有理由对此感到困惑，毕竟这些问题是如此的艰难晦涩。除非有一天，我们成功找到了一种数学理论，能够完美地解释这种量子引力，否则一切都是瞎猜。

在以上诸多问题中，与人类关系最大的既不是黑洞的蒸发现象，也不是新宇宙的诞生（尽管这个问题是如此诱人），而是真空中的量子涨落问题。因为在强引力场中，量子涨落赋予了人们一种可能性，能够让虫洞入口保持开启状态。这个问题悬而未决的原因，就在于我们不知道虫洞附近的量子涨落是否能够表现出足够奇异的性质，能够让虫洞入口一直敞开。

（写到这里时，我再一次发现了《星际迷航》编剧们在遣词造句时的先见之明。在剧中，贝久虫洞和巴尔赞虫洞包含一种“斐尔特朗粒子” [17] 场。我不知道这个名字是有意为之，还是随便杜撰的。不过，鉴于虚粒子——真空产生的量子涨落——是基普索恩对虫洞所需的“奇异物质”最佳的候选名字，我觉得《星际迷航》的编剧们在命名能力上的确值得称赞一番。）

现在我们扩充一下问题的范围。如果说真空中的量子涨落足够神奇，那么其他非经典物质和辐射——比如说曲速核心的裂痕，或者斯科提在曲速引擎中加入的“混合物”——也能产生量子涨落吗？以目前的物理学发展情况来说，这些问题没有答案。在我们真实的宇宙中，制造一个稳定的虫洞是无比困难的，没人知道我们到底有没有足够的能力，能够利用虫洞实现时间旅行。虫洞不仅是理想与现实的对抗，它也是一把开启新世界大门的钥匙，尽管许多人宁愿那扇门一直关着。

重访时间机器

神奇的虫洞不仅能够贯通空间中相距甚远的两个区域，它还有着更惊人的潜力。在《星际迷航：航海家号》“针眼” [18] 一集中，这种潜力开始崭露头角。在本集，航海家号的船员们发现了一个小型虫洞，能够让他们回到银河系中的“阿尔法象限”。然而在经过通讯之后，船员们惊恐地发现，这个虫洞通向的并不是他们所熟悉的那个“阿尔法象限”，而是几年前的那个“阿尔法象限”。也就是说，虫洞不仅能够连通空间，它还能连通时间！

《星际迷航：航海家号》的编剧们再一次展现了他们惊人的物理直觉。的确，如果虫洞真的存在，那么它们就必然能够扮演时间机器这一角色！这个令人震惊的结论，在过去几十年中不断发展完善着。由于其他课题没有这么有趣，许多理论物理学家都开始认真对待与虫洞相关的研究课题。其实设计一个以虫洞为核心的时间机器并不难，最简单的一种情况（根据基普索恩的理论成果）或许就是：将虫洞的一端固定，另一端以低于光速的速度，在银河系远端做高速运动。理论上来讲，即便虫洞的长度保持不变，这个设计也是能够实现的。在图3-6这张熟悉的二维虫洞示意图中，在A、B两点间的虫洞保持不变的情况下，只要将底部向左拉动，让空间“滑”过B点，就可以实现我们的设计。

图3-6

此时，B点相对于它所在的空间做高速运动，而A点与它所在的空间保持相对静止。根据狭义相对论，A、B两点时间流逝的速度是不一样的。另外，如果虫洞的长度保持不变，那么一个位于虫洞中的人就会感觉A、B两点相对静止。在这个人的参考系中，A、B两点时间流逝的速度是一样的。现在我们把底端的纸滑回它原先的位置。假设在B点附近的观察者来看，这个过程耗费1天的时长；那么在A点附近的观察者来看，就有可能是10天的时长。假设现在A点的观察者通过虫洞看了B点的观察者一眼，他就会发现B点观察者身旁的日历整整早了9天！如果此时他决定穿过虫洞去拜访B点，他就会体验到时间回溯的魅力。如果你能理解这一点，那么请你再考虑一下这种情况：假设你现在决定不穿过虫洞，采用正常的方式从B点走到A点，路上花费了2天的时间；然后你再从A点以穿越虫洞的方式回到B点，路上花费了“-9”天的时间，那么你回到B点时，就会比出发时刻还要早上7天！

可以说，如果虫洞真的存在，那么时间机器就是完全可行的。我们再回顾一下上章末尾爱因斯坦提出的那个问题：根据“现有的物理学基础”，我们是否应该否定时间旅行、稳定虫洞和负能量物质的存在呢？

归根结底，虫洞只是根据广义相对论提出的时间机器的形式之一。回想一下我们前面关于这个理论的讨论，就会发现时间旅行似乎并不是一件值得惊讶的事。我们再看一下爱因斯坦那个具有启发性的公式：

方程的左端决定了时空的几何特性，方程的右端则决定了物质和能量的分布。人们在面对这个公式时，通常会有这样一个疑问：“对于给定的物质和能量分布，能够产生什么样的时空弯曲呢？”反过来也可以这样说：对于给定的空间几何结构，其中包括“封闭类时曲线”——即能够让你返回初始时间和初始地点的“因果循环”，就像进取号在遭遇波兹曼号前、遭遇波兹曼号时、遭遇波兹曼号后所陷入的那个“因果循环”一样——根据爱因斯坦方程就可以精确推导出对应的物质和能量的分布。因此，从理论上来讲，你可以根据自身对时间旅行的需要，设计出一个相应的宇宙。然后再根据爱因斯坦方程，就可以算出相应的物质能量分布形式。于是上面那个问题就变成了——从物理学的角度来讲，我们能不能构造出这种物质能量分布形式？

我们已经知道，这个问题是在讨论虫洞时提出来的。一个稳定的虫洞需要负能量物质的帮助。库尔特·哥德尔根据广义相对论提出了一个时间机器模型，这个模型涉及这样一个宇宙，它其中不存在任何压力，能量密度保持不变，它只会旋转，不会膨胀。最近有人设想出了一种涉及“宇宙弦”的时间机器，前提是存在一种负能量的分布形式。其实，不久前人们才刚刚证明，根据广义相对论，如果想要实现时间旅行，那么对应的物质分布——至少在一个观察者眼中——必须是负能量的。

有趣的是，《星际迷航》中所有涉及时间旅行和时间扭曲的剧集，都会提到毁灭性的能量释放，而且常常会和曲速核心破裂联系到一起。比如，进取号所陷入的因果循环陷阱，只会在与波兹曼号碰撞结束之后（虽然在因果循环之中，“之前”和“之后”已经失去了它们原本的含义）生效。这次碰撞的起因就是波兹曼号的曲速核心产生了裂缝，导致了进取号的毁灭，进而引起了一系列不断重复发生的事件。直到某次重复中，进取号的船员们成功避开了波兹曼号，这个循环才终于结束了。此外，在“时间平方” [19] 一集中，皮卡德、戴达、特洛伊和拉弗吉在进取号上体验了一次短暂的时间停止，这也是由曲速核心裂缝引起的，不过同时也受到了罗慕伦帝国星舰上的引擎故障的影响。还有，在“赤裸时间” [20] 一集中，由于曲速核心的爆炸，进取号被送回了3天前。再有，《星际迷航：下一代》最后一集中，出现了一次威力巨大的时间扭曲，导致时间不断回溯，颇有一种吞噬宇宙的趋势。这个时间扭曲的起因就是位于三条不同时间线上的进取号一同产生爆炸，并在空间中交汇于一点。最后，在《星际迷航：进取号》“时空冷战”情节中，来自31世纪的时间旅行者丹尼尔斯，成功地把亚契上校和他自己传送回1944年，并引起了时间的扭曲，这个扭曲对丹尼尔斯来说是致命的——不过他制造了一个新的时间线，安全地回到了未来。

因此，真实宇宙中的时间旅行，就和《星际迷航》中的一样，取决于是否能够得到“奇异物质”。那么，那些高度发达的外星文明有能力制造一个稳定的虫洞吗？或者说，我们能不能找到那些允许时间旅行的物质能量分布，然后再像爱因斯坦所说的那样，“根据已有的物理学基础”把它们否定掉呢？直到今天，人们仍然无法得到答案。某些特殊的时间机器——比如库尔特·哥德尔提出的时间机器和它所依赖的宇宙弦——被发现具有非物质性。虽然依靠虫洞实现时间旅行的可能性并没有被否定，但是有研究表明，在虫洞发挥作用前，量子引力的涨落就有可能会使虫洞发生自我毁灭。

在我们建立起量子引力理论之前，时间旅行的问题恐怕得不到什么有效的解决方案。尽管如此，还是有一些像霍金一样勇敢的物理学家站了出来，并亮出了自己的底牌。霍金深信，时间机器是不可能造出来的，因为它存在着许多显而易见的悖论。霍金还提出过一个“时序保护猜想”的概念，大意就是“物理学不可能允许封闭类时曲线的出现”。或许，霍金的理念并不对，物理学是允许我们改变事件的时序的。或许在未来的某一天，我们能够像《星际迷航：进取号》中的情节一样，发现了一条“时间一致”的定律，允许我们在时间旅行时，不对已经发生的事件产生任何影响。

就我个人来说，在这个问题上，我更倾向于赞同霍金的观点。不过，物理学是不会以个人意志为准的。正像我在前面说的那样，广义相对论常常会打破我们那些天真的想法和希望。为了让大家认识到，物理学的发展方向是多么不可捉摸，我在这里给大家讲述两个故事——历史上曾有两位（据我所知）杰出的物理学家说过，我们不应该把精力放在广义相对论提到的那些现象上，因为物理学定律最终将会证明它们的荒谬之处：

1．天体物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡在年轻时提出过这样一个结论：如果一个恒星核心的质量超过了太阳质量的1.4倍，那么在它燃尽其全部的核燃料之后，就不会止于白矮星的状态，而是在引力的作用下继续坍缩。另一位著名物理学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿立即公开反对这一结论，他说：“虽然有各种偶然因素会使恒星消亡，但我不认为它能够消亡到如此地步。我想，应该会存在一条尚未被发现的定律，能够否定恒星这种荒唐可笑的变化！”当时，绝大多数天文物理学家站在爱丁顿这一边。半个世纪之后，钱德拉塞卡凭借他惊人的物理直觉荣获了诺贝尔奖，而他的理论也早就被证实了。

2．就在爱丁顿公开反对钱德拉塞卡的20年之后，在布鲁塞尔会议上出现了一件极其相似的事。美国杰出的理论物理学家、著名的原子弹之父，尤利乌斯·罗伯特·奥本海默通过计算，认为中子星——超新星演变之后留下的残骸，其密度甚至大于白矮星——的质量不可能大于太阳质量的2倍，除非它能够进一步坍缩成黑洞。另一位同样著名的物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒则反驳说，这样的结论是荒谬的，其理由和当初爱丁顿否定钱德拉塞卡时所说的理由如出一辙：物理学定律一定会通过某种方式，来保护这些星体免遭如此厄运。这之后还不到十年，惠勒就彻底认输了。讽刺的是，他反倒凭借着为黑洞命名而闻名世界。

［第四章］
戴达结束牌局

我曾沉入到世人的目光所不能及的未来；

看到了世界的幻想，所有将实而虚的奇迹。

——摘自《洛克斯利大厅》，作者为阿尔弗雷德·丁尼生

（这段摘抄被船员们贴在了星舰航海家号上）

这场赌局的赌注，既不是“《星际迷航》未来剧集中是否会出现稳定的虫洞”，也不是“进取号是否能够穿越时间回到19世纪的旧金山”，而是这样一个问题，一个能够把话题引回“弯曲时空”的问题：曲速引擎是切实可行的吗？从前三章的讨论我们可以看到，除非我们的宇宙中遍布着稳定的虫洞（可能性很小），否则我们便会被囚禁于弹丸之地，永远都没有办法去探索广袤的宇宙。现在我们来回答上面那个问题——曲速引擎确实是有可能实现的！

我们将再一次感受到《星际迷航》编剧们在创造新词汇时那令人称道的语言直觉。前面我已经讲过，由于狭义相对论的限制，出现了三个障碍，使得火箭推进系统不能够为星际航行提供动力：第一，在真空中，没有任何物质能够超光速飞行；第二，物体在接近光速时，它所处的时间系统会变慢；第三，就算火箭推进系统能够把星舰加速到亚光速，它对燃料数量的巨大需求，也会让人望而却步。

解决这一问题的最佳办法，就是放弃火箭推进系统，并充分利用时空本身的特性——时空弯曲。考虑到广义相对论的存在，我们在讨论问题、遣词用句的时候一定要格外谨慎。不要泛泛地说，任何物质都不能够超光速飞行；而要更加精准一点地说，在人类目所能及的宇宙中，任何观测者都无法观测到超光速的现象。也就是说，对于任意一个观测者，以他自身的参考系为标准，没有什么物质的速度能够超过光速。然而如果时空本身是弯曲的，那么特定观测者的结论，就不再具有普遍意义。

空间的弯曲性与曲速引擎

现在我们以宇宙本身为例。根据狭义相对论，对于那些与周边环境相对静止的观测者来说，他们具有相同的时间流逝速度。也就是说，在我航行于宇宙的过程中，我可以每隔一段时间就停下来一次，并在停歇的位置放置一个时钟，那么这些时钟在每一刻都会是同步的。即便加入广义相对论，这一结果也不会改变。与环境保持相对静止的那些时钟，一直会指向同一个时刻。不过，广义相对论允许时空发生膨胀。那些身处宇宙边缘的物体，正以接近光速的速度飞离我们，但它们和它们周边的环境却一直是相对静止的。如果宇宙足够大，并且在均匀膨胀的话——两个条件必须同时满足——就一定会存在一些我们看不到的物体，它们正在以远远超过光速的速度飞离我们。但这些文明，也是一直和其周边的环境保持相对静止。

空间的弯曲性会造成狭义相对论中的“漏洞”，这个“漏洞”非常之大，大到足以使一艘联邦星舰穿越其中。假如时空可以被自由操纵，那么人类就能让物体在低速飞行的同时，与高速膨胀的空间保持相对静止，从而在瞬间走完一段极为遥远的距离。我们已经介绍过一种夸张的旅行方式——将宇宙中相距甚远的两个区域通过虫洞进行连接——这是时空旅行的一种捷径。需要指出的是，即便我们不采用这种办法，即便在特定的参考系中无法实现超光速，从整个宇宙的角度来讲，超光速的现象也是有可能存在的。

这个猜想得到了物理学家米给尔·阿库别瑞的证明。据说他原本只是为了好玩，才尝试着把广义相对论和“翘曲速度”统一起来。结果表明，我们可以构造一个时空结构，让星舰能够瞬间移动；同时这个时空结构可以任意裁剪。而且我们可以让这艘星舰和它周边的环境保持相对静止，从而确保星舰上时间流逝的速度，与出发点和目的地保持同步。看来广义相对论的确能够把星际旅行的图景变成现实。

这其实不难理解。如果时空能够任意弯曲，使得星舰后面的时空膨胀，而前面的时空收缩，那么星舰就会随着它所在的那一片空间一起被动地前进，就像冲浪板在波涛中前进一样。即便如此，星舰本身的飞行速度也不可能超过光速，因为光本身也会被动地随着膨胀的空间一起前行。

如果想要更形象地描述这一切，那最好的办法就是把你自己放进这艘星舰。如果你身后的空间突然大规模膨胀，你将会发现，虽然你离开星舰基地一共也没几分钟，但它距离你却有十几光年之远。同样的，如果你面前的空间突然大规模收缩，你就会发现，刚才还相距甚远的一颗恒星，现在只有咫尺之遥。只需要使用普通的火箭推进器，不用几分钟便可以到达。

我们可以通过调整时空的几何结构，来制造一个相对理想的人工引力场——它能够成功地让时空膨胀或收缩到我们想要的状态，同时不会影响到我们的星舰和基地。也就是说，它们周围的时空是近似平坦的，这就使得星舰上的时钟能够和基地的时钟保持同步。而在星舰和基地之间，引力场会造成毁灭性的潮汐力，仿佛人间炼狱。不过，反正我们并不需要驶进这些区域，造个炼狱又有何妨呢。

类似的情节已经在《星际迷航》中出现过了。我想编剧们一定是在构思曲速引擎的时候灵光一现，想出了这样精妙的情节，然而他们并不认同我的猜想。此外不得不提的是，上面这种星际航行的方法，完全满足我们之前提出的种种条件：（1）超光速旅行；（2）无时间膨胀；（3）无火箭推进。也就是说，广义相对论允许我们把时空动态化，从而创造出一个“可设计的时空”，在这样的时空中，几乎任何形式的时空运动都是可以实现的。不过这是有前提的，它依赖于一种把时空运动和物质能量分布结合起来的理论。这样一来，为了从“物理学”的角度实现上面构想的那种时空，我们就不得不把问题转向物质能量的分布。不过我们还是先来说一下这个“可设计的时空”。

可设计的时空

“可设计的时空”最大的妙处就在于，它把问题转回了最原始的“牛顿难题”，并为惯性阻尼器和牵引光束的设定提供了理论支持。这个理论在本质上和曲速引擎是一致的。如果星舰周围的时空可以弯曲，那么物体就可以随意地靠近或远离，丝毫不受加速度的影响——“牛顿难题”迎刃而解。为了绕开达到亚光速所需要的加速过程，我们可以采取同样的办法，同时也能够缩小冲量引擎和曲速引擎之间的差距。类似的，当我们想利用牵引光束来拖动一个像行星一样重的物体时，我们只需要使远侧的空间膨胀，近侧的空间收缩，便能够轻松达到目的！

弯曲的空间有许多优点。显而易见，如果进取号前面的空间极度弯曲，那么任何射向进取号的光线——包括相位光束——都将被反射回去。这应该就是星舰护盾的工作原理了。有人说星舰护盾的原理是“相干引力子辐射”，这其实并不准确。根据定义，“引力子”其实就是传递引力的粒子，因此“相干引力子辐射”就是相干引力场的产物。通俗来说，相干引力场就是空间发生弯曲的缘由。没错，《星际迷航》的编剧们再一次展现了他们令人瞠目的语言直觉。

我不禁怀疑，罗慕伦帝国的隐形设备，也采用了类似的工作原理。其实，开启护盾的进取号，就跟隐形了一样。毕竟，我们之所以能看到那些本身不发光的物体，就是因为它们能够把外来光线反射到人眼中。对于一艘星舰来说，它想要隐形，就必须以某种方式让周边的空间发生弯曲，从而让外来光线绕过星舰，而不是照射到星舰上，并反射到人眼中。（有趣的是，美国军方现在已经研制出隐形战机，能够躲过雷达的探测。不过它的原理并不是制造一个引力场，而是依靠电磁间的相互作用。这样一来，它就能够躲避特定波长的检测，比如雷达的探测波。当然了，如果你想躲过所有波长的探测，让战机彻底隐形，那你还是得制造一个引力场。）这种方法，与进取号在电视剧中采取的办法——将光线折射开来相比，有着微妙的差别。在《星际迷航：下一代》“天马号” [21] 放送之前，一直有一个问题在困扰着影迷们：为什么联邦的星舰不使用伪装技术呢？毕竟对于一个能够研制出星舰护盾的技术团队来说，开发一种隐形技术应该也不是什么难事。“天马号”这一集回答了我们的问题：这的确不是技术问题，而是法律问题——联邦不允许研制隐形技术。（在《星际迷航：下一代》大结局“曲终人散”一集中，联邦终于批准了对隐形技术的研制。）从剧集中我们可以看到，行星联盟早在第一艘进取号诞生之际就已经能够操纵引力场了。不仅如此，根据特拉维斯·梅威瑟的说法，他们还研制出了人工引力生成器，能够在联盟的星舰上生成一个“甜蜜点”。“甜蜜点”能够扭转引力，让你舒服地坐在天花板上。

由于广义相对论的理论支持，翘曲速度有了更为实际的意义。虽然它和星舰前后空间的膨胀系数和收缩系数有着密不可分的关系，但是它并没有一个固定的计算公式。在前两部剧集中，吉恩·罗登贝瑞为了让物质的速度不超过“翘曲速度10”，决定重新调整翘曲速度的计算模式。也就是说，翘曲速度并不是简单的对数转换（比如翘曲速度10=2¹⁰ 倍光速=1024倍光速）。根据《星际迷航：下一代——技术手册》的说法，进取号的最高额定速度为“翘曲速度9.6”。如果以光速为标准，就是1909倍光速。“翘曲速度10”对应于无穷大。有趣的是，尽管翘曲速度经过了修正，某些物体（比如博格立方体）的飞行速度还是超过了“翘曲速度10”。毕竟编剧也不是神，希望大家不要过多的纠结于这些小纰漏。

好消息到此为止……

虽然我们已经阐明了（至少从理论上来讲）曲速引擎是切实可行的，但我们仍旧逃不开爱因斯坦关于能量的那个方程——我们必须考虑物质和能量的分布形式。你猜怎么着？我们面临的困境，比当初虫洞的困境还要糟！对于一个高速穿过虫洞的人来说，他能够观测到负能量的存在。因此，对于曲速引擎所需要的那些物质来说，即便是一个和星舰保持相对静止的观测者——也就是说他正坐在星舰上——也会发现它们带有负能量。

这一结果可能并不会让人感到惊讶。毕竟从某种意义上来讲，广义相对论已经提出过类似的概念：要想让虫洞保持开启状态，从而实现曲速引擎和时间旅行，我们就需要一些闻所未闻的奇异物质。这就意味着，我们必须找到一些引力相斥的物质。广义相对论认为，这大体上就等同于找到一些具有负能量的物质。

在前面我们阐述过这样一个事实：如果把量子力学和狭义相对论相结合，我们就会发现，在微观范围内，能量有可能出现负值，这就是第三章中的量子涨落问题。不过这个问题的核心——物理学定律是否允许微观范围内的负能量——至今尚未得到解答。没错，目前为止，我们没有任何切实可行的办法，能够创造出这种负能量物质。

在本书第一版问世后不久，就有人证明了，真空中的确存在引力相斥的能量。在宇宙占主导地位的恰恰就是这种引力相斥的能量，它们的总大小约是宇宙中星系和星团能量之和的3倍，这就是众所周知的“暗能量”。这些“暗能量”是宇宙不断膨胀的起因，它和爱因斯坦提出并抛弃的那个概念——宇宙常数——一样神秘。迄今为止，我们仍不知道这些“暗物质”源自何处，也不知道它们存在的确切意义。如果它真的来自真空的话，我们就没有办法利用它来实现星际旅行。

不过，我们现在可以把潜在的障碍抛之脑后，并设想在未来的某一天，我们能够利用更先进的量子力学工程技术，将物质或者真空改造成那种“奇异物质”。即便如此，这其中仍旧有一个问题难以解决。如果我们打算采用上面的方法实现时空旅行，那么我们就需要收集充足的能量。这个数量是如此之大，以至于前面我们在计算冲量引擎时所得到的那个数字，在它面前都会显得微不足道。不妨以太阳为例，虽然它的质量比地球大100万倍，但是它产生的引力场，也只能让光线弯曲非常细小的一个角度——比千分之一度还要小。我们需要的，是一个能量极大的引力场，一个能让牵引光束弯曲90度的引力场！这也是“引力弹弓效应”不能实现的原因。（在“明天即是昨天” [22] 一集中首次提到这个效应，并利用这个效应来把进取号送回过去；类似的情节也出现在电影《星际迷航4：抢救未来》和剧集《星际迷航：下一代》“时间平方” [23] 一集。）与实现星际旅行所需要的引力场相比，太阳产生的引力场实在是太小了。有一种办法，可以估算制造这种引力场所需能量的大小，那就是设想一个与进取号一样大的黑洞——毕竟黑洞是掰弯光线的“行家里手”。这样一个黑洞的质量，大约只有太阳质量的十分之一。不过，制造这样一个黑洞所需的能量，却比太阳一生释放的能量总和还要多。

在这个游戏接近尾声的时刻，我们不禁会提出这样一个疑问：到底哪种理论最靠谱呢？我们已经了解了很多时空的特性，至少在面对“如何利用弯曲空间实现星际旅行”这个问题时，我们能说出大概的原理。我们也知道了，如果没有这种负能量的奇异物质，我们大概永远都无法穿越星河。不过，我们仍不知道这些物理条件能否在现实生活中实现，甚至不知道它们在理论范围内是否可行。即便理论允许我们进行这一切，我们也没有任何办法将其付诸实践，因为这需要巨大的能量，大到难以想象。

可能有人对此持乐观态度，毕竟凭借我们如今的科技水平，无法否定星际旅行的可能性。也许在未来的某一天，我们掌握了制造和维持这些奇异物质与能量的能力呢？不过，我本人对此持怀疑态度。就像我的同事史蒂芬·霍金一样，我相信，任何一个科学性的理论框架，都难以容纳时间旅行所产生的种种悖论。考虑到曲速引擎和星舰护盾都需要数量庞大到难以想象的能量，我也不觉得它们有朝一日能够出现在现实生活中——不过不要过于相信我的直觉，因为我的直觉出过岔子。

其实我本质上还是很乐观的。我仍旧相信科学的力量，正是科学引领着我们探索这迷人的世界。在可观测的宇宙中，一共有1000亿个星系，人类只生活在其中一个小小的角落里。就像橡胶板上的那只二维昆虫，我们至今仍无法看清宇宙的真实模样。然而经过20代人的努力——从牛顿时代走到今天——我们已经点燃了物理学的火把，并用它照亮了时间和空间的深处。虽然看上去我们永远也无法乘坐星舰遨游宇宙，只能被囚禁在这小小的蔚蓝色星球上，透过茫茫夜空去探寻宇宙背后的故事，但即便如此，我们也一定能发现更多新奇的东西。我相信，如果物理学不赐予我们星舰，让我们探索宇宙的尽头；那它一定会赐予我们绳索，让我们把另一头的宇宙拉过来。

注解：

[1] 　出自Michael Okuda，Denise Okuda，Debbie Mirak. The Star Trek Encyclopedia （New York: Pocket Books；1994）

[2] 　技术参数出自《星际迷航：下一代——技术手册》，Rick Sternbach, Michael Okuda, Next Generation Technicsl Manual （New York: Pocket Books；1991）

[3] 　1毫秒=0.001秒

[4] 　《星际迷航：下一代》，第一季，第九集。

[5] 　动量是物体质量和速度的乘积，具有大小和方向。计算公式为P=mv，其中P为动量，m为质量，v为速度。

[6] 　《星际迷航：原初系列》，第一季，第十九集。

[7] 　《星际迷航：原初系列》，第一季，第四集。

[8] 　《星际迷航：下一代》，第七季，第十一集。

[9] 　出自Albert Einstein: Philosopher-Scientist （New York: Tudor；1957）

[10] 　“最糟糕的事情”（The Worst of Both Worlds）是DC漫画《星际迷航：下一代》里一个故事单元的标题，同时是电视剧集“两全其美”（The Best of Both Worlds）的后续。

[11] 　出自《星际迷航：下一代——技术手册》。

[12] 　出自《星际迷航：下一代——技术手册》。

[13] 　《星际迷航：下一代》，第七季，最后一集。

[14] 　天文学中Vulcan的正式译名为祝融星，在《星际迷航》中译作瓦肯星。

[15] 　《星际迷航：下一代》，第三季，第八集。

[16] 　出自Michael Okuda, Denise Okuda, Debbie Mirak. The Star Trek Encyclopedia （New York: Pocket Books；1994）

[17] 　一种虚构的，存在于虫洞中的超光速亚原子粒子。

[18] 　《星际迷航：航海家号》，第一季，第七集。

[19] 　《星际迷航：下一代》，第二季，第十三集。

[20] 　《星际迷航：原初系列》，第一季，第四集。

[21] 　《星际迷航：下一代》，第七季，第十二集。

[22] 　《星际迷航：原初系列》 ，第一季，第十九集。

[23] 　《星际迷航：下一代》，第二季，第十三集。

第二部分
无处不在的物质

在这部分中，大家会遇到传送光束、曲速引擎、二锂晶体、物质-反物质引擎和全息甲板。

［第五章］
传送原子，还是比特？

“雷吉，传送是最安全的旅行方式呀！”

——出自“恐惧境界” [1] ，乔迪·拉弗吉对雷金纳德·巴克利所说

艺术源于生活，生活模仿艺术。最近，我常常听到一个同样的问题：“未来究竟会依赖哪一个——是原子，还是比特？” 30多年前，吉恩·罗登贝瑞在另一种使命的驱动下处理了同样的问题。他设计了一艘漂亮的星舰，不过还有一个小小的问题需要解决：就像在水中的企鹅一样，进取号可以在太空之中自如航行；但是也和企鹅登陆后一样，进取号着陆后连立足都成了问题。可能经费也是一个重要的方面，毕竟每周播出的电视节目预算有限，庞大的着陆场景实现起来也不太容易。

那怎样解决这个问题呢？很简单：保证星舰永不着陆。用其他方法让船员们从星舰上到达星球表面就好了。于是便出现了“传送我吧”这种话，传送器也就立刻应运而生。

除了曲速引擎，恐怕没有其他哪种技术能够让联邦的每一艘星舰，每一次任务都变得如此丰富多彩。甚至没有看过《星际迷航》的人都听过刚才那句风行一时的话。它已经渗透进流行文化当中了。我曾经听到过这样一件事，一个醉酒的年轻人，在十字路口闯红灯撞上了一辆正常行驶的巡逻车。当被问到有什么要交代的时候，他绝望地答道：“是的，先生。”随即站起来，掏出钱包，潇洒地翻开，对着它咕哝：“传送我吧，斯科提！”

这个故事的真实性可能有待商榷，但是它确实表明了这种假想的技术已经深深影响了我们的文化——在进取号上所有的科幻技术中，恐怕没有哪一个比传送更加难以置信，更加震撼人心了吧。要创造出这样一种装置，需要克服的理论和实际的困难比你想象的还要多。这些挑战囊括了物理和数学的范围，涉及信息论、量子力学、爱因斯坦的质能关系、基本粒子物理等。

传送物质VS传送信息

这就把我们带到了“传送原子，还是比特”的争论上来了。关于传送器必须要讨论的一个重要问题是：面对从星舰传送到星球表面这项任务，大约有10²⁸ （1跟着28个0）个以复杂形式组成人体的原子参与了进来，怎样才能快速而高效地来完成传送呢？这个问题提得很及时，因为我们也正面临着相似的困境——怎样才能最好地传播一本平装书，即大约10²⁶ 个原子的一种复杂组合形式。在撰写本书第一版的时候，这个想法还很模糊，但是它现在已经很明晰了：这些原子其实都是间接的传递者而已。真正重要的，是它们蕴含的比特信息。

以图书馆里的一本书为例。一家图书馆买了一本书存放在图书馆里——或者对于某些幸运的作者来说，会有好几本——准备着下一次借给某个人使用。但是，在数字图书馆里，相同的信息是以比特的形式存储的。比特就是1或0，以8位一组的形式排列形成字节，用来代表字母和数字。这些信息存储在计算机的各个存储器里，比特就以磁化或者充电代表1，未磁化或者放电代表0。现在任意数量的使用者都可以同时访问计算机的同一个存储区域，因此在数字图书馆里，地球上所有购买者都能通过相同的来源读到一本书。很明显在这种情况下，实际占有组成图书的原子是没有多大意义的，而且相比于存储的比特来说也没有效率。（但是给作者的版税收入造成了极大的损失。）

那么，人又怎么办呢？如果打算传送人的话，是移动他们所有的原子，还是只有信息就够了？你开始可能认为移动信息要简单得多——至少信息能以光速传播。但是到了人身上，有两个刚才在书那里所没有的问题：首先，需要提取这些信息，这当然是不容易的；然后还要把它们重新组合成之前的物质。比较人跟书的不同，就是人需要实际的原子来构成。

《星际迷航》的编剧们似乎从来没有澄清过传送器是怎么工作的。传送器传送的是原子和比特，还是仅仅只有比特？你可能会奇怪我为什么要提出这一点，因为《星际迷航：下一代——技术手册》已经详细地描述过这个过程了：首先传送器锁定目标。然后扫描需要传送的图像，将目标“非物质化”，在“模式缓冲器”中存储一段时间，之后再通过“环形约束光束”传送“物质流”到达目的地。因此传送器显然是把物质和信息一起传送的。

这种图像唯一的问题就是，有时传送器的行为并不一致。至少有两次在众所周知的情景里，传送器将一个人传送出来了俩。在十分经典的“内部敌人” [2] 一集里，传送器的故障使柯克分裂成了两个人，一个好的一个坏的。更加纠结而有趣的是，我们发现在《星际迷航：下一代》“第二次机会” [3] 一集里，瑞克中尉早在内华拉IV星被传送到波特金号上时就分裂成了两个。一个安全地返回了波特金号；另一个则返回了星球，在那里独自生活了8年。

要是传送器同时携带物质流和信息的话，这种情况根本不可能发生。传送前后的原子总数应该是一样的。在这种情况下是没有办法复制出一个人来的。另一方面，要是只传送信息的话，在星舰上储备的原子进行重组后，想要制造多少个拷贝都可以。

当我们考虑物质流时还面临一个类似的问题：传送到空间中的是“纯能量”。例如在《星际迷航：下一代》“寂寞旅程” [4] 一集里，皮卡德在一个地方选择以纯能量的方式传送，不受物质条件的约束。不过这次经历相当悲惨而危险，他历尽艰辛才得以在模式缓冲器里恢复了肉身。但如果物质流被送入太空中的话，最后就不会留下任何东西让你恢复了。

因此，虽然星际迷航手册里那样写了，我还是持有一种不置可否的观点。而且我还想要探索那些与这种可能性相关的各种问题与挑战：究竟是传送原子，还是比特（数据）？

传送系统

可能关于传送最吸引人的问题——也是人们日常都不会提到的一个问题——就是人类是由什么构成的？我们仅仅就是所有原子的加和吗？更准确地来说，如果能够重塑你身体里的所有原子，甚至与这一瞬间所有原子激发和化学状态都精确相同，那创造出来的这个人在机能上完全相同吗？和之前的你拥有相同的记忆、希望、梦想和精神吗？没有理由相信不是这样的，但是这在那些笃信“灵魂”使人独一无二的信徒看来毫无意义。毕竟，你死后会发生什么呢？信仰不是说“灵魂”在死后依然存在吗？那在传送过程中灵魂怎么办呢？这样的话，传送器就是检验灵性的最佳装置。要是一个人传送到进取号上以后，完好无缺并且没有什么明显变化的话，这就提供了人类就是身体各个部分单纯加和的重要证据，而这个证明将直接跟大部分人的信仰发生冲突。

由于种种原因，这个话题在《星际迷航》里被故意回避了。但是，除了非物质化和传送纯粹的物理特性以外，某种模糊的“生命力”还是超出了肉体的限制，成为《星际迷航》系列里长期的主题。《星际迷航》第二部和第三部电影，《星际迷航：可汗之怒》和《星际迷航：石破天惊》的全部前提都在于，斯波克有着“katra”——一种灵魂——可以在体外存在。一段时间之后，在《星际迷航：航海家号》的“全神贯注” [5] 一集里，查克泰的“神经能量”——类似于生命力的一种东西——脱离了身体，在星舰上徘徊，从一个人转移到另一个人，试图回到原本的“家”里。

我不认为能够兼顾两个方面。不管是“灵魂”“katra”“生命力”，还是任何我们身体的一部分东西，实际上都是由物质组成的，或者就根本不是。为了不冒犯敏感的宗教信仰（甚至包括瓦肯人的信仰），我决定在这个问题上保持中立。尽管如此，在进入新的讨论之前，我还是要强调，不要对传送器的基本前提——原子和比特——掉以轻心。

我接下来要说的问题是可以避免的，只要放弃同时传送原子和信息这个念想就好了。每个上过网的人都知道，要传送数据是多么简单的一件事——比如汽车结构图之类的东西。但在现实里要转移一辆汽车还是很不容易的。尽管如此，在传送比特时还是有两个棘手的问题。第一个面临的窘境就是怎样处理我们的身体？要是仅仅传送信息，那么原来的那些原子就要“消除”掉，然后在接收的地方重组新的结构。这个问题相当严峻，如果要摧毁10²⁸ 个原子，操作上将面临很大的挑战。比如说，单纯地将这些材料转化为纯能量，那最后能得到多少能量呢？爱因斯坦的质能方程会告诉我们，E=mc² 。如果突然将50千克的材料（一个较轻的成人）转化为能量，将会释放超过1千个1百万吨级的氢弹爆炸的能量。很难想象如何以一种环保的方式来处理这件事。

当然这个过程还有另一个问题。因为要是这种方式可能的话，复制人就会变得很常见了。确实这样来看，复制比起传送还要容易一些，因为这样就不用毁灭掉原来的本体了。在这种情况下，复制没有生命的物体是可以接受的，而且船员们确实认可了。但是复制活的人类还是会产生问题（就像瑞克在“第二次机会”里那样）。现今DNA重组都会引起大量的伦理问题，那要是完整的人类包括记忆和人格都能随意复制的话，就确实会引起内心的迟疑。那时候，人们就会像电脑程序或者存在硬盘里的手稿一样。要是其中有一个损坏了或者出现故障，你可以简单地调用一个备份来补救。

从之前的讨论可以看出，无论是在实践还是在伦理方面，像《星际迷航》那样，使用传送器把物质流和信息一同传送都是一个更好的选择。那问题就变成了：该怎样移动原子呢？这是动力学的问题，在某方面来说很微妙。

在传送器里“非物质化”需要什么呢？要回答这个问题，就必须更小心地回答一个更简单的问题：什么是物质？所有普通物质都是由原子组成的，而原子又是由致密的原子核和环绕的电子云构成的。你可能会回想起高中化学物理课本上的描述——原子大部分体积都是空的，外面电子所占据的区域大约是原子核占据区域的一万倍。

要是原子大部分都是空的的话，那为什么一种物质不会穿过另一种物质呢？这和使墙壁坚固不可穿透的道理一样，是粒子之间的电场而不是粒子本身阻挡了我们。我的手被桌子挡住了是因为手里的电子与桌子里的电子发生了排斥作用，而不是电子没有足够的空间运动。

电场不仅使物质有了实体（让一个物体无法穿过另一个），它还使物质结合在一起。要改变这种情况，就必须克服原子之间的电磁力。克服这些力需要做功消耗能量，这就是所有化学作用生效的方式。单独的原子和其他原子的结合方式取决于交换的能量。比如要是往硝酸铵和燃油里注入能量，两种材料的分子会重组，而且在这个过程中，把两种材料束缚在一起的“结合能”会释放出来。而且要是释放得很快的话，就会产生大爆炸。

粒子（质子与中子）间结合形成原子的结合能，要远远大于原子间的结合能。这种能量将原子核的密度保持在了一个难以置信的地步。使粒子组成原子核的力从能量上来看是原子结合能的数百万倍。因此，核反应会比化学反应释放多得多的能量，这也是核武器威力如此强大的原因。

最后，使基本粒子（夸克）结合在一起形成质子和中子的能量，又远大于原子核中质子与中子的结合能。事实上，目前基于夸克相互作用的理论计算，完全把组成质子和中子的夸克分开所需要的能量看作是无穷的。

在这个基础上，要让物质完全分成夸克——物质的基本组成部分——将是不可能的，至少在室温下是不可能的。但是同样的理论告诉我们，在质子与中子中的夸克将在原子核加热到一万亿摄氏度（大约要比太阳中心热上一百万倍）后，失去它们的结合能，而物质也会损失掉几乎所有的质量。物质将会变回辐射——或者用传送器的方式，物质将变得非物质化。

因此，克服物质间结合能（像《星际迷航：下一代——技术手册》中那样）的最基本的方式，就是把它加热到一万亿度。在能量上，这相当于要求将质子和中子10%的静质量转化为热能。也就是说要想把人加热到一万亿度的话，就需要湮灭等量物质后能量的10%——或者100颗百万吨级的氢弹爆炸的能量。

可能有人会说，刚才描述的场景有点过头了。可能根本就没必要把物质分解到夸克的级别。可能在质子和中子的级别上非物质化就够了，或者甚至在原子尺度上就能满足传送器的目的。当然这种情况下所需要的能量要少得多，不过仍旧难以实现。而且，这样做会顾此失彼，暴露出更严重的问题。一旦有了物质流，比如单独的质子、中子和电子，或者可能就是整个原子，你就必须传送它们——以远远小于光速的方式。

现在要让像质子和中子这样的粒子以接近光速的速度来移动的话，就必须给它们可以与静质量相提并论的能量。结果这比把质子加热并“融解”成夸克的能量还要大上10倍。不过，尽管把质子加速到光速消耗的平均能量要更多，这还是要比把能量限制在单个质子里，以使其加热分解为夸克要容易实现。这也就是为什么虽然耗资巨大，现在还是建造了很多大型粒子加速器的原因——像位于伊利诺斯州巴达维亚的费米实验室拥有的万亿电子伏特加速器——它们可以将单个质子加速到超过99.9%的光速；而我们现在还无法建造一个加速器，能用足够的能量来轰击质子，使它“融化”成为组成它的夸克。事实上，这也是物理学家们设计的下一代大型粒子加速器的目的——包括在长岛的布鲁克海文国家实验室正在建设的一个装置——实现物质的这种“融化”。

这里我再一次为《星际迷航》编剧们的在用词方面的才能所折服。质子融化成夸克的过程在物理上被称为相变。而且意想不到的是，如果仔细搜索《星际迷航：下一代——技术手册》中传送器进行非物质化的设备后，你就会发现，它的名字恰恰就是“相变线圈”。

因此未来传送器的设计师们就要做出选择了。要么就找到一种能量源，一下子产生地球一天消耗的一万倍的能量，以使原子变成“物质流”，连同信息一块以光速移动；要么降低10倍要求，把人加热到太阳中心温度的一百万倍就行了。

信息高速公路

当在家里的电脑上写下这些内容的时候，我想起20年前买的第一台苹果电脑，不由地感叹技术发展之迅速。我记得那台机器的内存是128KB，而我现在的电脑内存都已经达到512MB了，更不用说在凯斯西储物理学部办公室那台2048MB内存的工作电脑。也就是说，在20年间，我的计算机内存容量提升了近10000倍！与此同时，硬盘容量也在以类似的速率提升着。我第一台机器连硬盘都没有，只能用外置的软盘，容量只有区区400KB。现在我家里的电脑硬盘是500GB的——存储容量提升了一百万倍。此外，电脑系统的运行速度在20年间也得到了巨大提升。对于实际的数值计算，我估计现在的电脑要比最初那台麦金塔快上1000倍。而办公室的工作站还要快10倍，它每秒能够运行超过10亿条指令！

即使我身处科技最前沿的地方，看到这些进步依旧震撼人心。在过去十年间，最快的通用计算电脑的计算速度和内存容量提升了100倍。这还不包括那些专用的计算机：这些惊奇的人工制造物拥有超过每秒万亿次的有效运算速度。事实上，某些特殊用途的设备原则上可以使用有机原件，比如基于DNA的计算系统，这可以使运算速度提升好几个量级。而且人们现在还在研究一种量子计算机，之后我会介绍一下。它利用了量子力学神奇的性质，能够在同一时间进行大量的计算。目前这种设备连能否实现都还不太清楚，但要是可能的话，即使仅仅在理论上可行，也会使许多物理学家兴奋不已。

人们不禁好奇，这种情况能否持续？未来能否像过去推断的那样快速发展？另一个现实的问题是，人类真的需要以这样的步伐前进吗？毕竟决定信息高速公路前进步伐的是我们自己。我们只能消化一定量的信息，上几个小时的网就能切身体会到这一点了。我想知道为什么，即使用尽全力在网上浏览，自己能力进步的速度还是比不上计算机。而且，不用说进步了，这样做了之后，有时反而还会退步呀！答案显而易见。人类的发展并不是被计算机的能力限制了，而是被我们自己限制了。由于这种原因，有人说计算机就是人类进化的下一个阶段。这是很有道理的，戴达这种没有情感的机器人，在很多方面都比人类船员强。并且在“人的衡量” [6] 一集里，明确提到戴达就是一种高级生命。

但是我对此持反对意见。过去十年计算机能力的提升，跟处理传送器中信息存储和提取的过程需要的运算能力相比，意义不大。当然，这件事还很遥远。

我们来估算一下将人体编码需要多少信息吧。从10²⁸ 个原子开始，每个原子都要记录它的位置，需要3个坐标（对应x、y、z三个坐标轴）。接下来要记录原子内部的状态，包括电子占据的能级、原子是否跟旁边的原子结合形成了分子、原子是否在振动或者旋转，诸如此类的信息。保守估计，这些相关的信息编码之后大约有1KB的数据量（这大约相当于双倍行距的打印页面所包含的数据量）。这就意味着需要将人体10²⁸ KB的信息存储在模式缓冲器里。这可是1后面跟着28个0啊。

在本书第一版做出这个估计后，有许多读者寄信过来，提出优化的办法。例如，他们说每个人都有一颗心脏、两个肺等，所以就不必一一记录了；还有人说，每个人都是由DNA决定的，因此记录下DNA就足够了。当然每个提议或多或少都存在问题。比如说，人的实际情况当然不止由DNA单独决定，它还取决于锻炼的多少、饮食的状况、抽烟与否等条件。如果忽略这些问题的话，那么最重要的还是我们的大脑，因为它决定了人类本来的样子。因此，在分子层面上准确地还原大脑，将人们的记忆和人格可能存在的地方完整恢复，就可以比之前估计的存储量少好几个量级。

现在，跟从古至今书本里包含的全部信息比较一下。人类最大的图书馆约有数百万册书籍，那就大方一点估计有十亿本不同的书现存于世吧（大约地球上每5个人一本书）。每本书包含数千页打印纸的信息（放开了估计的话）——或者就算它1MB的量。那么迄今为止的全部书籍的信息总量就差不多是10¹² ，即一万亿KB的数据量。这还比存储一个人所需要的数量级小16个次方（一万万亿倍）！当数值变得如此不切实际之后，根本就无法理解这样浩大的任务量。可能循序渐进的方式有助于理解这个问题。人体所需要的存储量跟所有书里的相比，是所有书跟这一页内容相比的大小，再乘上一万倍。

要存储这么多的信息，按照物理学家爱用的说法就是，“非平庸的”。目前最大的商用硬盘每块最多存储1000GB，或者1TB的信息。要是每块硬盘厚10厘米，那么存储一个人的信息量之后，堆叠起来能相当于从地球到银河系中心的300分之一的距离——大约100光年，或者就是进取号以曲速9航行一星期的距离！

而且，把这些信息在可操作的时间里提取出来也是一项挑战。目前最快的数据传输机制每秒能转移10GB的信息。在这种速率下，把整个人的信息录入存储器将耗费现在宇宙年龄（约100亿年）20倍的时间！想象一下这样一个紧张的场景：柯克船长和麦考伊正要逃离鲁拉·彭西星这个监狱。我们不可能花费宇宙年龄那么长的时间来传送他们，因为仅仅数秒内，狱卒就会瞄准他们然后开火。

我想结果已经很明显了。这项任务让正在进行的人类基因组计划相形见绌。人类基因组计划的任务是扫描并记录DNA中的人类遗传密码。这是一项耗资巨大的工程，而且全世界众多实验室投入了大量的人力物力花费了至少10年的时间才走到现在。所以毫无疑问在“传送器为什么不可能实现”的原因列表里，这一条是一定要加进去的。虽然对于目前来说这是一项挑战，但是在23世纪，还是有可能被克服的。这份乐观仅仅依赖于对计算机技术发展的美好预期。用之前存储能力发展速度的标准，每10年提升100倍，或者保守地把数字除以10——考虑现在离目标还差10¹⁹ 次方的大小——那么在190年以后，在23世纪迎来拂晓之际，我们的计算机技术才能达到传送器所要求的水平。

当然，我这样说其实是没有指导意义的。很明显，如果人体大小设备要存储超过10²⁵ 的信息，那几乎其中每一个原子都得发挥存储作用。生物计算机这个新兴概念看起来很有希望，它运用分子动力学来模拟数字逻辑过程，在微观样品上大约10²⁵ 个粒子同时进行作用，可能有望解决计算问题。

我还要强调一点，我不是计算机科学家。我的盲目乐观可能仅仅反映了自身的无知。但我还是从人脑的例子上得到了一些宽慰，因为它远远领先于任何现存的复杂性和综合性计算系统。即便是大自然，也花费了漫长的时间才发展出如此优秀的信息存储和提取的装置，我相信人类还有很长的路要走。

量子力学的加入

量子力学又给未来的希望泼了一盆冷水。传送器需要在微观尺度上扫描和重组物质，此时物理学被奇异的量子力学法则所支配，粒子在这种情况下表现得像波一样，而波又可以表现得像粒子一样。我并不打算在这里上一节量子力学的课程，但是基本的前提还是要了解：在微观尺度下，观测行为和被观测的对象是密不可分的。测量几乎百分之百会改变系统的性质。这种现象有许多种参数化的方法，最有名的就是海森堡不确定性原理。这个基本原理看起来违背了经典物理决定论的概念，但实际上在更本质的地方是与之相符的。它把物理世界分成了两类可观测的量，如同太极中阴和阳。这告诉我们无论将来发明了什么技术，都不可能将特定的观测量组合以任意高的精度测量出来。虽然在微观尺度上，我们可以将粒子位置的测量精度做到任意高。但是海森堡告诉我们，这时我们就无法准确地知道该粒子的速度了（因此也就无法精确地预测它下一刻的位置）。或者，我们可以无限准确地知道原子的能级大小，但这样就无法知道原子能处在这个状态多长时间。这种事情在微观世界不胜枚举。

这些关系就是量子力学的核心所在，并且将伴随着科学研究一直存在。只要在量子力学适用的微观领域——根据种种证据表明，该尺度至少大于量子引力发挥明显作用的尺度范围，约10⁻³³ 厘米——我们就无法摆脱这种法则。

有一种稍有瑕疵但令人满意的看法，对不确定原理做出了启发性的解释。量子力学赋予所有粒子以波的行为，而波有一个显著的特性：当遇到比它波长（连续的两个波峰间的距离）大的物体时，波才会受到影响。你只需要观察大海里的水波就能清楚地看到这个现象。水面上凸出的卵石丝毫没有影响拍打在岸上的波浪。但是海浪遇见巨大的礁石，就会撞击在礁石上，被打成碎片。

因此如果想要“照亮”一个原子——即将一束光打在上面好得知它的具体位置——就要选择足够小的波长，那样原子才能够影响这束光。但是量子力学原理告诉我们光波是以波包 [7] 形式传播的，或者说是以光量子——就是所谓的光子——的形式传播的。（至于星舰里的“光子鱼雷”，事实上它不是由光子制成的。）每种频率的光，其光子的能量是反比于波长的。想要达到更高的分辨率就需要更小的波长，而这就意味着需要更高的光子能量。如果为了观察原子而使用高能光子轰击的话，原子的位置在碰撞时能够十分精确地测得，但是观测过程本身——即用光子撞击原子时——将转移相当一部分的能量给原子，而改变原子的速度和运动方向。也就是说，通过实验确定出了原子的位置，但原子的速度又变化了。

因此通过精确分辨原子的位置和动量，以此为依据来重塑一个人是不可能的。某些观测上的不确定性是不可避免的。那么，这对于传送后复原的精确度究竟意味着什么呢？对于这个具体的生物学问题，我只能做出一些推测。

这个问题也没有被《星际迷航》的编剧们所忽视，他们注意到了量子力学对传送器不可避免的约束，于是他们引入了“海森堡补偿器”，以保证“量子分辨”。不过，当记者采访《星际迷航》技术顾问麦可·奥田，询问海森堡补偿器怎样工作时，他却避而不谈：“非常好，谢谢！”

海森堡补偿器在情节上还有另外的作用。因为有人跟我一样怀疑过，为什么不能用复制器作为生命体的传送器呢？毕竟一声令下，复制器就可以让一杯水或者一杯酒魔法般地出现在每个船员的船舱里。不过复制器看起来只能在“分子精度”而不是“量子精度”下进行操作。这应该就能解释生命体的复制为什么是不可能的了。进而就能解释为什么船员们常常抱怨复制的食物跟真的总有差别，以及为什么瑞克和其他人都喜爱用老式的方法制作煎蛋饼和其他美食。

量子隐形传态

在本书第一版发行后不久，我接到了从澳大利亚电台来的一通电话。那是早上5点，他们专门来询问我关于一个新现象——“量子隐形传态” [8] 的看法。好像维也纳的一项新实验验证了IBM的科学家提出的现象。事实上，IBM在《滚石杂志》上投放了整页的广告，上面一个女人在给另一个打电话，说着：“食谱上的那道菜你不会做？没关系，我把匈牙利炖牛肉给你传送过去。”IBM在上面公布了他们正在研究的一项新技术，宣称将给通信业带来革命。

要不是因为《星际迷航》的传送器，这个新闻可能已经被淹没在其他新闻之中了。而现在，我则被各种采访要求给包围了。难道这样下去，我们很快就能够像《星际迷航》里一样进行传送了吗？

维也纳的实验在过去十年间进行了许多改良和扩展，包括把一处的单光子量子状态破坏，然后同时在很远的地方重建一个完全相同的状态。这不就是《星际迷航》里的传送器么！在这项实验之后，对单原子也进行了类似的实验，甚至试验了含有数个原子的分子。不仅如此，这个瞬间传送发生在相距数千米的两个地点之间！

这听起来简直就是神迹，但它确实就是那个我之前所说的量子力学，让那种传送器不可能实现的量子力学，也是让量子隐形传态成为现实的量子力学。它告诉我们，只要小心地配置初始设置，两个粒子可以“纠缠”到一起，形成单一的量子态。接下来，如果将它们分开很远的距离，只要在这个过程中不破坏纠缠，我们对其中一个粒子进行实验，例如进行一次观测，使之进入一个特定的状态，那么另一个粒子的状态同时也就被确定了。即使两个粒子相距一个光年的距离，这个现象依旧会发生！虽然这看起来违反了爱因斯坦关于信息传播无法超越光速的法则，但是事实上量子纠缠并没有瞬间传送信息，所以因果律还是被保留了下来。

无论如何，量子纠缠在量子隐形传态里扮演了关键的角色。首先将一个粒子与另一个纠缠起来，让第二个粒子与第三个粒子在远处发生相互作用，再对第一个粒子进行某种特定的测量（改变了它所处的状态）。我们可以调整第三个粒子的状态，在它与第二个粒子产生纠缠的情况下，就能瞬间转变成第一个粒子之前的状态。

要是听起来有点迷惑的话，不用担心。虽然这个现象很神奇，但它对传送人毫无帮助，即使是匈牙利炖牛肉也不行。量子隐形传态的操作对于初始状态的要求很高，系统需要与环境完全隔离开来。但是人体的环境并不能让我们做到这一点，我们并不是量子的物体。如果我们是身处量子环境中的话，量子力学的现象就不会看上去如此诡异了。像人类这样如此复杂的宏观物体，其中的粒子频繁地发生相互作用，使得每个粒子的环境都发生着变化，快速地破坏了所有的量子关联和纠缠。

尽管如此，虽然量子隐形传态可能无法作为传送人的方法，但它还是有用武之地的。这种方法可以用来进行安全通信，保证信息不被窃听和解码。它还可以用来制造量子计算机。在量子计算机进行并行计算（并行计算是量子计算机能够执行那些普通计算机需要比宇宙年龄还长的时间才能完成的计算的原因）时，信息在计算机中传递，而计算过程必须保证这些量子态的完整，在测量过程中也不例外。要是这些量子态都是通过“传送”来实现的话，那么在计算中就能很好地保持它们原本的状态了。

传回飞船前的远程探测

关于传送还有最后一项挑战——也不一定，也许未来还会有更多挑战。传送出去就已经很难了，传送回来就难上加难。要把船员传回星舰上，进取号的传感器就需要先找到星球表面的船员。而且，星舰还要扫描人体来进行非物质化以及物质流的传送。所以进取号需要配备超高分辨率的望远镜，在星球表面上达到原子级别的分辨率。事实上，通常传送器的操作距离在4万千米左右，大约是地球直径的3倍。这个数字接下来还会用到。

相信每个人都曾经看到过世界上大型天文望远镜穹顶的照片，像是位于夏威夷的凯克望远镜或者位于加利福尼亚帕洛玛山的望远镜。你有没有感到好奇，为什么望远镜设计得越来越大了？（这当然不是仅仅源于对大尺寸的迷恋。）就像我们需要更大的加速器来探索物质更微小的结构一样，更大的望远镜就能用来分辨更加遥远、光芒更加微弱的天体。原因十分简单：根据光波动的性质，每当穿过一个狭缝、小孔或圆盘之类的障碍物时，它就会发生衍射，或者散开一点点。当来自远方的点光源进入望远镜的镜头时，画面就会拉伸变形，因此看见的就不是一个点，而是一个小小的模糊的圆盘。如果两个点光源靠得很近，比各自形成的圆盘的尺寸还要小的话，就没办法把它们区分开来，看起来两个圆盘就重叠在一起了。天文学家称这些圆盘为“视宁圆面”。使用越大的透镜，这些圆盘的尺寸就越小。因此，要分辨越来越小的物体，天文望远镜需要的透镜就会越来越大。

使用望远镜来分辨小物体还有另外一个准则。光或者你用来探测的任何一种辐射的波长，必须小于被观测物体的尺寸。原因就像我之前说的一样，波只有遇到比波长大的物体时，才会受到影响。因此，如果要分辨原子尺度的物体，比如大约是一厘米的数十亿分之一，你就必须使用波长小于十亿分之一厘米的波。要是选择电磁波的话，这就要求用到X射线或者伽马射线。问题就来了，因为这种辐射对生命有害，因此任何类地行星的大气层都会将其过滤掉，就像地球那样。传送器就不得不使用非电磁的探测手段，像中微子或者引力子那种。这些手段又有它们各自的问题，这里就不赘述了。

不管怎样，计算之后我们发现，进取号需要使用小于十亿分之一厘米的波长才能在四万千米之外以原子精度扫描物体。为了达成这个目的，星舰上的望远镜需要一个直径约五万千米的透镜！哪怕只小了一点，都无法扫描单个原子。我想虽然进取号-D已经够大了，但跟这相比就是小巫见大巫。

跟预期一样，传送器的话题囊括了量子力学、粒子物理、计算机科学、爱因斯坦的质能关系，甚至是人类灵魂的存在。因此我们也不用太过于灰心丧气，制造这种装置，并拥有如此复杂的功能，很明显是不可能的。或者不那么消极地说，建造传送器需要把物质加热到太阳中心温度的一百万倍，在其中聚集比人类目前消耗量更多的能量，建造比地球尺寸还大的望远镜，把现有的计算机提高十万亿亿倍性能，并且还要回避量子力学的法则。难怪巴克利中尉会对传送如此惊恐了！我想即使是吉恩·罗登贝瑞，面对这样的挑战时，可能也会考虑为星舰的登陆场景增加一些预算吧。

俯瞰位于伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室，它拥有世界上最高能量的加速器——万亿电子伏特加速器，以及世界上最大的反质子生产和贮存装置。周长达6千米的加速器圆环在图中清晰可见。地上的轮廓勾勒出加速器的形状，而主注入器就在这些构造的正下方。（来自费米实验室的照片）

图中是约翰·皮普尔斯，费米实验室主任，而他倚靠的则是自己设计的反质子源。反质子由质子和锂靶碰撞产生，通过磁体阵列贮存在环形束流里。图中的反质子源就是一个个巨大的磁体。（来自费米实验室的照片）

图中是6千多米加速器隧道的一部分。加速器位于地表以下6米，容纳了质子——反质子束流。而超导磁体阵列（更低一些的环）则用来控制并加速束流，使其能量达到1012电子伏。（来自费米实验室的照片）

图中是费米实验室建造的巨大的探测器。它是用来分析质子与反质子高能碰撞的两个探测器中的一个。5000吨的探测器通过滚筒在加速器上移进移出。（来自费米实验室的照片）

图中是位于马萨诸塞州哈佛大学的哈佛射电望远镜。它被用来收集百万频道外星人阵列计划（META）实验的数据。这项实验的目的是寻找银河系中地外生命的信号。

图中是META的超级计算机阵列。它们能够同时扫描数百万个频率通道来寻找银河系中其他智慧生命的信号。

十亿频道外星人阵列（BETA）的超级计算机将是下一代搜寻地外智慧生命计划的一部分。

图中是仙女座星系（M31）。这是距离我们最近的大型螺旋星系，位于两百万光年以外。（来自利克天文台的照片）

图中是银河系的照片。它是通过宇宙背景探测者（COBE）卫星上的射电和微波探测器拍摄的。这是第一张展现了银河的螺旋结构的真实照片，其观察的视角是在地球边缘。（来自NASA/COBE的照片）

图中是M87星系中心的高分辨率的照片。在那里被认为有超过20亿个太阳质量的黑洞存在。位于正中心的离子化气体圆盘垂直于从中心射出的强大能流。它们以每秒750千米的速度旋转着，是支持黑洞存在的强有力的证据。（来自霍兰德·福特和NASA的照片）

［第六章］
正反物质与曲速引擎

“没有虚假的东西能够存在。”

——出自克林金沙的形而上学第一定律（《星际迷航4：抢救未来》）

如果你沿着88号州际公路向芝加哥西边行驶50千米，到了奥罗拉附近，那些喧嚣的城市区域被一片静谧的中西部大草原所取代，延伸到视野尽头的全是一马平川的新绿。在州际公路稍北的地方有一片环状的土地，被一圈深沟包围起来了。在里面，有水牛在悠闲地吃草，还有成群的各种鸭、鹅在水塘中嬉戏。

然而在地表以下20英尺，环境就并非地面上这么安静祥和了。每秒40万次的反质子束流与质子对撞，产生了成百上千暴风骤雨般的二次粒子：电子、正电子、π介子和其他粒子。

这就是费米国家加速器实验室，或者简称费米实验室。它拥有世界上最高能量的粒子加速器，不过很快就会被建在瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机 [9] 给取代了。而在这里我们主要关注的是另一个方面——费米实验室是世界上最大的反质子储存库。在这里，反物质可不再是科幻小说的噱头而已。数以千计使用设备的研究人员都离不开这些反物质。

费米实验室和联邦星舰进取号也因此有了一份亲切感。反物质是星舰运行的核心材料：正是它驱动了曲速引擎。正如我之前提到的，没有比这更有效率的推进系统了（虽然曲速引擎事实上与火箭推进方式并不相同）。反物质与物质相互接触以后，就会发生湮灭，完全转化为能量，变成辐射，以光速传播开去。

反物质的储存

很明显，要保证反物质被“储存”在一个腔体里，是一件相当困难的事情。当星舰上的反物质储存系统故障之后，就像进取号与波兹曼号相撞之后那次，或者是大和号舰载的储存器被伊肯尼安的电脑武器攻击的那次，都不可避免地导致了毁灭性的后果。事实上，对于星舰运行来说，反物质储存器的存在再基本不过了，因此在《星际迷航：下一代》“灾难” [10] 一集中，当进取号和两股“量子流”发生碰撞后，联邦上尉指挥官迪安娜·特洛伊不应该在暂时接管进取号之时，对于丢失储存器的意义一无所知。即使她只接受过心理学方面的培训，也不能作为一个借口！

星舰上装载的反物质储存系统是比较科学的，事实上费米实验室也用了相同的方法来长期储存反物质。反质子与反电子（即正电子）都是带电粒子，在有磁场的情况下，就会进行圆周运动。因此，如果用电场加速这些粒子，只要施加适宜强度的磁场，就能把它们限制在一个确定的范围里。通过这种办法，我们可以让粒子在一个甜甜圈形状的容器里运动，而不会碰到器壁。这一技术还被用在一种叫作托卡马克的装置里，以容纳研究核聚变反应的高温等离子体。

费米实验室粒子对撞机的反质子源配备有巨大的环状磁铁。一旦在中等能量的碰撞中产生了反质子后，它们就被引导进入环中。之后在费米实验室的高能对撞机——万亿电子伏特加速器（Tevatron）——中进行更高能量的碰撞。万亿电子伏特加速器是一个更大的环，约有6千米的周长。质子被注入环的一端加速，反质子在另一端加速。在精心调整的磁场下，这两束粒子可以巧妙地分开，在特定的一点才会发生碰撞，以供研究需要。

反物质的来源

除了反物质的贮存问题外，使用物质-反物质引擎的紧要问题是：反物质从哪里来？从我们能够分辨的距离来看，宇宙大部分是由物质而非反物质组成的。从银河系以外产生的高能宇宙射线成分的检验结果上，我们可以肯定这一点。一些反物质会从高能宇宙射线与物质的碰撞中产生，要是在很大的能量范围内寻找宇宙射线信号的话，反物质的信号就与这种现象单独产生的相一致，因此没有证据能表明原生的反物质是存在的。

宇宙中另一个可能的反物质信号就是正反物质碰撞湮灭时产生的。只要这两者存在，湮灭过程的特征辐射就有望被观测到。事实上，这就是在水晶生命体破坏了联邦新的前哨基地后，进取号搜寻其行踪的方法。生命体在背后留下了明显的反物质痕迹，所以通过寻找反物质产生的辐射，进取号跟上了生命体并阻止了它攻击其他星球。

虽然《星际迷航》的编剧们在概念上是正确的，但他们在细节处理上出现了问题。玛尔博士和戴达曾经寻找过能量为“10keV [11] ”的“伽马辐射”峰。不幸的是，这个大小并不是正反质子湮灭的能量尺度，事实上也没有任何一种已知的湮灭对应这个能量。如果正负电子发生湮灭，将产生511keV的伽马辐射峰，大小与电子质量相关。正反质子产生的尖峰与其静止能量相关，大约为1GeV [12] ，相当于玛尔与戴达寻找能量的10万倍。（顺便说一下，10keV是X射线的辐射范围，并不是伽马射线的，后者通常要大于100keV，不过这就有点吹毛求疵了。）

不管怎样，天文学家和物理学家们都曾在511keV和1GeV附近寻找过弥散的背景信号，想确认真实发生的正反物质反应的强烈辐射，但是这种信号并不存在。这和宇宙射线的研究都表明，要么反物质在宇宙中鲜有分布，要么反物质实际分布在宇宙之中，但它们附近不存在正物质。

我们生活在充满着正物质的世界，所以很自然地就会认为宇宙大部分是由正物质而不是反物质组成的。事实上，为什么正物质比反物质多，也是当今物理学中尚未被解决的最有趣的问题之一，同时还是现在热门的研究课题。这种差别与我们的存在息息相关，也与《星际迷航》的设定不无关系，所以最好停下来深入探讨一下这个问题吧。

在量子力学刚刚建立的时候，其理论就成功地应用到了原子物理的现象上；特别是原子中电子的行为被解释得非常清楚。但是，很明显有一个限制就是电子的速度要远远小于光速。如何把狭义相对论和量子力学统一起来成为一个经过20年都没解决的问题。一部分原因是量子力学并不像狭义相对论那么直截了当，它需要的不仅仅是新的世界观，而还有大量新的数学技巧。在19世纪最初的30年里，物理学界最有才华的年轻人都投入到这一领域，来探索全新的宇宙图景。

其中之一就是保罗·狄拉克。就像他的继承者史蒂芬·霍金，以及之后的戴达一样，他曾主持剑桥大学的卢卡斯数学教授席位。先师从于卢瑟福勋爵，后来又在尼尔斯·玻尔手下接受训练，狄拉克做好了足够的准备将量子力学快速地推向现实。在1928年，像他之前的爱因斯坦一样，他写下了将要改变世界的一个等式——狄拉克方程。这个方程用量子力学的术语成功地解释了相对论性电子的行为。

在写下方程后不久，狄拉克意识到，要保证自洽的话，数学上要求存在一种与电子电荷相反但是其他属性相同的粒子。当然，类似的粒子我们已经知道一个——就是质子。不过，狄拉克方程要求的粒子要和电子质量相等，而质子质量是电子的近2000倍。实验观察与这种“不成熟的”解释间的矛盾存在了4年之久，直到美国物理学家卡尔·安德森发现，在轰击地球的宇宙射线当中，有一种新的粒子与电子质量相同但电荷相反——它带有正电荷。这种“反电子”很快就成为众所周知的正电子。

从那时起，狭义相对论与量子力学的结合不可避免地引出了下面的结论，那就是所有粒子都有反粒子，它们的电荷（要是有的话）或者其他属性应与其正常粒子伙伴相反。要是所有粒子都有反粒子，只要没有物理过程能区分这两种粒子的其他性质的话，那我们把哪个粒子称为正的哪个称为反的都是很任意的。在经典世界的引力与电磁力作用下，物理过程对正反粒子没有偏好。

现在我们陷入一种很尴尬的境地。要是粒子与反粒子是对等的，那为什么宇宙的初始条件决定了我们称为粒子的东西构成了物质的主要形式？明显，正反粒子数量相等才是更合乎情理的、更对称的初始条件。在这种情况下，我们必须要解释，没有办法明显区分正反粒子的物理学定律 [13] ，是怎样做到使一种粒子比另一种多的。要不然就是宇宙里存在一个基本的量——粒子数与反粒子数的比——在宇宙诞生的时候就已经决定了，而物理定律没有什么可以发挥作用的余地；要么我们就必须解释物质在接下来的动态演化中，产生的量比反物质多的悖论了。

在20世纪60年代，著名的前苏联科学家安德烈·萨哈罗夫提出过一个模型。他指出，只要在早期的宇宙里满足三个物理条件，上述情况就是可能发生的；而且，即使一开始是对称的情况，也可以演化出物质与反物质的数量差异。在这个模型提出伊始，并没有理论满足他设下的三个条件。但是在那之后，粒子物理与宇宙学都有了长足的进展。现在原则上，我们有许多理论都可以解释自然界里观察到的物质与反物质在丰度 [14] 上的区别。不幸的是，它们都要求新的物理和新的基本粒子来实现其理论预期。除非大自然给我们指明一条道路，否则将没有办法从中选择一个正确的结果。尽管如此，许多物理学家包括我，都从中获得了安慰：我们有一天能够从第一性原理来解释组成万物的物质自身为何存在。

那假设现在有了一种正确的理论，有多大的数量差异需要解释呢？在早期的宇宙里，质子要比反质子多出多少，才能解释今天宇宙里过剩的物质呢？我们可以通过比较质子与光子的丰度来找出一点线索。要是宇宙开始时有着等量的质子与反质子，那它们会发生湮灭从而产生辐射——就是产生光子。每一对质子与反质子湮灭将会产生一对光子。不过，假定质子要多出一部分的话，那就不是所有的质子都会发生湮灭了。通过计算在湮灭完成后剩下的质子数量，再和湮灭产生的光子数对比（即宇宙大爆炸后背景辐射里光子的数量），就可以得知早期宇宙里物质超出反物质的比例了。

在现在的宇宙里，微波背景辐射中光子与质子含量比大约是100亿比1。这就意味着最初质子仅仅比反质子多了100亿分之一！这就是说早期宇宙每有100亿个反质子，就有100亿加上1个质子！这样微不足道的一点差异（伴随着中子与电子和它们反粒子的类似差异）就足以产生宇宙里所有可见的物质——星系、恒星、行星——以及所有我们了解与热爱的万物。

这就是我们对于宇宙里物质比反物质多这一现象的一点思考。除了本身的兴趣外，这些研究对于《星际迷航》里物质-反物质引擎的运行还有一些参考价值，因为宇宙空间中并没有太多的反物质，所以就不能够通过收集散布在外面的反物质来驱动星舰。在这种情况下，可能就不得不自己制造反物质了。

如果要考虑具体的做法，我们还是得回到费米实验室上方那片徘徊着水牛的中西部大草原。我决定联系费米实验室的前主任，约翰·皮普尔斯，来详细考察这个问题，他曾经指导设计建造了费米实验室的反质子源。我问他能否帮我计算一下在当今的物价水平下，1美元能生产和贮存多少反质子。他欣然同意了我的要求，让工作人员提供了必要的信息以得出合理的估计。

费米实验室通过质子与锂靶的中能碰撞来产生反质子。这些碰撞不时地产生反质子，然后导入到地面以下的贮存环里。就一般运行的效率来说，通过这种方式费米实验室每小时能产生500亿个反质子。假设反质子源每年运行75%的时间，那就大约有6000小时，所以费米实验室平均每年产生300万亿个反质子。

费米实验室中与生产反质子直接相关的设备大约花费了5亿美元（按1995年的物价）。要是预计有25年的使用时间的话，那就是每年平均2000万美元。人力（工程师、科学家、一般工作人员）和机器运转花费大约每年800万美元。接下来还有产生粒子束和贮存反质子所消耗的巨大电量的费用。在伊利诺伊州这里，大约是500万美元一年。最后，行政管理费用每年约1500万美元。总的来说，费米实验室每年花费4800万美元来生产300万亿个反质子，以用于探索宇宙中物质的基本结构。所以最终结果就是，1美元大约能生产和贮存600万个反质子！

不过，这个价格可能比本来的要高了一点。费米实验室产生的是高能反质子束，要是不要求太高的能量的话，这个价格可能要少一半以上。大方一点，就假设以今天的技术来看，消费1美元可能会得到1000万到2000万个反质子。

那接下来的问题就很明显了：这1美元得到的能量是多少呢？要是把1美元的反质子质量完全转化的话，大约能释放千分之一焦耳的能量，可以把四分之一克的水加热一千分之一摄氏度。这么一点能量根本就不足为道。

计算费米实验室的反质子源实时产生和利用的反质子量，能够更好地描述曲速引擎的驱动能力。反质子源每小时产生500亿个反质子，要是全部转化为能量的话，大约是千分之一瓦！换一种说法就是你需要100万个费米实验室的反质子源才能点亮一个电灯泡！要是考虑反质子源每年4800万的运行费用的话，光照亮你家房间的费用就比全美国的年度预算还要多了。

也就是说，现在面临的主要问题是生产反质子需要的能量，远远大于将它的静质量转化出来的能量。在生产过程中损耗的能量至少是反质子中储存能量的一百万倍。在我们考虑用物质-反物质引擎来实现星际旅行之前，应该找到一种更有效率的驱动方式。

很明显要是进取号自己制造反物质的话，需要大量新技术的支持——不仅要削减制造反物质的成本，还要减少空间的占用。如果要使用加速器技术，设备的单位面积能量产生率要比今天高不少。顺带这也是21世纪初期地球上的研究热点。要是粒子加速器——这个我们用来直接探究物质结构的工具——能够不那么昂贵，甚至国际财团都能负担得起的话，加速基本粒子的新技术就有望得到发展。（美国政府认为再在本国建设下一代粒子加速器太过于昂贵，因而下一代将由欧洲主导建在日内瓦，计划在2007年上线 [15] 。）加速器过去单位面积能量产生效率的增长趋势表明，每隔10到20年，这个效率会提高10倍。这导致了当前政府对支持昂贵基础研究持消极态度，而且进展也不容乐观，不过在未来两个世纪里，可能也会发生许多政策的转变。

即使要在星舰上制造反物质，也会面临入不敷出的尴尬局面。为什么要白费力气去生产反物质，而不直接把这些能量用于驱动星舰呢？

假想的量子荷翻转器

《星际迷航》的编剧们还是很机智的，他们早就考虑了这个问题。答案很简单：虽然脉冲推进可以使用其他形式的能量达到亚光速，但是只有正反物质的反应才能用于驱动曲速引擎。而且曲速引擎能够比脉冲推进器更快使星舰脱离险境，那些额外消耗的能量在危急情况下也就物有所值了。编剧们还通过发明新的反物质生产方法避开了加速器的浪费问题。他们提出了假想的“量子荷反转器”，它可以简单地反转基本粒子的正反属性，所以要是有质子和中子的话，就能最后得到反质子和反中子。根据《星际迷航：下一代——技术手册》的说法，这种技术只有24%的净能量损失——比加速器损失的能量少了好几个数量级。

技术手册还告诉我们，除了紧急情况外，所有星际舰队的反物质都是在补给设施里生产的。反质子和反中子组成了反重氢（反氘）的原子核。有趣的是星际舰队的工程师给这个原子核加上了正电子来使它形成中性的原子——可能对编剧们来说中性原子听起来比带电的原子核更好控制吧。（事实上，在日内瓦工作的一个哈佛小组最近就制造出了反氢。）不幸的是，这会在贮存上导致严重的问题。磁场是保证反物质不会发生灾难的重要控制手段，但它只对带电的物体产生作用！还是回到正题上来……

一艘星舰的反物质贮存能力大约是3000立方米，分散在不同的储存舱里（进取号-D则是在42号舱）。这个量宣称足够3年任务的消耗。我们就抱着娱乐的心态来计算一下，以反重氢核存储的这么多反物质能最后得到多少能量。我假定原子核以稀薄的等离子体形式运输，因为在磁场里这样保存比固体或者液体形式要简单。在这种情况下，3000立方米大约相当于500万克的量。要是湮灭时每秒消耗1克的反物质，产生的能量将与目前全人类每天需要的总能量相当。这一点我在之前讨论曲速引擎时也提到了，至少要这个量级的能量才能驱动一艘星舰。那按照这个速率消耗的话，贮存的反物质能坚持500万秒，也就是大约2个月。假设星舰在执行任务的时候有5%的时间在使用物质-反物质引擎，那耗尽这些储备就应该需要3年左右的时间。

与反物质消耗有关的另一个问题就是（《星际迷航》编剧一直忘记的一点）：正反物质的湮灭是一个非有即无过程。它不能连续调节。当你改变曲速引擎中正反物质的比例时，并不能改变能量产生的绝对速率。能量产生与燃料消耗相对比例的减少只意味着燃料被浪费了——那就是说，物质没有找到反物质与之湮灭，或者单纯碰撞了却没有发生湮灭。在许多剧集里（“赤裸时间” [16] ，“银河之子” [17] ， “恶魔之皮” [18] ）物质与反物质的比例被改变过，并且根据《星际迷航：下一代——技术手册》这个比例可以在25：1到1：1之间调节，以适应不同的翘曲速度，要是1：1的话就可以达到曲速8级或者更高。对于曲速8级以上的速度，反应物的量增加而比例则保持不变。改变反应物的总量而不是比例才是正确的过程，这是星际舰队的学员都应该知道的。卫斯理·克拉希尔在“岁月流逝” [19] 中就曾指出了这一点，在星际舰队的考试中物质与反物质的比例是一个陷阱题，因为只有一种可能的比例——即1：1。

二锂晶体

最后，《星际迷航》编剧给物质-反物质引擎添加了一个至关重要的部件，我指的就是众所周知的二锂晶体（凑巧被《星际迷航》编剧发明出来的，远远早于费米实验室的工程师决定在反质子源中使用锂靶）。由于它是曲速引擎的核心，同时也在联邦经济和情节发展中占有举足轻重的地位，很难想象怎么能对它避而不谈。（举个例子，要是没有二锂的重要经济价值，进取号就不会被送到霍肯星系去保护采矿权，也就不会有机会进入“镜像宇宙”，从而见到联邦是一个邪恶的帝国了！）

那在《星际迷航》编剧的想象里这东西有什么用呢？这些晶体能够调整正反物质湮灭的速率，因为它们是唯一能“渗透”反物质的物质形式。

我大胆地做出以下的猜想：晶体就是原子进行规则地周期排列形成的一系列点阵；假设反氢原子穿过了二锂晶体的晶格点阵，那这个过程就使它与正常物质的原子以及其他反原子保持了固定的距离。通过这种方法就能调整反物质的密度，进而改变正反物质的反应速率。

我之所以要不厌其烦地提出以上假想，来解释这种虚构物质的用途，完全是因为《星际迷航》的编剧们领先他们所处的时代太多了。同样的，或者至少在思想上类似的说法，在《星际迷航》引入二锂辅助的正反物质湮灭很多年以后才被提出来，以解释同样奇异的一个过程：冷核聚变。在冷核聚变最火的那6个月左右的时间里，许多人宣称把不同的元素通过化学的方法混合，就能诱发核反应；这种方式要比太阳上那种要求高密度和数百万度高温的反应要快捷许多，至少在室温下就能进行。

冷核聚变最令物理学家们怀疑的地方就在于，化学反应进行的尺度在原子层面，而这比原子核要大上10000倍。很难相信这样大尺度的过程能够影响比它小这么多的核反应。尽管如此，直到有其他组宣布这种结果是不可重复的之前，许多人还是费尽心力地想要找出奇迹可能发生的原因。

不过因为《星际迷航》的编剧不像那些冷核聚变的拥护者那样，他们从未说过自己写的不是科幻的内容，所以就对他们宽容一些吧。毕竟二锂辅助的反应就是为了星舰最核心的技术应运而生的：物质-反物质引擎。我还要说在现代物理实验中确实有晶体——不过不是二锂，而是钨——用来调节或者减慢反电子（正电子）束的速度；其原理是正电子在晶体势场中散射而失去能量。

在宇宙里没有比用正反粒子湮灭产生纯辐射能量更有效率的方式了。这是火箭推进技术的终极手段，也是我们把火箭速度推向极限时一定会用到的方法。至于这项技术所花费的巨大成本，那就是23世纪的政治家们所要担心的问题了。

［第七章］
全息甲板和全息图

“哦，舰长，我们是我们。他们也是我们。所以事实上，所有人都是我们了。”

——出自“巴黎永在” [20] ，戴达对皮卡德和瑞克所说

当亨弗莱·鲍嘉在卡萨布兰卡机场对英格丽·褒曼说“我们永远拥有巴黎”时，他指的当然是巴黎的回忆。但当皮卡德站在全息甲板上再现的艺人咖啡馆里，对珍妮丝·曼海姆说出类似的话时，他可能就是字面上的意思了。多亏了全息甲板，才可以重温那些美好的回忆，才能够再访那些喜爱的地方，才得以再会那些逝去的爱人。

全息甲板是进取号上最有吸引力的科技产物之一。现在人们已经渐渐接触到了虚拟现实，无论是从游戏里还是从现代高速的计算机里。而全息甲板就提供了一种极其令人激动的新的可能性。谁不想在转瞬之间就进入他／她朝思暮想的神奇世界呢？

这实在太有吸引力了，而且事实上，我觉得全息甲板在现实中比在影视剧里表现出来的样子更要让人上瘾。我们在“空洞的追求” [21] 和“银河之子” [22] 这两集里能多多少少看出一些“全息甲板上瘾症”（或者“全息瘾”）的迹象。在“空洞的追求”这集里，倍受大家喜爱的、有点神经质的雷金纳德·巴克利中尉，对进取号上那些高级军官的幻影着了迷，宁愿在全息甲板上与他们交流也不想去其他地方。在“银河之子”这集里，乔迪·拉弗吉则跟星舰引擎的设计者丽雅·勃拉姆斯的全息影像开始了一段恋情，但是在遇见了真的丽雅·勃拉姆斯本人后，这件事就变得错综复杂起来了。

鉴于船员们在全息甲板上那些相对理性的娱乐活动，我们可以想象20世纪充满荷尔蒙的人类本性到了23世纪后更加进步了。（要不是这样的话，威尔·瑞克就不会是众人的代表了。）但根据现在的情况来看，我估计全息甲板上应该几乎全是性的内容。（而且全息甲板会让性爱的安全到达一个全新的高度。）我不是开玩笑的，全息甲板呈现了一种激动人心的美妙光景，尤其是性的意义上的：只有行动没有后果，只有愉悦没有痛苦，所有的情景都能随心所欲的改变，任你想来多少次都没问题。

全息甲板隐藏的这种可能性在《星际迷航》里只是偶尔提到过。比如在乔迪粗鲁地闯进雷吉的私人全息甲板后，他承认道：“我自己也已经在全息甲板上耗费数小时时间了。其实就我而言，只要不影响工作，你在全息甲板上待多久完全是你个人的事。”如果这听起来不像20世纪那种不要让情欲战胜理智的忠告，我不知道这还能是什么。

我丝毫不怀疑当今世界对虚拟现实试验性的探索会最终走向全息甲板那种方向，至少它们的精神内涵是一致的。但有可能我的担心在23世纪看来，就和半个世纪前电视机的发明所伴随的警告一样，显得滑稽搞笑。虽然抗议电视中色情和暴力的呼声仍然还有，但毕竟没有电视的话，就不会有《星际迷航》了。

在一个商场或个人都拥有全息甲板的世界里，倒不会有人们都蜷在沙发上看电视的危险。因为全息甲板的娱乐方式还要主动一些，不会让人缺乏运动。但我还是觉得虚拟现实的未来令人不安，它毕竟比真实生活要安逸许多。一个有着直接体验却毫无后果的世界实在是太有吸引力了。

尽管如此，每项新技术都有好的坏的一面，也会改变人们的行为方式。可能从本书一贯的态度能看出，我是相信技术总会使我们的生活变得更加美好的。适应新技术所面临的挑战，只是人类社会进化所遇到的挑战中的一部分而已。

虽然这样说，全息甲板还是跟当今发展的虚拟现实技术有着明显不同。目前，你所佩戴的设备会影响你的视觉和感官，将设计好的“情景”灌输给你。而全息甲板则采取了一个更有创造性的方法：将你放到了情景之中。它能做到这点一部分是靠全息技术的独特运用，一部分是靠复制技术。

全息图像

全息技术所依赖的原理是在1947年由英国物理学家丹尼斯·伽柏提出的，远远早于这项技术被完全开发利用的时间，而伽柏也由于这项工作而获得了诺贝尔物理学奖。现在大多数人都很熟悉信用卡上的三维全息图像，甚至是书籍封面上的那种。“全息”（hologram）一词出自希腊语的“整体”和“书写”。与普通照片不同，全息图像不仅仅是记录了三维现实的二维图像，还包含了不同侧面的全部信息。事实上，通过全息图像可以重建一个三维的立体图像，你只要绕着它走动，就能够看到所有侧面，看上去和原型的物体一样。唯一能区分的方式就是去触摸它，你就会发现那儿其实什么都没有。

一张存储全息图像的二维胶片怎么能够记录下三维实景的全部信息呢？要回答这个问题的话，我们首先要弄清楚看东西时究竟看到了什么，而照片又到底记录了什么。

我们能够看见东西是因为它们反射或者发射了光出来，然后进入了眼睛里。当一个三维物体被照亮后，会从各个不同的方向反射光出来。如果能够重现真实物体产生的发散光线的话，那我们的眼睛就无法区分实际物体和这种特殊光线形成的虚拟物体了。举个例子，当移动视角来看东西时，原本被挡住的地方就看得到了；要是能做到这样，那物体所有散射光线的形式都被重现出来了。

那要如何储存和重现所有的信息呢？我们可以通过了解普通的照相技术来获得一点启发。照相是一种存储和重现二维图像的方式。当照相的时候，感光材料暴露在要获得的图像的光线中，这个过程通过相机的透镜组和快门控制。之后用各种化学物质处理感光材料后，它会根据之前接收到光的强弱按比例变黑。（在这里讨论的是黑白胶片的原理，但是彩色胶片的原理也只需很简单地扩展一下——把胶片覆盖上三种感光材料，每种材料对不同颜色的光敏感度不同。）

因此记录在相片上的全部信息就是到达胶片不同位置的光的强度。在冲洗胶片的时候，暴露在强光下的部分就会和显影液反应变黑，那些光没有照到的地方就要浅一些。胶片上最后的图像就是原来光场的“负”的二维投影。再把光透过这个负片照射到感光纸上就能得到成品的相片了。当实际看相片的时候，照到浅色部分的光主要被反射回来，照到深色部分的光就被吸收了。因此，照片反射出来的光在视网膜上产生了二维强弱变化的平面图形，而大脑就会将其理解为看到的图像。

那问题就变成除了仅仅记录每一点上的光强外，还能再做些什么呢？我们再一次要依赖于光是波的这个事实。因为有了这一点，除了光强外，光还有其他可以记录的特征。例如图7-1这种光的波形图。

图7-1

波形起伏代表电场强度，在A点表示有一个最大值，与场强EA 相关，指向上方。在B点场强相等但指向下方。如果只对波的强度敏感的话，那A点和B点的场强就一样了。但是正如你所看到的，B点与A点的波是不完全一样的。波的这种“位置”区别就叫作相位。所以要确定波的所有信息就需要确定它的强度和相位。因此要记录三维物体散射光的全部信息，就需要找到一种胶片来同时记录光的强度和相位。

这也很简单。要是把光分成两束，让一束直接照射到胶片上，让另一束在被物体散射后再照到胶片上，那么就会发生下面的情况。要是这两束光“同相”的话——即同时到达最大的A点——那么合成的波幅度就是每个单独波的2倍，如图7-2所示：

图7-2

另一方面，要是两束光在A点异相的话，即在A点达到最大值，一个达到最小值它们就会相互抵消，形成幅度为0的“波”，如图7-3。

图7-3

所以要是A点有胶片的话，它就会记录下两束光——直接照射到胶片上的光和被物体散射后再照射到胶片上的光——的“干涉图样”的强度。这个图样不仅记录了散射光的强度信息，还记录了它的相位。要是人们够聪明的话，就可以从中提取信息来重现物体散射光的三维图像。

事实上，不用做到那种地步也可以。只要用与原来相同波长的光来照射胶片的话，就可以产生一样的干涉图样，当你再看透过胶片的光时就会得到跟以前一样的图像。要是移动视角的话，还可以“环视”重现物体的边缘。当你挡住胶片的大部分，离近一些看没有挡住的地方，还是可以看见整个物体！这就像透过窗口看外面的景象一样，唯一不同的就是实际的景物并不在那里而已。透过胶片进入你眼睛的光使你相信，那就是被实际物体散射的光，让你觉得确实“看见”了。这就是全息图像。

通常来说，为了使参考光和散射光更好调控，全息图像用的都是相干性和准直性都很好的激光。但是所谓的“白光”全息图也是存在的，这种图只要照射普通光便可以产生相同的现象。

我们还可以巧妙地处理一下，使用那些各种各样的透镜，让看见的图像出现在你和胶片之间，呈现物体的三维立体图像，还可以环绕着看到所有侧面的细节。或者把光源移到胶片前面而不是后面——就像信用卡上的全息图像一样。

全息甲板物质

前面那种全息图像可能就是全息甲板所用的原理，在《星际迷航：航海家号》里重现了医务室里医生的图像。不仅如此，要创造这样的全息图像并不需要原本的物体来制作。现在的数字计算机已经能够做到“光线追踪”了——它们可以计算出任何你想设计的虚拟物体散射的光线，从任意角度呈现出来。同样地，计算机还可以算出参考光和散射光汇合时产生的干涉图样。这个合成的干涉图样可以投影到透明的屏幕上，当从屏幕后方照光时，一个实际不存在的三维物体就有了立体图像。要是计算机够快的话，就可以连续地改变干涉图样，产生活动的三维立体图像。所以全息甲板的全息图像这一块并不是遥不可及的。

但是全息图像并不代表全息甲板的全部。就像之前提到的，全息图像并没有实体在那里。你可以穿过它——或者用枪射穿它，就像斯波克和戴达在“统一” [23] 那集里骗过罗慕伦人那样。而全息甲板里人们交流的——或者说接触的——那些东西却并不是简单的、没有实体的。全息甲板需要更高深的技术，《星际迷航》的编剧们就利用了传送器，或者至少是复制器——可以看成略微简易一些的传送器。使用传送器的技术，物质就可以被复制并移动到全息甲板上去模拟本来的东西，然后在电脑程序精心的调控下就能再现声音和行动了。与之类似，复制器就是产生那些图像里不动的物体——桌子、椅子以及力场。这种“全息甲板物质”拥有自己的形态，其模型则存储在复制器的缓冲器内。当传送器关闭或者物体从全息甲板移走以后，那些物质也会很容易地就像模式缓冲产生时那样分解了。因此，全息甲板产生的生物可以被限制在里面，就像虚拟侦探赛勒斯·雷德布洛克和费利克斯·利奇在《星际迷航：下一代》“再见” [24] 一集里发现的那样，也和福尔摩斯的死敌莫里亚蒂教授推测和尝试着克服的那种情况一样。

这是我对全息甲板的一点展望：以后墙上就会全用上全息图像，给人一种空间延伸到了地平线的感觉，而基于传送器的复制器将在图像里创造出移动的“实体”物件。由于全息图像现在已经成为可能，而传送器还有待突破（就像我之前解释那样），人们就必须寻找其他方法来建模和让物体实际移动起来，以制造一台真正的全息甲板。而且掌握了两个关键技术中的一个已经很令人欣慰了。

事实上，我最近参观了班夫美术学校的现代三维视频的“洞穴”，就类似于我上面预想的“全息甲板”实际的样子。虽然并没有使用全息图像来产生三维图像，但还是可以用计算机在洞穴的墙壁上产生画面，然后在房间里在其他人的引导下用3D眼镜来观看。

到底怎样才能摆脱单纯的全息图像，变成像《星际迷航：航海家号》里全息医生那种情景呢？答案当然是没有办法吧。只有散射的光线而没有实体的话，这些光线恐怕根本就不能实际搬动物体吧。不过通过全息图像还是可以传达，像体贴的关照和尽心的忠告，这些体现良好医德的行为的，在这方面是可以和真的医生做得一样好的。

注解：

[1] 　《星际迷航：下一代》，第六季，第二集。

[2] 　《星际迷航：原初系列》，第一季，第五集。

[3] 　《星际迷航：下一代》，第六季，第二十四集。

[4] 　《星际迷航：下一代》，第一季，第七集。

[5] 　《星际迷航：航海家号》，第一季，第十三集。

[6] 　《星际迷航：下一代》，第二季，第九集。

[7] 　一般的波是由若干种以至无限多种谐波叠加而成的，往往仍然是非局域性的。但是在特定条件下，叠加后的波有可能是局域性的，犹如被某种曲面包裹住那样。这种局域性的波就叫作“波包”。

[8] 　量子隐形传态是一种利用分散量子纠缠与一些物理讯息的转换来传送量子态的技术。

[9] 　Large Hadron Collider（LHC），在2008年启动测试，2012年探测到希格斯玻色子。

[10] 　《星际迷航：下一代》，第五季，第五集。

[11] 　Ke V是能量单位，1Ke V代表1千电子伏。

[12] 　1Ge V代表1亿电子伏。

[13] 　毕竟把正粒子叫成反粒子在物理上不会产生问题，因为除此之外它们没有任何区别。

[14] 　丰度是指研究体系中被研究元素的相对含量，用质量百分比表示。

[15] 　即之前提到的LHC。

[16] 　《星际迷航：原初系列》，第一季，第四集。

[17] 　《星际迷航：下一代》，第四季，第十六集。

[18] 　《星际迷航：下一代》，第一季，第二十三集。

[19] 　《星际迷航：下一代》，第一季，第十九集。

[20] 　《星际迷航：下一代》，第一季，第二十四集。

[21] 　《星际迷航：下一代》，第三季，第二十一集。

[22] 　《星际迷航：下一代》，第四季，第十六集。

[23] 　《星际迷航：下一代》，第五季，第七集。

[24] 　《星际迷航：下一代》，第一季，第十二集。

第三部分
谁在作祟？是无形的宇宙，还是夜间的幽灵？

我们会讲到一些未来可能会有的、但以目前的科技水平还见不到的一些东西，包括地外生命、多维时空，和一个融合了各种物理可能性和物理不可能性的奇异世界。

［第八章］
寻找斯波克

“当你无所不能的时候，是很难与他人共事的。”

——出自“似曾相识的Q” [1] ，在Q加入进取号船员一行之时

“无休止地进行侵略、征服领地和种族屠杀……只要有任何可能……整个殖民地就会像被基因操控并驱使的生命体一样……而这个实实在在的超级生命体还会通过调整自己的人口结构来优化能源消耗……在这种严苛的法则下不要说娱乐、艺术，哪怕是同情心都是不被允许的。”

博格人是在荧幕上出现过的最令人恐惧，但也是最有趣的外星物种之一。在我看来，他们是自然选择下合理的结果，而且这种生物的魅力也在于此。上面的引文贴切地描述了博格人，但却不是出自《星际迷航》原本的剧集。而是出自贝尔特·荷尔多布勒和爱德华·O．威尔逊所著的《蚂蚁之旅》的一篇书评，描述的是我们的陆栖昆虫朋友，而不是博格人。蚂蚁在进化层面来看是极其成功的，而且其中的原因也不难明白。想象一下，一个已知的群体难道不应该进化成类似的集体超级生命吗？智慧生命那些同情之类的高尚情感对于这种集体来说是必要的吗？或者说这些情感反倒成为一种阻碍？

吉恩·罗登贝瑞说过：创造进取号的真正目的，并不只是为星际旅行提供一艘星舰，其实更希望它能够成为整个故事的载体。即使是我这种做技术的人也能体会到，除了那些魔法般的先进技术以外，使《星际迷航》充满戏剧性的因素，与古希腊史诗那些重要题材别无二致：爱、恨、背叛、嫉妒、信任、欢乐、恐惧、惊奇……那些生活中真实的情感让故事更加贴近人心。如果曲速引擎仅仅用来驱动无人探测器，如果传送器的开发仅仅为了运送土壤样本，如果三录仪 [2] 仅仅用在植物身上的话，《星际迷航》系列恐怕连第一季都挺不过。

外星生命

事实上，星舰进取号“持续的使命”不是进一步探索物理定律，而是“探索陌生的世界，寻找新的生命及新的文明”。 [3] 我认为就是因为《星际迷航》把戏剧舞台远远延伸到了人类现实之外，才使它如此富有魅力而长盛不衰。我们开始想象外星人可能怎样发展，当他们面临与人类相同的问题与矛盾时如何处理、解决。于是，观众的感官与头脑就暴露在了许多假想的文明与全新的威胁里。《星际迷航》所营造的世界有种独特的魅力；那种奇妙的感觉就像是第一次拜访一个异域的国度；又像是看完了一段陌生的历史，发现在数个世纪以后，人们的行为有的地方完全没变，而有的地方又截然不同，这种熟悉的陌生感也很有意思。

当然，对这种娱乐方式的怀疑必须要先放下才行。很明显进取号遇见的几乎所有外星物种都长得像人类，而且全都说着英语！（为了解释这一点，《星际迷航》的编剧们在《星际迷航：下一代》里虚构了一个理论：考古学家理查德·盖伦发现，许多文明都共享了同样的遗传物质，而这可能是被更加远古的文明播撒到不同星球的原始海洋中的。这个假说其实是参考诺贝尔奖得主弗朗西斯·克里克的“泛种论”所做的联想。）这当然没有逃过影迷们的法眼，而且对我来说，理论物理学家、诺贝尔奖得主谢尔登·格拉肖关于外星人的一段话十分精彩：“他们都长得像得了象皮病的人！”尽管如此，他也如同大部分影迷一样，愿意忽视这些对于外表的描绘，以便更好地理解与欣赏《星际迷航》编剧对于外星人心理活动的探索。好莱坞的电影编剧通常都没有科学家和工程师背景，因此可以很自然地预料到，他们不会把创造力用在生物学构造上，而是会去努力营造令人着迷的外星文化。

他们也确实有着非凡的创造力。截止到我写下这些东西的时候，除了博格人和无所不能的、恶作剧式的Q以外，有超过200种的彼此不同的生物出现在《星际迷航》设定的宇宙当中。也就是说，我们的银河系充满了其他智慧文明：他们有些比我们更加先进，有些则更加落后；有些——像星际联邦、克林贡人、罗慕伦人和卡达西人——掌控着庞大的帝国，有些则孤立地生活在一个星球上或是星际空间中。

正如那些正在寻找外星生命的科学家所强调的，地外智慧生命的发现一定是人类历史上最重大的发现。的确很难想象还有什么其他发现能像地外文明一样，改变人类对于自身的看法，以及在宇宙中的地位。然而，经过三十年的联合寻找，我们尚未发现有关地外生命存在的任何决定性证据。有人可能会对这个结果感到很惊讶。毕竟要是地外生命存在的话，我们终有一天会发现他们的踪迹。正如在地球上，不同的文明独立地出现在各个大洲，最终还是碰到了一起，尽管之后因为文化冲突而饱受伤害。

尽管如此，当我们认真考虑在宇宙其他地方发现智慧生命的可能性时，还是会得到一个令人沮丧的事实。比如说银河系中的某个文明得知，在银河系大约4000亿颗恒星中，有部分地点可能孕育了生命。更进一步地，他们得知，这些生命就在太阳系的方向。即使在这种情况下，发现地球的可能性又有多大呢？在地球形成45亿年以来，生命已经存在了很长时间。但直到半个世纪之前人类才能够向地球外发送我们存在的信号。此外，在大约25年前，我们才造出了功率足够大的射电望远镜，作为能被其他文明发现的无线电信标。因此，虽然外星人拥有45亿年这样长的时间来从宇宙里搜寻地球，但他们只可能在过去的半个世纪之内发现我们。假设外星文明决定在其他星球存在的时间里随机观察一次，那么人类被发现可能性只有一亿分之一。同时不要忘了，这个结果还是在他们确切知道观察地点的情况下得到的！

已经有相当多的书籍讨论过银河系中其他生命存在以及被发现的可能性了。根据各种估计，宇宙中的高等文明可能多达数百万种，但也可能只有一种（如果把我们人类文明归入高等文明的话）。我没有打算把所有问题在这里一一深入讨论下去。我真正想要描述的，是更加生动有趣的物理问题，而这与进取号发现的那些形色各异的生命的起源息息相关。同时我还想探讨一下在地球上寻找外星人所采取的策略。

在我看来，先验地认为在我们星系中有着其他生命存在是有一定道理的。因为正如我之前所说，银河系大约有4000亿颗恒星，但如果只有太阳系才发展出了高等文明似乎显得太不同寻常了。当然，应该可以构造一个复杂的方法，来估计像我们这样的生命存在于其他地方的可能性。比如可以从显而易见的问题出发：“恒星拥有行星的可能性有多大？”或者“某个恒星能够存在足够长的时间，以维持它行星系统上生命延续的可能性又有多大？”接下来，转移到行星的问题上去：“这个行星大到能够维持稳定的大气层吗？”或者“这个行星经历充分的早期火山作用，在表面产生足够的水的可能性有多大呢？”又或者“这个行星拥有一个质量足够大或者距离足够近的卫星，而且它刚好能够引起适当的潮汐，以形成孕育生命的潮水坑而又不会每天都产生巨大潮波，这种可能性又有多大呢？”讨论这类问题之前，在计算可能性的时候通常都会遇到一些问题：首先，很多相关的因素还是待定的；其次，我们也不知道这些因素之间是怎么相互关联的。其实我们就连日常事件发生的概率都很难准确估计：因为在计算一系列可能性很小的事情发生的概率时，那个结果往往小到让这种尝试变得毫无意义。

同时我们也要认识到，即使有人得出一个定义清楚的概率，关于它的解释也可能会变得很微妙。举个例子，一系列具体事件的概率——比如我现在正坐在这种椅子上，在这台电脑前面打着字（每年生产出来的数百万台电脑之一），刚好还在这个地方（地球上所有可能的城市中的一个），在今天的这个时间点上（一天总共86400秒中的一秒）——小到几乎可以认为是零的。这对生活中其他形形色色的遭遇来说也都是一样的。类似地，在无机物的世界里，放射性原子核在某个特定时间发生衰变的概率也是小到可以忽略不计的。通常来说，人们不会去计算这种形式的概率，而是更倾向于考虑，在一个有限长的时间尺度里原子核发生衰变的概率，或者这一时刻比其他时刻发生衰变的概率增加了多少。

当尝试去估计银河系中存在其他生命的可能性的时候，需要注意的是，不要过分地限制了所考虑的条件。如果有人这么做的话（事实上人们也经常这样），那可能就会得出这样的结论：地球上产生生命的可能性是无限小的，而这有时是被作为神的干预（使这种无限小的可能发生）存在的依据。然而正如我之前指出的一样，无限小的概率同样会出现在跟下面差不多的情况下：在2008年6月3日上午11点57分，我停下了车，而在望向窗外那一刻，红灯恰好亮起来了。所以即使一件事发生的概率很小，也无法说明它就不可能发生。

我们要认清楚一个重要的事实，那就是在宇宙中至少有一次，生命从无到有地产生过。这一点我认为是无比重要的。从科学的经验来看，大自然的现象很少是只发生一次就不再出现的。人类就是生命的范例。我们存在于此，就证明了生命的形成是完全有可能的。一旦知道生命能在银河系中形成，那么同样的事情在其他地方发生的可能性就大大增加了。（当然，正如某些持进化论观点的生物学家所指出的，虽然生命有可能产生，但是却不一定能发展出智慧来。）

宇宙的平直性

虽然我们的想象力十分贫瘠，不能够把所有形成智慧生命的条件都考虑完全，但是可以通过自身的存在来探寻，在宇宙中究竟哪些才是进化的重要因素。

不妨从宇宙本身的起源开始。之前我已经提到过一个宇宙里的巧合：大约每100亿个质子和反质子中，会多出一个额外的质子。如果不是因为多出来的这些小家伙的话，所有物质会恰好与他们的反物质发生湮灭；要是这样的话，现在的宇宙就不会剩下任何物质，更不用说智慧生命或者其他东西了。

我们所居住的宇宙还有另一个明显的特征，它的年龄十分古老，已经度过了漫长的岁月。而在地球诞生的45亿年中，生命同样发展了很长的时间。因此，如果根据演化的时间倒推回去的话，宇宙就需要延续更久才能为生命诞生做好准备。现阶段对宇宙年龄最好的估计大约是140亿年，这是一个足够长的时间了。然而要设计一个宇宙让它膨胀的情况跟现在的一样，也不是那么容易的：既不能收缩得太快，从而形成大爆炸的反面——大坍缩；也不能膨胀得太快，以至于物质没有时间碰撞到一起形成恒星和星系。宇宙一开始的条件，或者它历史早期的动力学过程，是“被人”精细调整过的，使现在的一切都恰到好处。

这就是被称之为宇宙“平直性”的问题。而对于它的理解，则成为宇宙学一个很重要的话题。因为物质间的引力作用趋向于使宇宙的膨胀减慢，这就产生了以下两种可能性：一种是宇宙中有足够多的物质来阻止膨胀并使其反转（对应“封闭的”宇宙）；另一种则是物质的总质量不足以引起坍缩（对应“开放的”宇宙）。不过令人惊奇的是，当把所有物质的质量加起来的时候，我们发现计算结果十分接近两种可能性的交界处——对应着“平直的”宇宙。在这种情况下，观察到的膨胀会减慢，但在有限的时间里不会停止。

最让人们感到惊讶的是，对于一个不是绝对平直的宇宙，随着演化时间的进行，它将变得越来越偏离平直的状态。因此，对今天这个已经至少有100亿年的宇宙来说，要是它现在确实是像观测到的那么平直的话，那么在更早的时候它一定平直得根本观测不到任何起伏。很难想象这仅仅是一个随机的巧合，其背后没有任何物理过程来驱使它发生。大约35年以前 [4] ，一个候选的物理过程被提出来了，它被称为“暴胀理论”，暴胀是在宇宙早期因为量子力学效应而发生的一种整体急速膨胀的过程。

回想一下，真空并非是一无所有的，其中的量子涨落能够携带能量。这就使得下面的过程有发生的可能性：在早期宇宙中，基本粒子由于温度的作用自然演化，其中真空涨落的能量占据着主导的地位。这种真空能量对抗着引力的吸引，使粒子之间表现出相互排斥的作用。在这种假说下，宇宙曾经有过一次短暂的暴胀。在这段时间里，真空能占据着主导地位，结果导致宇宙在一瞬间迅速地膨胀了。可以证明的是，当这段时间结束后，真空能量转移到了物质与辐射能当中，宇宙最后可以轻而易举地变得非常平直。

不过，这里可能存在着另一个更加严重的问题。当爱因斯坦尝试把自己新的广义相对论运用到宇宙学上时，引发了一个新问题。那时，宇宙正在膨胀的事实并不为人所知；与此相反的是，人们普遍认为宇宙在很大范围内是稳定且不变的。所以爱因斯坦不得不找到一种方法，来使所有的物质不会因为自身引力的吸引作用而最终碰撞到一起。于是，他在方程里添加了被称为“宇宙学常数”的一项，本质上是在宇宙尺度上引入了一种排斥，以平衡物质之间的引力。不过，当人们发现宇宙不是静态的以后，爱因斯坦意识到这个“宇宙学常数”根本就没必要存在，并认为添加这一项是他一生之中所犯的“最大的错误”。

不幸的是，就像想把挤出的牙膏塞回管子里一样，一旦宇宙学常数被提出来，就不能当作它不存在了。如果它在爱因斯坦的方程里可能出现，我们就必须要解释为什么在观测到的宇宙中，它几乎为零。事实上，我之前说的真空能量，正好产生了爱因斯坦想用宇宙学常数来解释的效应。所以，这个问题就变成了，为什么真空能量没有压倒性地主宰我们当今的宇宙？或者说，为什么我们的宇宙不再以很高的速率膨胀了？

这个问题是物理学中最具有深远意义并且悬而未决的问题之一。我们根据现有理论所做的每个计算都表明，当前的真空能量应该比观测数值允许的范围大出许多个量级。让我们更加迷惑的是（在这本书的第一版里我提到过），虽然真空能量看起来不是十分巨大，但它毕竟不是零，仍然能够影响现在以及将来宇宙的演化。在那时，通过分析已有的宇宙学数据，包括宇宙年龄、宇宙中物质的密度，以及对大尺度结构的估算，我和芝加哥的同事一起提出，实际上，只要宇宙里70%的能量与真空相关，而不是与星系和星团相关的话，现有数据就能与平直的宇宙相吻合了。

在1998年，这个看似异端的说法竟然被宇宙膨胀速率的观测所证实了。回想一下，真空能量与宇宙学常数一样，会产生排斥力。通过测量遥远星系某些特定的恒星爆炸或是超新星爆发来确定它们的距离，再同时测量它们的退行速度之后，观察者们发现结果完全超乎他们的预料，宇宙膨胀的速率看起来在不断加快。这与我们的直觉完全相悖，因为物质间引力的吸引作用通常会使膨胀减慢。不过这种加速的情况在刚才那种说法中可以得到完整的解释，即宇宙里70%的能量存在于真空之中，30%存在于物质之中。

与此同时，关于宇宙大尺度空间曲率的测量表明，宇宙在极高精度下都是平直的，这与之前理论的预期相符合。而且确切的情报表明，考虑宇宙的总质量，星系与星团只需要系统中30%的质量就能使宇宙保持平直。只有一种方式可以使这两种观测保持一致，那就是事实上宇宙里有70%的能量以其他形式存在。现在种种迹象表明，我们宇宙里主要的能量（在爱因斯坦方程里）表现得和宇宙学常数差不多，以一种非同一般的形式存在着。

虽然对于地球上或是其他地方生命的最终形成来说，平直的宇宙可能是必要的，但对宇宙学常数大小的推测，可能暗示着一个更有可能发生的微调问题（fine tuning problem）。之前我们预期一些理论上的技巧，可以解释为什么今天宇宙学常数为零。但现在真空能很明显并不是零，那它究竟为什么如此之小呢？而且通过计算发现一个有趣的现象，如果这个量要是比现在大上一两个量级的话，早期的星系就不会在宇宙中形成——真空中的“暗能量”将产生过多的排斥力，超过了早期星团所需要补偿引力吸引的那部分大小。如果星系不复存在了，那么恒星或者行星、外星人，乃至《星际迷航》的编剧，就都不会诞生了。

我们想象不出一个没有《星际迷航》的宇宙会变成什么样子，但是科学家们对此做出了回答。事实上，在基础的微观物理层面，也存在大量的巧合，才使生命得以出现在地球上。如果任何一个物理学基本常量有一丁点的改变，地球上生命进化所需的重要条件就不复存在。例如，质子与中子那微小的质量差异（大约千分之一）要是增加1倍，地球上生命所必需的一些元素的丰度，就会与我们今天在宇宙中所观察到的结果产生巨大差异。同样的道理，要是碳原子核的一个激发态能级稍稍改变一点，那么恒星内部产生碳原子的反应就不会发生，从而碳原子就不会在宇宙中存在。要知道，碳可是构成有机分子的基础。

很难说清楚这一系列的巧合究竟有多么的重要。既然自然常数允许了人类的存在，那么反过来，要是人类确实演化成这样，自然常数的取值如此微妙也就不足为奇了。即便如此，不可思议的宇宙学常数也引起了许多理论学家的怀疑：这个数值是否能告诉我们更多的东西？例如，我们观察到的宇宙以某种方式构成了超宇宙的一部分，或者只是多元宇宙包含的拥有不同自然常数的子宇宙之一。在那些无法进化出生命的宇宙当中，自然不会有人来进行什么探测了。俄罗斯宇宙学家安德烈·林德提出的“人择原理”可以这样来理解：有一条充满智慧的金鱼，思考着为什么自己所居住的宇宙（鱼缸）是由水构成的；基于“人择原理”，答案很简单——要是没有水的话，就不会有那样一条金鱼来问这个问题了。

不仅如此，还有几种观点表明我们的宇宙可能确实是多元宇宙中的一部分。就拿暴胀作为例子来看，宇宙这种早期急速膨胀的状态可能暗示着它仅仅是某个巨大整体的一小部分。如果暴胀以不同的方式结束，停止于和现在不同的阶段的话，那么就只有那些物理定律刚好合适的一部分宇宙才有可能孕育生命。

我打算简明扼要地介绍一下最近提出的一种更加深奥的新理论——弦论。它不仅涉及许多尚未被探测到的维度，在此之上还要求我们的四维宇宙有更多可能的形式。然而实际上，即使这个理论是对的，它也有很多缺点。其中一个很明显的不足之处就是，它并不能预言宇宙为什么是这样的。不过在人择原理中，这种缺点已经变成一种优点了。弦理论家们描述了一种弦的“图景”，同时包含了10⁵⁰⁰ 种不同的四维宇宙，其中每一种都可能拥有不同的物理定律。他们声称这个宇宙恰好就是人择原理所要求的那样，而不是那些数量庞大的其他宇宙的形式。

我想要强调的是，如果这种说法站得住脚的话，我们的宇宙便不是由什么更加基本的法则所确定的；它仅仅是一种条件的巧合而已，生命只是恰好能够存在于这种环境里罢了。和我一样，许多物理学家踏入这个领域的原因，都是想要发现宇宙的基本法则，因此这个结果可能不太尽如人意。不过，虽然上述的可能性很令人沮丧，但还不至于吓退这群物理学家们。

这一类问题尽管很有趣，但从经验上来看不会很快被解决。可能最好的探索方式，就是把问题留给那些哲学家和科幻小说家们吧。因此，我们就姑且先接受这个事实：在微观和宏观尺度上，宇宙不仅确实像之前那样演化了，而且还是以有利于生命产生的方式来进行的。接下来，就可以将话题转向我们的家园——银河系了。

当考虑银河系中什么地方能够有智慧生命栖居的时候，其中的物理问题就变得清晰起来。在银河系中，有些恒星的年龄至少超过100亿年，而地球上的生命才存在了不过35亿年。那么在地球产生生命以前，银河系中的生命（要是存在的话）可能存在了多长时间呢？

大约100亿到120亿年以前，当银河系在宇宙膨胀中冷却下来的时候，最初产生的恒星完全是由氢和氦构成的。在宇宙大爆炸之后，氢和氦是仅有的两种丰度可观的元素。这些恒星里的核聚变持续地将氢变成氦，而一旦氢被耗尽，氦就会开始“燃烧”，形成更重的元素。这样的核聚变会不断进行，直到恒星中心都变成铁元素。铁无法通过这种形式的聚变形成更重的元素，因此恒星的核能就此耗尽。恒星消耗核能的速率是由其质量决定的。我们的太阳，在燃烧了接近50亿年的氢之后，它第一个演化阶段甚至都还没有过半。而十个太阳质量的恒星——即比太阳重10倍——燃烧速率是太阳的1000倍。这类的恒星在1亿年以内就会耗尽它们的氢能源，而太阳则有着100亿年的寿命。

这些大质量的恒星在耗尽它们的核能之后会发生什么呢？在消耗殆尽的数秒之内，恒星的外层会在爆发中向外喷发，形成所谓的超新星。超新星爆发是宇宙中最绚烂的焰火之一，它在一瞬间闪耀的光芒，亮度相当于数十亿颗恒星。目前，在银河系中每一百年会发生2到3次超新星爆发。在距今约1000年以前，中国的天文学家们观察到一颗在白天都能看到的新星，他们称之为“客星”。这次超新星爆发产生了我们用望远镜就能看见的巨蟹座星云。有趣的是，在西方并没有任何关于这次短暂的天文现象的记录。当时的教会宣扬着天堂永恒不变的教义，因此忽视这种现象要比在火刑柱上烧死要容易得多。大约500年后，欧洲的天文学家才得以打破教条的桎梏——丹麦天文学家第谷·布拉赫记录了银河系中接下来可观测的一次超新星爆发。

许多重元素产生于恒星演化的过程中，或者产生于超新星爆发中；它们分散到了星际介质里，随着这些“星尘”混合到气体中并相互碰撞形成了其他地方的恒星。在数十亿年间，较为年轻一代的恒星——所谓的第一星族恒星，比如我们的太阳——形成了；这些恒星可能被旋转的气体尘埃盘环绕着，而接下来，这些尘埃就可能碰撞形成拥有钙、碳、铁等重元素的行星。人类便是由这些元素所构成的。我们身体里每个原子都是数十亿年以前形成的，都来自于那些逝去已久的恒星，都诞生自那炽热的熔炉之中。在发现宇宙中这最令人着迷、最富有诗意的事实后，我写下了一本名为《原子》的书，并在书中感慨：毫不夸张地说，我们全都是恒星之子。

现在看来，如果一个像地球一样的行星在某个质量过大的恒星周围形成的话，可能就很难孕育生命了。正如前面所看到的，这样的恒星从诞生到毁灭大约才经过1亿年的时间。只有跟太阳质量差不多的恒星，才能稳定燃烧内部的氢达50亿年之久。很难想象，当一个恒星的光度在其演化过程中发生巨大变化的话，围绕它的行星如何才能形成生命。反过来说，一个比我们太阳更小更暗淡的恒星所拥有的行星系统是不太理想的，这些行星要是温暖到足够维持生命的话，就会太过于靠近恒星而在潮汐力的作用下崩坏掉。

因此，要是我们想要寻找生命的蛛丝马迹的话，我们可以把赌注押在跟我们情况差不多的恒星上。幸运的是，太阳只是银河系中相对普通的恒星。银河系中25%的恒星——大约1000亿颗——落在了符合要求的范围内。其中大部分恒星比太阳更加古老，因此原则上来说，早在太阳形成的四五十亿年前，它们就为生命提供了可能的栖息地。

地球的演化与类地行星

现在来看看我们的地球。究竟是什么使这美丽的蓝色星球变得如此特别？首先，它在太阳系的内侧，这一点十分重要。因为外侧的行星含有更高比例的氢和氦——更接近于太阳的成分。在太阳诞生之初，那些气体尘埃盘里的大部分重元素，几乎都留在了太阳系的内侧部分。因此按照行星轨道的比例来看，对于一个质量和太阳相当的恒星，生命宜居的地点会存在于相当于火星轨道的距离以内。

可能正如金凤花姑娘 [5] 说的，地球刚刚好——不冷也不热，不大也不小。由于在诞生之初，内层的行星可能没有大气层，它们不得不通过火山喷发来产生气体。至少地球表面上有一部分水是通过这个过程产生的。而对于那些更小的行星，它们表面足够快的热辐射会阻止大量的火山活动。据推测，水星和月球就是这种情况，而火星处在临界的位置上，地球和金星则成功地形成了大气层。最近关于地球岩石的放射性气体同位素的测量表明，在45亿年前有一段碰撞期，地球经历了1亿到1.5亿年的陨石物质累积，而在此之后数百万年里，火山活动产生了大约85%的大气。所以我们再一次认识到，有机体在地球而非其他行星上形成并不是意外，同时人们也就期望同样的情况能够发生在银河系其他地方——要是套用《星际迷航》的宇宙观的话，对这类行星的称呼就是——M级行星。

接下来的问题就是，基于地球上的经验来看，生命进化的速度究竟有多快，以及智慧生命究竟在接下来什么时候出现。第一个问题的答案是：非同寻常的快。人们已经发现了35亿年前的蓝绿藻化石，而且许多研究者也强调在40亿年以前生命就已经相当活跃了。当地球才刚刚诞生几亿年的时候，生命就已经出现，这是非常令人鼓舞的。

当然，从地球上刚刚开始出现生命到复杂的多细胞结构形成，再到智慧生命的演化，这中间大约经历了30亿年时间。有充分的理由相信，主要是物理条件决定了这个时间跨度，而不是生物条件。这个理由是一开始就存在的，因为地球的原始大气不含有氧气。那时的大气含有二氧化碳、氮气、以及微量的甲烷，氨气，氯化氢和二氧化硫等多种气体，但唯独没有氧气。氧气不仅在高等有机生物的形成上发挥了重要的作用，还在其他方面扮演了重要的角色。只有当大气中含有充足的氧气时才有可能形成臭氧。而人们越来越清晰地意识到，臭氧对于地球上的生命是多么重要——它可以屏蔽对生命危害极大的紫外线。因此可以预见，在地球氧气含量丰富以后，各种生物开始了爆发式地增长。

最近研究表明，在大约20亿年以前，氧气开始在大气中形成，其含量在之后的6亿年里逐渐增加到达现在的水平。原始海洋中的蓝绿藻通过光合作用产生的氧气，一开始是无法在大气中积累的。因为氧气能够与许多诸如铁一类的物质反应，这就导致不管光合作用产生了什么，在到达大气之前，产物都与其他物质反应结合了。最终，在氧化了足够多海洋中的材料以后，自由氧才开始在大气中积累起来。（这个过程从未在金星上发生过，因为那里的温度太高而导致无法形成海洋，因此像蓝绿藻这种能够孕育其他生命的重要物种就没有出现。）

所以，环境条件成熟之后，又花费了大约10亿年的时间，才进化出了复杂生命。当然，对于生命演化来说，这是否是一个特征的时间尺度还有待弄清。诸如进化方向的偏差、气候的改变和生物灭绝的大灾难等意外情况，不仅影响了生物进化的时间尺度，还改变了最终的进化结果。

尽管如此，这些现象表明，相较于宇宙的时间尺度，智慧生命能够在一个更短的区间——大约10亿年——里演化出来。而要延长这一时间就纯粹是一些物理因素的作用，例如各种作用产生的热量以及化学反应的速率等。地球的经验表明，即使在一个很保守的假定下，我们对智慧生命的期望也必须降低到有机体和需氧生物，以及硅基生命（即霍塔，是我最喜欢，同时也是《星际迷航》编剧想要抛弃的一个设定）——理想的行星候选者，并期待它们出现在某个存活了几十亿年的、质量大约相当于一个太阳的恒星周边。

虽然有机生物形成的过程相对来说是快速而稳定的，但有什么证据能表明它们基本的成分——即有机分子——存在于宇宙其他地方呢？最近的研究结果仍然十分乐观：有机分子在小行星，彗星，陨石以及星际空间中都有被观测到。其中有些还是构成生物体的复杂大分子，包括氨基酸等。关于太空中气体和尘埃颗粒的微波测量确认了大量的有机化合物，有一部分据推测是复杂的碳氢化合物。因此毫无疑问地，银河系中遍布着各种各样的有机物。

最后，行星的问题怎么解决呢？长期以来，人们相信大部分恒星周围都有着行星环绕。当然，也有部分恒星有着另一个恒星同伴，形成所谓的双星系统。不仅如此，许多年轻的恒星还被观察到拥有气体和尘埃构成的星周盘，据推测，这可能就是行星的前身。各种各样的数值模拟都分析了星周盘对行星质量以及轨道形成的贡献，预测每个恒星平均都会有一个与地球相似的行星在相似的轨道上。但是，正如只有通过品尝才能判断布丁的美味程度，我们只有通过实践才能找出符合预期的行星。在本书出版后大约10年的时间里，有超过100个不同的类地行星被发现了，它们绕着太阳以外的恒星转动着。不过，它们的情况各有不同：有些行星恰好就在预期的位置上，有些和木星一样大的行星比水星的轨道还要小，还有些行星绕着恒星爆炸后的坍缩核转动。这些千姿百态的行星都处在它们恒星周围的“宜居”区域里，因为这些区域类似地球，可能存在着液态水。这些发现也证明了类地行星是极其稀少的。

宇宙广播

但我不想一叶障目而不见森林。让我们回过头来看看，宇宙经历了100亿年的膨胀，靠着普普通通的物理与化学定律，演化出了一种拥有自我意识的生命体，而且这些生命体还能够反过来研究自身诞生的时空，这几乎就是奇迹呀。不过，虽然地球上孕育生命的环境十分特殊，但也绝不是宇宙中的独一份。正如之前所提到的，银河系中有超过10亿个有机体可能的栖息地。再考虑到在已观测到的宇宙中，银河系只是4000亿个星系里的一个，因此很难相信我们在宇宙中是孤独的。不仅如此，大多数第一星族恒星比我们太阳要早形成大约50亿年。从上面的时间尺度来看，在太阳诞生数十亿年以前，可能就有许多智慧生命在银河系中繁衍生息了。事实上，银河系里大多数的智慧生命是应该早于我们出现的。因此，根据智慧文明应该存在的时间长度来看，银河系中估计挤满了比我们出现早上数十亿年的文明吧。而另一个方面，鉴于我们自身的历史，这些文明可能面临过战争与饥荒的威胁，而其中大多数文明并没有挺过去，仅仅存在了数千年。这样的话，宇宙中大多数的智慧生命估计早已逝去了。正如20年以前某位研究者提到的，“智慧生命是否能存在的问题，归根结底还是取决于这种生命的智慧程度究竟达到什么地步。”那么，我们怎样才能知道呢？是发射星舰去探索未知的新世界，达到那些从未有人去过的地方？还是说，通过接收那些在银河系中以光速传播的《星际迷航》的电视信号，等待我们的邻居们发现地球的存在？我觉得两种情况都不会发生，并且这种观点也得到很多人的支持。

首先，我们已经看见星际旅行是多么令人沮丧的一件事了，因为单就需要的能量消耗来说，就远超我们的想象——不论是曲速引擎还是非曲速引擎。试想一下，通过正反物质引擎推进的火箭，以3/4的光速往返于最近的恒星，大约要花费10年，而这个过程所需的能量能满足美国10万年的电能需求！同时这消耗还远远比不上真正的曲速引擎。不仅如此，为了提高找到其他生命的可能性，我们还希望在数以千计的其他恒星上采集样本。即便以光速来旅行的话，恐怕在下一个千禧年到来之前，这个目标也无法达成。

这些当然是坏消息了。不过，我认为好消息就是这同样预示着，我们可能不用过于担心被外星人劫持了。因为他们同样也会考虑到能源的消耗，在那样的预算下，可能就会决定从远处进行探索，毕竟这要容易许多。

因此，我们需要向宇宙广播我们存在的信号吗？毕竟这要更加节省一些。我们可以向最近的恒星系统发送一条10个字的信息，它能被一个合理大小的无线电天线所接收，而我们只需花费不到一美元的电量。但是——这里我再一次借用诺贝尔奖得主爱德华·珀塞尔的观点——如果仅仅只是广播而不去倾听宇宙的声音的话，我们将会错过大部分找到智慧生命的机会。很显然，那些远远早于我们出现的文明能够更好地发送大功率的信号。由于我们才刚刚进行无线电传输80年左右的时间，比我们落后的文明可能还没有掌握相应的技术来接收这种的信号。所以，正如我母亲常说的，我们应该在说话之前多多倾听才好。虽然这么写，但是我突然希望那些更加先进的文明不要恰好想着同样的事情。

但我们要听什么呢？要是不清楚提前应该调到什么频段的话，这也是没什么希望的。这里就可以借助《星际迷航》的指导了。在《星际迷航：下一代》“银河之子” [6] 一集里，进取号偶然遇见一种生活在真空里，以能量为食的外星生命。他们尤其喜爱一种特殊的无线电频率的口味——1420MHz，波长是21厘米。

本着毕达哥拉斯的精神，如果天体有着它本身的音乐的话，那这个频率当然就是它的起始音调。1420MHz是电子绕氢原子核自旋进动的自然频率，而氢正是宇宙中最多的元素。在银河系中，即使以0.001的显著性水平来看，这个频率附近的无线电也是占绝对主导的。更重要的是，这个频率精确地落在了跟可见光一样的频率窗口里，正好可以在大气中传播与接收，以帮助有机生命体相互通信。同时，这个频段也很少有背景噪声。射电天文学家已经使用这个频率来描绘银河系中的氢元素分布图了——当然，也就等同于物质分布—并由此确定了银河系的形状。任何智慧物种只要发展到了解无线电波以及宇宙，那他们一定会知道这个频率，这是宇宙的归航信标。36年前，天体物理学家朱塞佩·科可尼和菲利普·莫里森提出这是发送和接收用的自然频率，而至今也无人质疑这个结论。

好莱坞不仅猜测了我们应当监听的正确频率，还提供了监听所需的资金。虽然小规模的监听项目已经进行了30年之久，但是直到1985年秋天，才启动了首个大型的综合监听项目。当时，好莱坞导演史蒂文·斯皮尔伯格合上了一个巨大的铜质开关，正式开启了META计划，即百万频道外星人阵列计划。这个计划是哈佛大学的电子学大师保罗·霍罗威茨提出的。META坐落在马萨诸塞州哈佛大学里哈佛—史密森26米射电天文望远镜处，由美国行星协会提供私人赞助，包括E.T先生一百万美元的捐款。META使用128个平行处理器阵列可以同时扫描在1420MHz范围内的8388608个频率通道，以及所谓的二次谐波，2840MHz。在采集了超过4年的数据之后，META已经将整个天空扫描了三遍，而目的单纯就是为了找寻外星生命的信号。

当然，在监听的时候还是要机智一点的。首先，你要知道即使发送的频率是在1420MHz，收到的频率也不一定就恰好是它。这就是众所周知的多普勒效应—火车汽笛的音调在驶近时听起来更高，在远离时听起来更低。这对所有移动辐射源发射的频率都是成立的。由于银河系中大部分恒星都相对于我们以数百千米每秒的速度移动着，其中的多普勒效应是不能被忽略的。（《星际迷航》的编剧没有忽略这一点；他们考虑到星舰和目标传送器之间的相对移动，给传送器添加了“多普勒补偿器”。）可以想见信号发送者也是知道这个事实的，META的工作人员就从1420MHz信号可能相对我们移动的三个坐标系来寻找它：一个跟随我们太阳系中心移动；一个跟随银河系中心移动；一个跟随宇宙大爆炸后留下的微波背景辐射定义的坐标移动。这样就可以简单分辨出来自地球的信号，因为这种信号全都是固定在地球表面的坐标发出的信号，跟上述情况完全不同。因此，地球信号在META数据里就会呈现“啁啾效应” [7] 。

那么地外信号将包含什么信息呢？科可尼和莫里森建议寻找那些最开始的质数：2，3，5，7，11，13……事实上，这就是在“忠诚” [8] 一集里，为了让捕获者知道他们正面对一种智慧物种时，皮卡德所敲出的那串数字。这种数字并不常见，几乎不会来自恒星表面风暴的脉冲。而且这也就是朱迪·福斯特在卡尔·萨根和安·德鲁扬的影片《超时空接触》里，第一次得到有关地外智慧生命的证据时，所发现的那种信号。而META的研究人员正在寻找一种更加简单的信号：固定在某一频率上均一稳定的信号，因为这种载波是很容易寻找的。

霍罗威茨和他的合作伙伴，康奈尔大学的天文学家卡尔·萨根，汇报过对META共5年数据的分析结果。在探测到的100万亿的信号中，有37例候选事件是独立发生的。但是这些信号再也没有重复出现过。霍罗威茨和萨根倾向于认为，这些数据至今仍然没有提供明确的证据。最终结果就是，他们通过这些失败的测量，给那些想要与我们联系的高等智慧文明设置了一个数量限制，不论离我们太阳系有多远的距离。

在早期的实验之后，并且也是这本书的第一版发行之后，一个更加精密的实验启动并进行至今，那就是SETI—寻找地外文明实验。事实上，读者们也可以在家里通过一个程序参与到SETI里面来，因为它是利用电脑闲置的时间来帮助分析数据的。除此之外，新型的光学SETI程序已经开始着手寻找闪烁信号了。搜寻外星人这个科学领域曾经孤寂而冷清，而现在充满了激情与活力。

虽然我们为搜寻外星人的信号付出了难以估计的努力，但也只有很小范围的频率被探索过；并且只有功率巨大的信号才能被我们探测到，其功率比地球上所有人类活动产生的总功率还要大。但我们也没有必要悲观，银河系还是相当广阔的。

搜寻还在继续。虽然我们尚未监听到任何东西，但是这也无法阻止我们前进的脚步。我的朋友哈佛物理学教授西德尼·科尔曼曾说过买房子的问题，就跟这差不多：你不应该因为看了上百个房子仍没找到想要的而沮丧，你只需要喜欢上一个就够了。一个确切无疑的信号—尽管听到它的希望很渺茫—将改变我们思考宇宙的方式，同时也将预示着人类进化新纪元的开始。

虽然我们与地外文明的初次接触，不是通过星舰直接去拜访的话，是很令人沮丧的。不过要记得，进取号曾经遇见过的高级文明—塞西瑞恩人 [9] 的做法：他们不是自己通过星际旅行而去接触其他文明，反倒是将其他星际旅行者带到自己面前来。在某种程度上来说，这就是我们监听其他恒星的信号想要达成的目的。

［第九章］
各种可能性

“探险在等待着你！不是绘制恒星地图，也不是研究星云，而是记录那些未知的存在。”

—出自“曲终人散” [10] ，Q对皮卡德所说

《星际迷航》系列在电视上放送的19年里，编剧们挖掘了物理领域里几乎所有最令人激动的创意。他们有时候把握得很准确，有时候则夸大了事实。他们有时候只是照搬了物理学家用的名词术语，有时候还把有关的想法融合了进去。他们所涉及的话题简直就是一篇现代物理的综述：狭义相对论、广义相对论、宇宙学、粒子物理、时间旅行、空间弯曲和量子涨落等等，不一而足。

在本章里，我将简单展示一下《星际迷航》中所用到的现代物理学中的更有趣的想法，特别是那些我在前几章中没有集中介绍的概念。由于那些想法都丰富多彩，不尽相同，我在这里就以术语集的形式进行一下汇总，不过顺序和主题都是随性安排的。在之后的一章，我会以类似的形式来讲述《星际迷航》中很明显违背物理学原理的错误，一些来自物理学同行，另一些则是从众多影迷的问题里选出来的。在这两章里，我会集中讨论十个例子；但事实上还有很多可选的内容。

1．银河系以及宇宙的尺度

银河系是《星际迷航》剧情开展的舞台。纵观整个系列，各种各样不同尺度的星系距离在情节进行中发挥了关键性的作用。从《星际迷航》第一部电影里形容威者星云尺寸大小的AUs [11] ，一直到光年，各种不同的单位都曾被用到过。而且我们银河系的许多特征也曾被提及，包括一个在银河系中心的“巨大的屏障”（出自《星际迷航5：终极先锋》），以及在原初系列里，银河系边缘的“银河屏障”（出自“前人未至之地”“以他人之名”“没有真实的美吗” [12] ）。因此，为了更好地描述《星际迷航》中故事所发生的环境，我们最好先了解一下银河系和相邻的星系，以及各种宇宙距离的常识。

因为千米或者公里在表达天文距离时，需要使用很大的数字，所以天文上很少使用这种传统的计量单位。天文学家们创造了一些看起来更合理的基准长度。AU就是一个这样的单位，它表示地球到太阳之间的距离。这是太阳系里的特征长度，例如在被逐出太阳系之前，最外侧的行星——冥王星——距离太阳大约就是40AU。在《星际迷航：无限太空》中，威者星云的直径被描述为82AU，这是极其巨大的——事实上比我们整个太阳系还要大！

为了比较星际距离，更便利的做法是将其换算成光走过同样距离的时间（或者进取号以曲速1航行那么远所用的时间），日地距离大约就用8分钟（这应该也是光从大多数M级行星到所属恒星所需花费的时间）。因此，可以说1AU就是8光分。相比之下，太阳到距其最近的恒星半人马座α星——一个双星系统，居住着曲速引擎的发明者泽弗里·科克伦——大约有4光年！这是银河系中恒星之间的特征距离。要是火箭以现在的速度从地球飞向半人马座α星的话，大约要用上1万年。不过用曲速9——大约1500倍光速——来航行的话，1光年的距离只用花6小时就够了，距我们4光年的半人马座α星1天就能到达。

太阳距离银河系中心大约有25000光年。即使达到曲速9级，也要花十五六年来航行。所以，现实中，赛波克 [13] 劫持了进取号之后，是不可能像在《星际迷航5：终极先锋》里一样，把它带到银河系中心的，除非进取号本来就在银河系中心。

银河系是一个螺旋星系，有着由恒星组成的巨大银盘。银盘直径约为10万光年而厚度只有0.2万光年。航海家号在《星际迷航：航海家号》第一集里被传送到地球以外7万光年的地方去了，那应该就出现在银河系的另一头。以曲速9航行的话，星舰要花上50年才能回到太阳附近，因此这就是航海家号最终要寻找一条捷径回家的理由。

银河系中心是巨大的银核——一个恒星密集区——宽度大约有数千光年。据猜测，那里可能有一个数百万太阳质量的黑洞。而其他星系的中心也可能存在一百万到数十亿太阳质量的黑洞。

环绕着银河系的是近乎球形的银晕，它们由古老的恒星组成。在这里发现的球状星团由数千颗恒星组成，是银河系里最古老的部分；这些星团根据现在的测定可能有120~130亿年的历史——比“英雄崇拜” [14] 一集里的“暗黑星团”还要古老，“暗黑星团”据说有90亿年历史。一个包含“暗物质”（接下来会提到）的更大的球状晕环包围着银河系。这个晕环在所有类型的天文望远镜下都是不可见的；它是从银河系中恒星以及星际气体的移动中推断出来的，其质量大概是银河系已观测物质质量的10倍。

银河是一个中等规模的螺旋星系，包含了数千亿颗恒星。而可观测的宇宙中大约有4000亿个星系，每一个星系或多或少都包含有这么多的恒星！我们所见的星系中，几乎70%都是螺旋的；其他星系的形状比较接近球形，被称为椭圆星系。他们中最大的巨椭圆星系比银河系质量大上10倍。

大多数星系都聚集成星系团。在银河所处的星系团里，最近的星系像卫星一样环绕我们。它们就是大小麦哲伦星云，在南半球就可以看见。离我们最近的大型星系大约有200万光年远，即仙女座大星系——在“以他人之名” [15] 里，凯尔文人接管进取号的目的就是回到那里的故乡。但是以曲速9航行的话，去那大约要花上1000年！

由于光的传播是需要时间的，当我们观察得越远，所看到的就越是遥远过去发生的事情。我们用电磁传感器能观测到的最远的信号，大约是宇宙诞生30万年时发出的。在那之前，物质以高温等离子体的形式存在，而这对于电磁辐射是不透明的。当从所有的方向观测时，看到的是光与物质最终“解耦”后发出的辐射。这就是众所周知的宇宙背景辐射。通过NASA在1989年发射的COBE卫星来观测这种辐射，我们得到了宇宙在30万年时的图像。这个图像揭示了宇宙大爆炸后最初的瞬间所留下的痕迹，展现出了宇宙大尺度的结构；由于这个重要的结果，COBE的两个主要研究员获得了2006年诺贝尔物理学奖。

最后要说的是，宇宙还在均匀地膨胀着。这就导致在观测上，相对于我们，遥远的星系都在不断退行着——而且越远的星系退行速度越大，其速度正比于它离地球的距离。膨胀的速率由哈勃常数的大小来表征，具体来说就是，距此1000万光年的星系平均以150到300千米每秒的速率远离我们。反推回去的话，在大约140亿年以前，所有已观测到的星系是聚在一起的，而那就应该是宇宙大爆炸的时间。正如我之前讨论的，因为宇宙大部分能量存在于真空之中，所以宇宙膨胀的速率是在增加，而不是在减少。

2．暗物质

我刚才提到过，我们的银河系似乎浸没在一片看不见的物质组成的巨大海洋里。通过研究恒星，氢气云，以及大小麦哲伦星云围绕银河系中心的运动，并运用牛顿定律将轨道物体速度与力（质量）相关联，计算出近似球形的暗物质其延伸范围，大约是地球到银河系中心距离的10倍。而暗物质占银河系总质量超过90%。不仅如此，我们观测其他星系包括椭圆星系，以及星系团的运动时也发现，这些系统的质量要比其中可见物质提供的质量要大。因此宇宙中大部分质量看起来好像被暗物质所占据着。宇宙中的物质，有超过90%是暗物质，不过它们只占所有能量的30%，而剩下的70%能量则存在于真空之中。

暗物质的概念出现在《星际迷航：下一代》《星际迷航：深空九号》《星际迷航：航海家号》和《星际迷航：进取号》系列电视剧中，不过是以一种偏娱乐化的方式呈现的。举个例子，在《星际迷航：航海家号》的“全神贯注” [16] 一集里，星舰进入了一片“暗物质星云”，正如你能想象到的那种字面上的意思，这片星云就像一团乌云一样，你看不到里面的东西。进取号也遇见过类似的东西，包括之前提到的“暗黑星团”。在《星际迷航：深空九号》里，本杰明·西斯科也向暗物质星云寻求过庇护。但是，暗物质最突出的特点不是它遮挡住了光，而是它根本就不发光——即不会放出辐射——甚至对辐射的吸收也相当不明显。要是它能够产生以上任何一种作用的话，就会被天文望远镜给探测到。如果我们身处于暗物质云里的话——很可能我们确实身处其中——应该根本就看不到它才是。事实上，在前不久播出的《星际迷航：进取号》的剧集里，亚契舰长就发现了一种不可见的暗物质星云，它更接近其实际的概念。最终，他和特珀向里面发射了一系列导弹，激发了暗物质并使其发光了。不过不难想象，考虑到我们目前对于暗物质的猜测，以及对其最合适的候选粒子的估计，剧中的做法就是一种夸张的表现而已。

关于暗物质的性质、来源和分布的问题，可能是当今宇宙学中尚未解决的问题里最激动人心的一个。由于这种未知的物质主宰了宇宙的质量密度，它的分布很可能决定了可观测物质如何和何时在重力作用下产生星系团、星系和行星。宇宙就是因为暗物质而变得如此有趣，而我们也是因为它才得以存在于此。

还有一个强有力的论点使这个问题更加有意思了：组成暗物质的粒子可能与组成通常物质的完全不同，组成暗物质的并不是质子与中子。根据早期宇宙中核反应速率和接下来轻元素的形成，以及宇宙微波背景辐射的观测，再加上对这几个独立限制条件的计算，种种结果表明，仅仅靠质子与中子，无法解释星系和星团中暗物质的总量为何如此之大。我们知道早期宇宙中，最初物质分布的微小涨落引起了高温等离子体的碰撞，才促使今天所见的星系和星团形成；考虑到这种情况，某类新型的基本粒子——不与电磁辐射发生相互作用的基本粒子——应当被包括进来。如果暗物质确实由这种新型的基本粒子组成的话，那么：

（1）暗物质就不仅仅是“在那边”了，它就在你读这本书所处的房间里，不知不觉地穿过你的身体。这些奇异的粒子将不会聚到一起形成天体；它们将形成弥漫的“气体”在银河系里流动。由于暗物质最多只发生微弱的引力作用，它们将轻易地穿过像地球这么大的物体。事实上，像这样的粒子，在自然界中也存在实例——就是众所周知的中微子（《星际迷航》的影迷们也应该相当熟悉了，我之后也会讨论的）。

（2）如果使用复杂精密的基本粒子探测技术的话，暗物质在地球这里也是可能被探测到的。目前人们已经能够制造种类繁多的探测器，其灵敏度可用于检测各种不同的暗物质候选粒子。

（3）这些粒子的探测可能会引起基本粒子物理的革命。很有可能这些粒子是极早期宇宙演化过程的产物，远早于宇宙诞生后1秒的时间；而可能涉及的能量尺度，接近甚至超过我们现代加速器所能达到的水平。

当然，同样令人激动的是，我们并不能完全确定暗物质就是来自未知的物质。有相当多的方法可以将质子与中子放到一起而不使它们发光。举一个例子，如果我们把银河系填上雪球或者冰砾的话，那这些小东西是很难探测到的。如果用这种方案解释暗物质来源，那银河系中应该存在许多和恒星差不多大的物体，同时它们核心区域太小又无法发生核反应，这就是所谓的褐矮星，戴达和他在进取号上的同事们曾经讨论过这个（比如在“搜捕” [17] 这集里）。事实上，我们有办法判断褐矮星——在这里就可以理解为MACHOs（Massive Astrophysical Compact Halo Objects的简写，指晕内大质量高密度天体）——是否为银河系暗物质晕环的主要组成部分。虽然这些天体都没有办法直接观测，但如果其中的某一个经过恒星的前面的话，恒星的光就会被它的引力影响而变得更亮。这就是爱因斯坦早在20世纪30年代预言的“引力透镜”效应，现在我们已经有技术手段来探测了。在20世纪90年代进行的几个实验，观察了银河系中不下百万个恒星，以寻找这种引力透镜效应的发生。虽然我们确实观察到了一些透镜效应，但这些数据也清楚地表明——跟之前的预期一样——MACHOs不可能是环绕银河系暗物质晕环的主要来源。

3．中子星

没错，中子星就是大质量恒星发生超新星爆发后坍缩形成的核。虽然它们的质量通常比太阳的大一些，但它们极其致密，因为尺寸只有曼哈顿那么大！此时，《星际迷航》的编剧们再一次在创造术语方面展现了非凡的才能。进取号好几次遇见了一种出自中子星里的材料——编剧称其为“零号元素” [18] 。同时，由于中子星几乎全是由中子组成的，并且每个中子结合得十分紧密，以至于整个星球基本上就可以看作一个没有质子的巨大的原子核，故零号元素一词用在这里也十分恰当。出自与这个兵器同名的剧集里 [19] 的末日机器，貌似就是用纯的零号元素制造的，这也就是星际联邦的武器根本无法撼动它的原因。但是为了维持这种物质的稳定，它必须处在难以置信的高压下，这种压力只能由半径15千米的大质量天体的引力产生。因此，在现实世界中，零号元素这种物质只能作为中子星的一部分而存在。

进取号有数次任务都十分接近中子星。在“进化” [20] 一集中，当纳米机器人开始蚕食星舰的计算机时，船员们正要研究一颗快要爆发的中子星，因为它在吸积星际物质。在“完美社会” [21] 一集中，进取号必须要让撞向摩押IV的星核碎片偏离轨道。

毫无疑问，银河系中有数百万颗中子星。大部分中子星内部天生就有巨大的磁场。如果它们自转很快的话，就会变成极好的无线电信标。由于辐射从它们的两极发射出来，如果磁场随着自转轴向而倾斜的话，那么一个旋转的信标就产生了。在地球上，我们称这种无线电发射源为脉冲星，并探测它们周期性的无线电脉冲信号。在星际空间中旋转的脉冲星是宇宙中最好的时钟。脉冲星的信号可以达到每年1微秒的误差精度。而且有的脉冲星每秒会产生超过1000个脉冲信号。这就意味着一个有着太阳质量大小，而直径才仅仅10~20千米的东西——实际上是一个巨大的原子核——正在以每秒超过1000次的频率旋转着。想想就很让人惊讶，中子星表面的旋转速度几乎达到了光速的一半！脉冲星的存在向我们展现了自然界造物的神奇，甚至比《星际迷航》的编剧创造的东西还要超乎想象。

4．其他维度

在“索利安人的网” [22] 一集里，詹姆斯·T·柯克往返于不同的时空中；造成这个现象的原因就是不同维度的平面通过“螺旋界面”短暂的相连了，因此组成了其他的“平行宇宙”。在两季之前的“另一种因素”一集中 [23] ，柯克也遇见过平行宇宙——一个由反物质组成的宇宙；以及在“镜子，镜子”里 [24] ，通过传送器进入的宇宙。在《星际迷航：下一代》里，还有由Q连续体，保罗·曼海姆博士发现的一种现象，可以利用非线性时间从而“进入其他维度的窗口”。当然还有包含无穷多维度的子空间本身：像在“分裂” [25] 这一集中，绑架了瑞克中尉的这一类外星人就能藏匿于其中。

目前有一个概念非常深入人心，那就是我们所居住的四维时空，由于某种原因并不代表所有维度。最近哈佛大学的精神病学者写了一本畅销书，其中分析了那些声称曾经被外星人劫持的各种各样的病人（但在医学院引起了一些麻烦）。在一次采访中，当被问到外星人来自哪里以及来的方式的时候，他就暗示说：“他们来自另一个维度。”

毫无疑问这种对额外维度的迷恋是深受狭义相对论影响的，正如我在最近的一本书《藏在镜中》里说的一样。在赫尔曼·闵可夫斯基将三维空间和时间并构成四维时空之后，很自然地就假定这个过程是可以再继续进行的。不仅如此，在广义相对论证明我们所认识的引力与时空弯曲有关之后，其他力也可能与尚未发现的其他维度有关，从而这种推测也变得不那么奇怪了。

这种推测最早是由德国数学家西奥多·卡鲁扎在1919年做出的。在1926年，瑞典物理学家奥斯卡·克莱因也独立地提出了同样的推测。他们提出，电磁力与引力可以在五维宇宙里统一起来。可能电磁力就是第五维度的某种“弯曲”，与引力对应于四维时空的弯曲是一样的。

这是一个很漂亮的理论，不过还是存在一些问题。事实上，在我们思考宇宙中任何额外维度的方案时，必须要解答以下问题：为什么我们不能感受到时间和空间以外的这些额外维度呢？克莱因提出了一个很重要的回答，因为物理学家在考虑宇宙中更高维度的可能性的时候，这样的问题反复出现。

想象一个圆柱体以及一只有智慧的虫子如图9-1。只要圆周长大于虫子的大小，它就可以沿着两个方向移动，然后以为自己正在一个二维表面上爬行。

图9-1

但是，如果圆周变得很小，直到这只虫子认为它在一个一维的东西上爬行的时候——即一条线或者一根弦——就只能向上或者向下了。（如图9-2）

图9-2

现在想想这只虫子怎么才能发现，真的有其他维度沿着圆周的方向呢。用显微镜的话，就可以找出“弦”的宽度了。但是，要分辨这么小的尺寸，所需要的辐射波长应该与圆周直径相当或者更小。正如我在第五章讲到的，因为只有在物体尺寸至少与波长可比的时候，光才会发生散射。由于辐射能量与波长成反比，那分辨这个“额外维度”的时候，就会有一个确定的最小能量。

如果第五维度以某种方式“卷曲”在一个小圈里，那除非我们在一个点上集中巨大的能量，否则我们将不能用波的传播来探测其存在，那这个世界也就等效变成四维了。毕竟，我们知道空间之所以是三维的，是因为我们的波可以在所有的三个维度上传播，以此来探测这些维度的存在。如果我们需要送进第五维度的波所要求的能量，比加速器所产生的最高能量还大的话，那就根本不可能有办法感受这额外的维度了。

不管它内在意义如何，卡鲁扎-克莱因理论并不完整。首先，它没有解释为什么第五维度卷曲在一个小圈里。其次，我们现在知道自然界中，除了引力相互作用和电磁相互作用外，还存在其他两种基本的作用——强相互作用和弱相互作用。那为什么仅限于五个维度呢？为什么不考虑足够的额外维度来把所有的基本作用都囊括进来呢？

事实上，现代粒子物理已经考虑了这种可能性。这种尝试在这本书第一版发行的时候就出现了，就是我之前提到的——弦论。它一开始旨在扩展广义相对论，以建立一个统一的量子引力理论。但随着理论发展，最终统一所有相互作用的目标就出现了。

我也已经说过，要发展一套广义相对论和量子力学相协调的理论，将面临许多挑战。主要困难在于如何理解量子涨落在四维时空中的处理方式。在基本粒子物理理论中，场的量子激发态——如电场——表现为基本粒子，或者量子。如果要尝试理解引力场的量子激发——在广义相对论里，涉及时空的量子激发——在数学上将导致毫无意义的结果。

弦论的优势就在于，它假定在量子引力效应发挥主要作用的微观尺度上——通常大小在10~33厘米，我们所认为的点状基本粒子其实是有结构的，仔细分辨，它们应该是振动的弦。粒子的质量将与这些弦振动的能量相关联。

之所以做出这样一个奇怪的假设，是因为在20世纪70年代发现，这种理论所要求的粒子与时空——即引力场的量子激发所具有的性质是一致的。广义相对论因此就嵌入到一个可能与量子力学相协调的理论中去了。

然而弦的量子理论在四维、五维甚至六维下都无法在数学上自洽，只能在十维或者更高维数上才可以。雷金纳德·巴克利在被塞西瑞恩人的探测器破坏重组后 [26] ，暂时拥有了1200的智商。然后他就和全息甲板中的爱因斯坦深入地讨论了一下，哪种方案能够更好地将量子力学与广义相对论结合起来。

过多的维度可能看起来很累赘，不过很快人们就意识到这种多余也提供了新的可能性。可能自然界中的所有基本力都能在一个十维或者更高的维度下统一起来。在这样的理论中，比四维更高的维度将在普朗克尺度下（10⁻³³ 厘米）卷曲起来——正如巴克利中尉总结的——并且以现在的技术手段是无法测量的。

不过希望也就仅限于此了。在35年过后的今天，我们依旧不知道这个试探性的弦理论是否能演变出一种“万物理论”（Theory of Everything）来。实际上，这个理论也在随时间演变着，因此弦本身可能并不是这个理论中最重要的部分，甚至理论中的维数也都不是完全确定的，只要理论机制保证只有四个维度是最大的就可以。就像之前指出的，在这种理论中，我们的宇宙可能并不是特别的，可能存在许多种截然不同的宇宙形式，只不过其中某一种与我们的类似罢了。由此一来，这样一个理论与其说是“万物理论”，不如说是“万有理论”，因为它无所不包，超出“某种东西的理论”的范畴。

归根究底，这么长篇大论的意义就是要强调这样一个观点：是的，宇宙中确实很有可能存在额外的维度。事实上，这种预期不是没有根据的。不过这些额外维度不是，也不可能是那种绑架精神病患的外星人（或者绑架副舰长瑞克那种）所居住的地方。这种额外维度是不能与四维时空弄混淆的。它不会像《星际迷航》中“子空间”那样，允许宏观物体从一个地点通过其他维度穿越到另一个地点。

尽管如此，在过去十年里，理论物理中有一些新鲜有趣的可能性被提出来了，这些模型就更接近《星际迷航》里所描述的额外维度。这些理论认为如果只有引力这种极弱的力才能与那些额外维度发生作用的话，那它们就可以展开很大的尺度而又保持不可见的性质。这样的可能性引发了人们极大的兴趣，因为较大的额外维度在原则上能被实验探测到，比如测量引力在不同尺度的性质，或者寻找新的粒子加速器中异常的现象。虽然这确实是一个赌注，但也很令人着迷：我们的宇宙可能被嵌入到一个高维无穷大空间中去，其中包含了“邻近”的四维或者高维的空间；而其他各种星系，行星甚至外星人都可能以《星际迷航》里那种方式存在。唯一不同的就是，我们的宇宙将永远不可能接触到它们，因为我们的原子以及束缚这些原子的力，只能在我们的四维时空里发生作用。所以，虽然这些想法让《巴卡路-班仔的大冒险》蒙上了阴影（它与《星际迷航》有着很有意思的关联。我曾在《深空九号》剧集里的电梯上，看见一个引自这部电影的浮雕，当时我正和迈克·奥田一起参观拍摄场景），但不管怎样他和副舰长瑞克都从劫持的外星人那安全归来了。

我们也不能排除这样的可能性：存在微观甚至宏观的“桥梁”通往其他没有相连的（或者平行的）宇宙。确实在广义相对论里，空间曲率特别大的区域——黑洞或者虫洞内部——被认为是可以连接其他原本不相连或者跨度很大的时空区域的。我知道要是根据现在的宇宙图像的话，在黑洞或者虫洞之外来预期这样的现象是没有道理的；但既然不能完全排除这样的可能性，我认为联邦星舰就可以自由地寻找那些额外的维度。

5．任意子

在《星际迷航：下一代》“下一相位” [27] 一集中，一个增加了新的罗慕伦隐身装置的传送器，可以将“异相”物质与其他物质放在一起，从而导致乔迪·拉弗吉和罗·拉伦消失了。他们被认为已经死亡了，不过其实只是看不见了而已。他们也没有办法与外界交流，直到戴达为了其他目的改造了一个“任意子发射器”之后，奇迹般地让他们“失相”了。

如果《星际迷航》的编剧们从未听说过任意子的话——我敢打赌他们没听说过——那他们能凭空编造出这样一个合适的名字就着实令人诧异了。任意子是理论上构造的一种粒子，由普林斯顿高等研究院的物理学家，我的朋友弗朗克·韦尔切克和他的同事们提出并命名的。而且他还提出过另一种粒子——一种暗物质的候选，叫作轴子，名字来自于一种洗涤剂。“轴子芯片”也在《星际迷航》中出现过，是一种先进机器人神经网络的一部分。

在我们居住的三维空间中，基本粒子根据其自旋的不同被定为费米子和玻色子。我们给每种基本粒子赋予了一个量子数，表示它们自旋的大小。这个数可以是整数（0、1、2……）也可以是半整数（1/2、3/2、5/2）。于是，具有整数自旋的粒子被称为玻色子，具有半整数自旋的粒子被称为费米子。费米子与玻色子的量子力学行为是不同的：当两个全同的费米子交换位置的时候，描述它们性质的量子力学波函数会乘上-1，而全同玻色子交换位置，波函数将不发生改变。因此，两个费米子不可能出现在同一位置，因为如果这样，它们交换位置后所有状态都没有发生任何改变，但是波函数却乘上了-1，所以满足以上情况的结果就只有它们全都为0。因此，波函数也就相应的化为0了。这就是著名的泡利不相容原理——最初应用在电子上——表述为两个全同费米子不能同时占据相同的量子态。

当我们只允许粒子在两个维度上运动时，用在三维空间的量子力学原理就会改变，就如同下面这些情况里发生的一样。就像进取号遇见的二维生物被迫在二维空间中行动；或者更实际一点的，在现实世界中，适当调整固体的晶格结构，可以限制电子只在二维平面里运动。这样自旋就不再是量子化的，而是可以携带任意大小的值。因此，除了玻色子（整数）和费米子（半整数）外，任意子（任意数）也可以存在了。这就是韦尔切克和他同事们的想法，也是任意子名字的来历。

现在回到《星际迷航》编剧那里，有一个特别有意思的地方：我们在交换全同粒子时，给波函数乘上的那个因子就叫作“相位”。费米子波函数乘上了一个-1的相位，而玻色子乘上了1的相位因此保持不变。任意子乘上的是模为1的复数，即其中含有一部分虚数（虚数就是负数的平方根），因此在正常粒子乘上实数的角度看来，就有一部分相位是在定义之外的，即发生了“异相”。所以，要是安装了一个“任意子发射器”的话，那就会改变某些东西的虚数相位，从而有机会使“异相”解除，这难道不是很有可能的吗？

6．宇宙弦

在《星际迷航：下一代》的“失落” [28] 一集里，进取号的船员们遇见了迷路的二维生物。这些生物居住在“宇宙弦的碎片”里。在本集中，这个概念被描述为空间中的无限小细丝，有着强大的引力作用而且以一系列“子空间”的特征频率振动着。

事实上，宇宙弦在理论上是早期宇宙相变的产物。有一位研究这类理论问题的权威学者在凯斯西储大学任教，因此我时常能听到宇宙弦的内容。它们的性质在某些方面确实和进取号遇见的东西有相似之处。

在物质发生相变的时候——比如当水沸腾或者结冰的时候——这种物质的成分组合和粒子排列将会发生变化。当水结冰的时候，它形成了一种晶体结构。在晶体沿着不同的方向生长之后，就会形成随机的线条，产生出冬天玻璃上那种好看的形状。在早期的宇宙经历相变期间，物质、辐射和真空（就是那种携带未知能量的）都发生了改变。有时在这种相变发生的时候，宇宙的许多区域进入了不同的状态中。随着状态的演变扩张，他们最终碰到了一起——有时在一个点上，有时是沿着一条线，在交接处就形成了一个边界。能量在这些边界处受限形成了所谓的宇宙弦。

我们不知道宇宙弦实际上怎么在宇宙初期形成的，但如果它们能留存到现在的话，就会产生一些迷人的效应。它们几乎无限细——比质子还细——因此携带的质量密度将变得十分巨大，达到每厘米一万亿吨重。它们可能形成了星系的种子，使物质不断聚集而最终产生星系。它们也同样会“振动”，不过不是产生子空间谐振而是引力波。事实上，我们完全可能在直接观察到宇宙弦本身之前探测到它的引力波信号。

在过去十年里，由于弦论尝试着介入，宇宙弦的研究正发生着转变。据推测，在十维或者十一维振动的基本弦可能会产生四维的残渣，而这就可能是在宇宙极早期出现的宏观宇宙弦，因为它会产生早先研究的宇宙弦所引发的全部效应，甚至更多。到目前为止，还没有证据支持这种理论，但它重新燃起了人们检验宇宙弦产生的宇宙学现象的兴趣。

这些东西都与《星际迷航》里的弦多多少少有些相似，不过区别当然还是有的。通过宇宙弦形成的方式我们就可以知道，它是不可能以碎片的方式存在的。它们只能以闭合的环状或者单根蜿蜒穿过整个宇宙的曲线状存在。除此之外，虽然它们有着巨大的质量密度，宇宙弦对于遥远的物体没有任何引力作用。只有当宇宙弦经过时，物体才能感受到一个瞬间的引力作用。不过，这些都是很细微的问题；整体上来说，在宇宙弦的问题上，《星际迷航》的编剧们处理得还是相当好的。

7．量子计算

《星际迷航：下一代》最后一季的“平行世界” [29] 一集是相当棒的，沃尔夫在这集里开始在不同的“量子现实”之间跳跃。虽然有一些错误，但是这集触及量子力学里最引人入胜的一个方面——量子测量理论。

因为我们生活在量子现象无法被直接观察到的宏观尺度，人们所有的物理直觉图像都建立在经典的宇宙特征上。因此，当我们讨论量子力学时，经常使用经典的语言来描述，以便于更好地解释与了解量子力学的世界。这种方法通常被认为是“量子力学的诠释”，这迷住了许多科学界的哲学家，但这只是徒劳。其实真正应该讨论的是“经典力学的诠释”，即如何用量子力学的一套理论来解释我们看见的经典现象。因为我们的世界实际上是量子力学的，而经典力学只是现实的一种近似而已。

如果一定要坚持用经典概念来解释量子力学现象的话，我们将不可避免地遇到一些看起来自相矛盾或者毫无可能发生的现象。现实就是这样，经典力学注定无法合理地解释量子现象，同时也没有任何理由能够让经典描述放之四海而皆准而不考虑适用范围。

在这样强调之后，我就尽量用不产生误导的方式来解释以下问题，不过还是使用经典力学的术语，因为这样最合适也最方便。虽然和其他物理学家一样，我也可以用合适的数学语言来描述量子力学，但我所依赖的物理图像都是直接源于经典世界的经验的。

我曾在第五章间接提到过，量子力学最明显的一个特点就是：物体被观测到具有某些属性，但这些属性在被观测前都不能说是它所具有的，直到观测发生的那一瞬间才确定。观测这一行为本身将会改变我们考虑的物理系统的状态。系统的量子力学波函数完全描述了这个系统在任意时间的状态，并且其随时间的演化方式也完全由物理定律来决定。但是，让结果看起来诡异的原因是：波函数能够同时包含两种或者以上无法并存的状态。

举个例子，如果一个粒子沿着顺时针自旋，那么就说它自旋“向上”；如果沿着逆时针自旋，就说它自旋“向下”。现在，一个粒子的量子力学波函数可以将两种相同的可能性加在一起：自旋向上和自旋向下。但是如果你测量自旋的方向，你只能测到它要么向上要么向下。一旦你实施了测量，粒子的波函数将从那时起只包含你测出的那个分量；如果你测到自旋向上，那么你接下来的测量中它都表现为这个值。

这种图像将带来一个问题。你可能会问，一个粒子在测量以前是怎么同时自旋向上又自旋向下的呢？正确的答案是它哪个状态都不是。它自旋的状态在测量以前是不确定的。

量子力学波函数在描述一个物体时并不限定于单一的可观测量，而在我们考虑活的东西时，这个事实尤其令人烦恼。最著名的悖论就是“薛定谔的猫”（20来岁的埃尔温·薛定谔是19世纪那个时代的先锋青年，当时他帮助揭示了量子力学的原理。著名的量子力学波动方程就被称作薛定谔方程。）想象一个盒子，盒子里有一只猫。而固定在盒子上的枪瞄准着这只猫，枪口后连着一个放射源。这个放射源在任何给定的时间里有特定概率发生衰变。当它发生衰变的时候，这把枪就会开火杀死这只猫。那么，在我打开这个盒子之前，描述这只猫的波函数是死猫和活猫的线性叠加吗？这看起来很荒谬。

类似地，我们的意识总是唯一而清晰的，并不是不确定的。意识的行为是一种测量吗？如果是的话，那么我们就可以说在任何瞬间都有一个非零的量子力学概率，决定着一系列不同的结果产生，而我们的意识行为决定了我们经历哪种结果。那现实将有无穷多可能性的分支。在每个瞬间，我们的意识决定了我们所处的分支，但是其他无数的可能性也都先验地存在着。

这种量子力学的“多重世界”的诠释——比如在量子力学波函数的其他分支里，史蒂芬·霍金正在写这本书，而我则为其写了前言——就是可怜的沃尔夫的苦难之源。事实上，戴达在剧集中也说过不少这样的话。当沃尔夫的船穿越“时空量子裂缝”的时候，他同时发射了“子空间脉冲”，就“破坏”了不同量子现实之间的屏障，导致他开始在波函数的一个分支上随机跳到另一个其他时间的分支上去，经历了无数可能的量子现实。这当然在真实世界里不可能发生，因为一旦做出了测量，这个系统包括测量仪器（在这个例子里连沃尔夫本身也算“测量仪器”）都发生了改变。一旦沃尔夫经历了一种现实，就再也回不去了……或者我应该从另一个角度来说，那经历本身就是现实。而这是量子力学的本质所要求的。

在同一集中，还有另一个量子力学的特征被提到了。进取号的船员们能够分辨来自另一个“量子现实”的理由是，在他“原子层级的量子信号”与这个世界的不同。根据戴达的说法，这种信号是独一无二的并且无法被任何物理过程所改变。这当然是有编造成分的技术黑话；但是这确实与量子力学中一些有趣的东西有关。一个系统所有状态的完全集叫作希尔伯特空间，是由德国著名数学家希尔伯特命名的。除此之外，他还差点在爱因斯坦之前发展出广义相对论。希尔伯特空间有时候会分开成离散的区域，叫作“超选择区”。在这种情况下，没有局域的物理过程能够从一个区移动到另一个区。每一个区都被一些特定的物理量标记了——例如，系统的总电荷量。如果把这件事说得更有韵味的话，那么就可以说这个量为该区域提供了一个独一无二的“量子信号”，由于所有局域的量子操作都保持在同一区域，那所有操作和观测的行为都被这个量决定了。

但是同一个系统中不同的量子力学波函数的分支必须在单独的超选择区里，因为原则上它们中的任何一个都是在物理上可以实现的。所以，沃尔夫的不幸之处在于，即使他从一个分支跳到了另一个分支后，违反了量子力学的基本原则，也不会有其他现象来证明他的经历。

量子力学以多重世界来诠释的关键点（或者对类似现象的其他诠释）在于你永远不可能同时经历一个以上的现实。而且值得庆幸的是，还有其他物理法则将阻止这种不合理的现象，比如这集最后在不同现实里出现的大量进取号。简单的能量守恒——纯粹的经典概念——就能够阻止它。

事实上，我知道有的文学作品里提到，不同的量子现实是可以进入的，而且在时间旅行也可能发生的背景下，更得到了巨大的拥护与支持。我之前说的时间旅行的悖论，有人就提出通过进入不同的量子分支来解决。这样的话，如果有人改变了未来，那就进入了另一个量子现实，不再是你开始的那个分支，从而避免了许多的问题。虽然这个解释听起来很好，但是我并不买账，因为我坚信它违背了许多量子力学基本的前提，包括可能性的守恒。但是不管怎样，在《星际迷航：进取号》中，那个完美的时间旅行者，船员丹尼尔斯经常用一些与时间旅行有关的神奇的量子设备，让这部剧变得很有趣味。我最喜欢的就是“量子识别器”，它可以帮助你标定要去的那个时间和日期。看来31世纪的物理学已经十分发达了，在高中的每个桌子上都摆了一台量子识别器。

不过在这本书第一版发行后，现实中又有了新的进展。它体现出量子力学最怪诞的方面：一个物体在被观测之前，可以同时处在任意数量的不同状态上。这个新进展名字就是“量子计算”，最初可能是由理查德·费曼提出的，但是也被IBM的物理学家们进行了深入的研究。他们在量子隐形传态方面有着很大的影响，如果有可能的话，这还将关系到大规模量子计算机的建造。

量子计算背后的想法是相对简单的。普通的计算都是通过对比特的操作来完成的，而比特就是独立的逻辑存储单元，标记为1或0。对比特的逻辑操作就是驱动我们现代世界的基本计算方式。量子计算机用的就是“Q比特”，或者“q比特”而不是通常的比特。q比特最简单的例子就是我之前说的粒子自旋。典型的做法是把自旋向上称作1，自旋向下称作0。但是正如我前面说的，在做任何测量之前，量子力学要求粒子实际上要同时处在所有可能的自旋方向上（在适当的配置下）。所以量子计算的想法就是利用单个q比特的这种性质，使用它的各种状态在同一时间来进行计算！只要我们在计算过程里不去测量单独的q比特（这将让它们回到上或下的确定状态），很容易想象这样的计算机将比现在的设备快上相当多的数量级，因为它可以进行大量的并行计算。在原则上这是可能发生的，而且量子计算机也确实有些独特的功能，比如说大数的质因子分解，这对普通的计算机来说有可能将花费比宇宙年龄还长的时间，而量子计算机在有限的可操作的时间里就能完成。要是这还不让你惊讶的话，下面这个你可能会感兴趣的。现在所有银行为保证信息安全所采用的加密方式就是基于大数质因子分解的。现阶段的话，这种密码是不能被计算机强行破解的，但如果量子计算机实现了的话，这种安全加密方式将退出历史舞台。

不过，量子计算机最大的问题就是要保证各个部分的“量子相干性”，甚至包括从q比特到q比特之间通过器件传递的信号。对于量子隐形传态来说，这就意味着系统需要跟外界的所有噪声和相互作用隔离开来。这实现起来是十分困难的，尤其是对宏观尺寸的系统来说，不过我们也可以拭目以待。《星际迷航》里量子计算机是可能存在的，因为对于星际联邦来说资金根本就不是一个重要的问题。毕竟，如果银行账户和商业贸易的安全都无法保障的话，那还何谈金钱的问题呢？

8．孤子

在《星际迷航：下一代》“新天地” [30] 一集中，进取号帮助比来纳III行星的杰多博士进行了实验。这里的“孤子波”是没有子空间色散产生波前畸变的一种波，打算用来驱动一艘试验船来进行没有曲速引擎的曲速航行。这个系统要求在航程的末端有一颗行星，以提供一个散射场来使孤波消散掉。这个实验的结果几近灾难，不过理所当然地在最后一刻化险为夷了。

孤子不是《星际迷航》编剧的发明。它是“孤波”的另一种说法，并且来自于1834年苏格兰工程师约翰·斯考特·拉塞尔最初观察到的一种现象。在为爱丁堡联合运河协会指导运河驳船设计的研究时，他发现了一些奇怪的现象。他原话是这样的：

我当时正在观察一艘小船的运动，它由两匹马在岸边拉着拉着沿窄河道快速地滑行。在船突然停下来的时候，它推动的那些水流并没有随之停下来，而是在船头剧烈地波动，聚集起来，然后突然离开那里，快速地向前滚动，呈现出一种圆润光滑的形状，清楚地形成一团的独立水波。接下来水波还在河道里持续前进，并没有明显地变形和减速。我骑上马背追赶着它，而水波仍以十四五千米每小时的速率前进着，保持着最初的形状——10米长，半米左右高。之后它的高度逐渐减小，最终在追赶了两三千米的路程之后，它在一个弯道上消失了。在1834年的那个八月，我初次看见了那样独特而美丽的现象，我把它称之为平移波。

斯考特·拉塞尔接下来创造了“孤波”一词来形容这个奇妙的现象，而这个术语就留存下来了，甚至以孤子一词在物理的不同分支领域里反复出现。更一般地来说，孤子就是非耗散的，可以点到点传播的，并以经典方式延展但大小有限的物体。事实上，正是由于这一点，在“新天地”剧情中那样的灾难才得以避免。首先，孤子不会“发射大量的无线电干扰波”。如果这样的话，它的能量将很快耗散掉。同样的道理，它也不会持续的获得能量或者改变频率。

通常的波是延展的物体，而且会在传播过程中耗散能量。但是，经典的力——来自于空间中称作“场”的一些作用——通常保持孤子的完整性，所以它们可以在环境中传播而不损失能量。因为它们是运动方程的能量自洽解，原则上它们表现得像基本粒子一样。事实上，在某些数学模型里，考虑束缚夸克的强相互作用后，质子可以被看成是一种孤子，要是这样的话，我们都是由孤子组成的了！基本粒子物理中提出了一些新的场可能形成“孤子星”——一个恒星尺寸的物体就是单一一个干涉场形成的。这样的东西目前还尚未被观察到，但确实是可能存在的。

9．类星体

在“天马号” [31] 一集里——其中说到了禁止联邦使用隐形设备的《阿尔杰隆条约》——皮卡德的进取号正在探索梅可利亚类星体。更早之前，在原初系列的“伽利略号上的七人” [32] 里，我们了解到最初的进取号有一个长期的命令就是去研究他们所遇见的星体。但不可能有星舰会在银河系边缘航行的时候遇见类星体这种东西。这是因为类星体是宇宙中已知的能量最高的星体（它们辐射的能量堪比整个星系，而同时又小到无法用天文望远镜看到）。类星体被认为是一些星系中心的巨大黑洞，同时还在不停地吞噬着宿主星系的中心物质。这是现在提出的唯一能够解释观察到的类星体能量与尺寸差异的机制。因为物质落入黑洞时会放出巨大的能量（因为损失了引力势能）。如果星系中心存在着数百万甚至数十亿太阳质量的黑洞的话，它们就可以吞噬整个恒星系，从而放出足够的能量来形成类星体信号。正是由于这个原因，类星体经常被称为“活动星系核”。同样也是这个原因，你也不想太过于靠近这种星体，因为这种接触将会是毁灭性的。

10．中微子

中微子是我在自然界里最喜爱的一种粒子，所以我把它留到最后来说。我将研究的相当一部分精力花在了这些小东西上，因为我们对它知道得太少了。而且中微子会告诉我们很多关于物质的基本结构以及宇宙的基本性质的信息。

在诸多《星际迷航》的剧集里，中微子曾多次被星舰使用和探测。例如，中微子读数增加就被认为是物体穿过贝久虫洞的信号。在“死敌” [33] 一集中，乔迪·拉弗吉的眼镜可以探测中微子，所以当中微子信标被发射出来定位的时候，他才能够从不宜居住的星球上被救出。

在“权利竞争” [34] 一集中还遇到过一种“中微子场”，一时干预了想要通过传送装置来登上进取号的某些非肉体生命的罪犯。

中微子是在解决中子衰变问题的时候，首次被预言存在的。虽然中子在原子核里是稳定的，但是自由中子平均十分钟就会衰变一次，变成质子和电子。电荷在这个过程中没有出现问题，因为中子是电中性的，而质子带一个单位正电荷，电子带有等量的负电荷。质子与电子的质量之和也差不多是中子的质量，所以在衰变过程中也没有多少富余的能量来产生其他有质量的粒子。

但是在衰变过程中，有时候质子与电子被观察到往同一方向行进。这是不可能的，因为每个被发射出的粒子都带有动量。如果最初的中子是静止的，动量为零的话，那么在衰变过程中，产生的粒子们的动量应该向着不同方向，以保证总动量为零。

为了解决这个问题，20世纪30年代沃尔夫冈·泡利提出了一种假想粒子，被恩利克·费米命名为“中微子”（意思是“微小的中子”）。他选择这个名字是因为泡利的粒子要求电中性，这样才能符合衰变过程中的电荷守恒；而且还必须拥有很小的质量或者零质量，为了恰好利用上在放出质子与电子之后剩下那部分极少的能量。

因为中微子是电中性的，而且还不参与强相互作用（一种束缚夸克与束缚原子核的作用），它们就只会与普通物质发生很弱的相互作用。不过由于中微子是核反应——也就是使太阳发光发热的那种反应——产生的，到处都会有它的踪迹。每天来自太阳的中微子，会以每秒钟每平方厘米6000亿个的数量穿过我们的身体——这样无情的猛烈攻击甚至还激发了约翰·厄普代克的创作灵感。不过你甚至都没有发现中微子的包围，因为它们在穿过身体时不会留下任何痕迹。平均来说这些太阳中微子可以穿过一万光年距离中分布的物质而不与之发生相互作用。

如果这样的话，你可能会问，我们怎样才能确定中微子不仅仅在理论上，而是在现实里存在的呢？在这一点上，量子力学展现了它的奇妙之处，为发现中微子提供了可能。这也就是我在上文中使用“平均来说”的原因。虽然绝大多数中微子会穿过一万光年的物质而不与之发生相互作用，但是如果中微子足够多，而靶足够大的话，那么就有运气能碰上一次反应。

这个想法最初是在1956年被弗雷德里克·莱因斯和克莱德·科温用上的，他们把一个数吨重的靶放在了核反应堆旁边，观察到了一些反应事件。发现中微子的事实（实际上是反中微子）比假设晚了20年，甚至也远远晚于大多数物理学家接受它存在的时间。差不多在40年以后，本书第一版发行的那年，莱因斯凭借在实验上发现了中微子而获得了诺贝尔奖。

现在我们已经有了更大型的探测器了。首次观测到太阳中微子是在20世纪60年代，是雷蒙德·戴维斯和他的同事在美国南达科他州的霍姆斯特克金矿地下，使用了10万加仑纯净的全氯乙烯探测到的。平均每天会有一个来自太阳的中微子与氯原子反应使其变为氩原子。我们应当向这些实验学家致敬，因为他们竟然能探测到以如此低的速率进行的核反应。但是最后他们的探测器以及接下来其他的探测器所得到的结果，都与理论预期的速率不吻合。这就是“太阳中微子问题”，从现在的理解来看，正好预示了与中微子相关的新的基础物理的出现。太阳中微子的发现是雷蒙德·戴维斯在20世纪60年代做出的，而他因此在2002年获得了诺贝尔物理学奖。

世界上最大的中微子探测器超级神冈建在日本的一个废弃矿坑中。它容纳了5万吨的水，作为之前5000吨级别探测器的升级版。后者曾是1987年距地球15万光年的大麦哲伦星云的超新星爆发后，探测了其产生的少量中微子的2个探测器之一。而且2002年的诺贝尔物理学奖实际上是戴维斯和小柴昌俊共同分享的，就是因为小柴昌俊指导建造了日本的超级神冈探测器。 [35]

现在回到我开始说的话题上来。中微子是物理学家用来探索宇宙，打开观察宇宙窗口的新工具。通过利用每一种基本粒子探测器以及我们常用的电磁探测器，我们可能发现银河系隐藏的奥秘，而这可能比我们实际出发探索银河系还要更早。当然，要是我们能发明出乔迪眼镜大小的中微子探测器的话，那将会有很大的帮助！

［第十章］
各种不可能性：无法触及的国度

乔迪：“物理定律就好像突然失效了一样。”

Q：“为什么不可以呢？它们太不方便了！”

——出自“真实的Q” [36]

“老骨头，虽然那些事件看似毫无可能，但我仍想核实一下。”

——在“赤裸时间” [37] 里，柯克对麦考伊所说

“你所说的东西是⋯⋯不存在的！”

——在“另一种因素” [38] 中，柯克对斯波克所说

任何喜爱《星际迷航》的物理学家都能意识到，应该有所保留的接受剧里的内容，不能不加思考的完全相信。由于种种原因，《星际迷航》的编剧从稍微有点模棱两可的内容，一直写到那些完全越过现实边界，根本不可能发生的事情上。虽然找出那些剧集里隐晦的技术瑕疵是《星际迷航》影迷们日常的消遣，但这并不是物理学家和物理方面的学生所感兴趣的。他们在茶余饭后或者会议茶歇期间讨论的都是那种真正的原理性的问题。

说句公道话，《星际迷航》中有些物理的小细节处理得十分令人舒心——即使出现时间很短——足以成为一个早上边喝咖啡边讨论的话题了。我记得很清楚，有一天，耶鲁的一个毕业生——马丁·怀特，现在是加利福尼亚伯克利大学的教授——来到办公室和我讨论刚看过的《星际迷航6：未来之城》。我本来想讨论一下早期宇宙的引力波问题，不过马丁一上来就开始谈论电影里的某个场景。那是一个大概持续了15秒的镜头：两个戴着头盔的杀手登上了议长高冈的飞船——该飞船已经被进取号的光子鱼雷给击破，处于零重力状态——并对视野中的所有人，包括高冈进行了射击。其中让马丁、我、许多物理学生以及一起讨论影片的教员印象深刻的是，那些漂浮在飞船上的血滴是球形的。在地球上，由于重力的拉伸作用，所有液滴都是泪滴形的。在没有重力的区域里，比如高冈的飞船上，就连泪滴都是球形的。物理学家们都知道这一点，但是很少有机会看见实物。所以《星际迷航》的特效人员把这样一个简单的事实给完美地再现了，让做物理的人很受用。虽然这并不需要花很多精力来实现，但是能够注意到这点，就足以让人感到欣慰了。事实上，在接下来的《星际迷航：进取号》一季中，编剧们又一次细心地展现了同样的现象：当时亚契船长在享受传统的“水浴”（音波浴稍后会介绍），而星舰的人造重力系统刚好失灵了，然后漂亮的球形水珠就开始飘浮起来，连同亚契船长自己也飘在空中。我不知道编剧们这样做是不是因为我在第一版里提到过，物理学家很喜欢原来那个失重的场面……

有时候即便是错误，也能激起我们看下去的动力。《星际迷航》里最令人印象深刻的错误是一个物理学家提出的，但事实上它不包含任何物理学内容。这名粒子物理学家（和科普作家）就是史蒂芬·温伯格，他曾对基本粒子的标准模型有所贡献，并凭此获得了诺贝尔物理学奖。我知道他在做复杂的理论计算时会把电视机开着，我想，他是否也在看《星际迷航》呢？所以我就写信给他，问他对于《星际迷航》的印象如何。温伯格回复说：“《星际迷航》最主要的错误就是每次都好死不死地把不定式给分开：勇敢地航向…… [39]

不过更一般的情况下，还是那些与物理相关的错误更能引起物理学家的注意。因为这些错误会使物理学家们有这样一种感觉：物理学已经远离流行文化了。更不用提那种像是英语专业的人来写硬科幻剧本的搞笑感觉了。我们根本无法想象在一个重要的镜头里，拿破仑莫名其妙地说起德语来了，或者把独立宣言的签署时间定在了19世纪。所以可以理解，要是一个同样重大的物理错误，出现在了这个被认为是科学态度严谨的影视剧里的话，物理学家是有理由指出来的。令我吃惊的是，从基普·S·索恩到温伯格再到谢尔登·格拉肖，乃至史蒂芬·霍金——他可能是物理学家里最著名的《星际迷航》影迷——这些杰出的同僚们都看过《星际迷航》系列的作品。下面就是我最感兴趣的错误列表，它们是从我和这些物理学家以及其他同事的讨论中，或者那些《星际迷航》技术性影迷的邮件里，一一收集起来的。我最想讲述的是那些（但不仅仅是这些）“贴近现实的物理”的疏漏。举个例子，我不会特意指出那些广泛流传的抱怨：“为什么一旦开始曲速航行那些星光就拉长了？”诸如此类的问题。类似地，我也会忽略那些技术上编造的内容——那些为了让每一集看起来更具未来感而使用的、混淆了科学与伪科学的术语。最后，我尽量会选一些我之前没有提到过的例子。

“在宇宙里，没有人能够听见你的尖叫。” [40]

这句来自异形的宣传语是相当正确的，不过在《星际迷航》中常常被忽视。声波是无法在真空中传播的！但是当围绕泰纳格IV号行星的空间站爆炸的时候，在我们进取号这边的视角里，不仅看到了爆炸场面，还听到了爆炸的音效。最糟糕的是，它们还是同步出现的。即使声波能够在宇宙空间中传播（这是不可能的），像声音这种压力波的速度也要远远小于光速。你甚至都不必现场去看一个球赛就能够知道，对面观众站起来的时候，要等一下才能听到他们的欢呼。

高中物理一个很著名的实验就是，把一个电子蜂鸣器放到钟形罩里，然后把里面的空气都抽走。在内部完全排空之后，蜂鸣器的声音就听不见了。早在17世纪，人们就认识到声音的传播需要媒介。在真空中——就像在排空气体的钟形罩内部——没有东西来承载声波，所以你就听不见里面的蜂鸣了。更具体地说，声音是压力波，或者扰动，是随着压力值高于或低于平均值的区域在介质中的传播而向前推进的。移除掉介质的话，就没有扰动的压力变化作用的对象了。顺带地，钟形罩的例子还是我之前讨论的一个谜团的起源，也是物理学史上重要的问题之一。虽然你听不见蜂鸣，但是你看得见蜂鸣器啊！因此，如果光被认为是一种波的话，那么在空气被抽走之后，拿什么东西来充当它的介质呢？这就是假设以太存在最好的理由之一。

我之前从未注意过《星际迷航》中声音的问题，或者在宇宙中应当没有声音的事实。但是，在史蒂芬·温伯格和其他数人提到《星际迷航》中爆炸的声音之后，我检查了刚看的“视角的问题” [41] ，就是空间站爆炸那集，确实如他们所说。“咔碰！”爆炸的声音就这样传来了。同样的事情发生在另一集里（当一个在阿卡利亚行星偷了三锂晶体逃离进取号的穿梭机爆炸后，一样产生了巨响）。我又去看了星际迷航的电影：《星际迷航7：斗转星移》。影片中，即使是一瓶香槟在宇宙中炸了也会发出声音。

事实上，我的一个物理同行——来自加州大学圣塔芭芭拉分校的马克·思雷德尼奇——给我指出了另一个更大的错误，在某一集中，声波被当成对抗轨道船的武器。要是这还不够糟的话，你可以看看这个措辞“18的12次方分贝”。这在一个物理学家听来是相当刺耳的，因为分贝本身就是一个对数单位，就像地震的里氏级别一样。所以分贝的数字本身就是10的指数了（不过一般会乘上10），那样的话，20分贝就比10分贝强10倍，30分贝就再强10倍以此类推。因此，18的12次方分贝就是，或者跟喷气式飞机来比的话，就比它的声音还要大上1后面11568313814300个0那么多倍！

比相位枪的光束还快

虽然超光速旅行是《星际迷航》里不可或缺的要素，但是这种可能性是建立在对广义相对论的巧妙利用以及引入新物质形式的基础上的，根据我之前说的来看并无太多问题。不过对于平常发生的各种状况，光速是绝对不可逾越的上限。有时这种简单的事实反而容易被忽略。在“眨眼之间” [42] 这疯狂的一集里，柯克船长被斯卡洛斯人设计，喝下了一种药，可以使他的行动速度大大加快，从而变得和斯卡洛斯人一样，这样柯克就可以做他们女王德拉的配偶。斯卡洛斯人是一种超高速的生命体，不能被进取号的船员们感知到。在和女王上床之前，柯克尝试过用相位枪来射击她。但由于她可以在普通人眨眼的瞬间就移走，所以在光束射中之前，她就离开了那个地方。那么，这里有什么问题呢？答案就是，全错了！

有些《星际迷航》影迷早就注意到了，对于像女王德拉这种超高速的生命体，要是移动的时间比光束穿过房间还短的话，就会使剧里其他的一些事情变得不可能了。光的速度是每秒3亿米。德拉在柯克开火之前大概离他一米远的样子，所以光大概跑了有3亿分之一秒。这次她要是改变速度，让这段时间对她来说有一秒那么长的话，那自己的生物钟就得加快3亿倍。但是如果这样的话，斯卡洛斯人的3亿秒就相当于进取号时间的一秒钟。而不幸的是，这3亿秒足足有10年那么长了。

好啦，让我们姑且原谅《星际迷航》编剧的这个疏忽吧。即使这样，还是有一个更大的问题需要解决，而且就我所知，有几位物理学家都曾指出过这一点。正如我们了解到的，相位枪是一种能量武器，相位光束是以光速行进的。这样的话，就没有人能逃脱得了了。如果相位枪发射的是纯能量光束而非粒子束的话，根据《星际迷航技术指南》所写的，光束一定是以光速行进的。不管移动得有多快，即使加速了3亿倍，一个人也不可能逃离发射出来的相位光束。为什么呢？因为想要躲开光束，你就需要先看见枪开火了。但是你看见开火发出的光跟光束的速度是一样的。简单来说，在光束射中你之前，你无法知道它射过来了！只要相位光束是能量束流的话，就难以避免上面说的情况。有一个类似的问题在《星际迷航：航海家号》的“噬菌体” [43] 一集中也出现过，那就是有人试图去打掉一束相位光束。

不过有时候，《星际迷航》的批评者们也会犯错误。有一次别人告诉我，在《星际迷航：下一代》里有个错误：在发出光照射星球的恒星消失的同时，这个星球就暗下来了。这当然是不可能的，因为光从恒星传播过来需要时间。但是，在《星际迷航：下一代》里，整个过程是从行星表面上的视角来看的。当从星球上来看时，恒星坍缩的那个时间就应该是星球表面确实应当变暗的时间。因为恒星坍缩和发出的光减少的信息会同时传到这个行星上。两者都延迟了，但是同时到达了！

虽然编剧们在这点上没有出现问题，但是他们却把延迟给压缩到不合理的地步了。我们被告知破坏恒星的探测器将在发射后的11秒内到达目的地。探测器是以亚光速飞行的——我们可以确定这一点，因为星球上的人们在22秒之前就看见了恒星开始坍缩，这表明光花了少于11秒的时间到达星球上。对比来看，我之前提到地球距离太阳8光分的时间。如果太阳现在爆炸了，那我们要8分钟之后才能知道。我很难相信在《星际迷航：下一代》里能存在一颗M级行星，距离像我们太阳一样燃烧氢的恒星才10光秒。这个距离大约是太阳尺寸的5倍——这个距离太近了，根本不可能是一颗宜居的星球。

要是情节没问题的话，那事件视界可能就有问题了

虽然说我不会过分纠结于一些编造的技术术语，但我还是忍不住要说《星际迷航：航海家号》在这方面确实有些夸张。现代物理的行话被揉进了航海家号回家所历经的日常之中。但是，物理术语通常是有其内涵的，所以当把它用在了某些经常出现的情节里后，观众就会不断被糟糕的台词所打扰。我在第三章提到过，事件视界上的“裂缝”使航海家号转危为安（在粗心的“噬菌体” [44] 一集里）。不过这在物理学家听来是很荒谬的。事件视界上的“裂缝”就像一个圆圈怀孕了这种说法一样，毫无意义。围绕黑洞的事件视界并不是一个物理的实体，而是说在这个区域里，所有的运动轨道都无法延伸出它的边界。弯曲空间的一个性质就是所有物质包括光的轨迹，都会在一个特定的半径内向中心弯曲回来。不管事件视界存在与否（即黑洞存在与否），这中间都没有任何空间，能够让一根针穿过，更不用提航海家号了。

全息医生有多少实体的部分呢？

在《星际迷航：航海家号》里我最喜欢纠正的技术问题就是全息医生了。有一个很棒的场景就是，一个病人问全息医生他是怎么拥有身体而不仅仅只是图像的。这是一个好问题。医生的回答是关掉“磁约束光束”，病人就变成了一个没有肉体的幻象。接下来他再次打开了光束，就又可以拍打病人各处了。虽然这是一个很不错的设计，但不幸的是，它不可能实现。就像我在第6章里说的，磁约束只对带电粒子有作用，能够使它们在均匀磁场里做圆周运动。可是，光是不带电荷的，它在磁场里根本不受任何力。而全息图像就是光学影像，所以没办法被磁力约束。

到底是相间的，还是非相间

《星际迷航》有时会犯《人鬼情未了》的那种错误。我指的就是1990年那部著名的电影，其中的主角是个幽灵，它可以穿墙，但拿不了东西，因为它的手会穿过物体。但是奇迹般地，每次他坐到椅子和沙发上时，他的屁股却能放得上去。类似的，地板对于他的脚来说也坚固的非同寻常。在第9章里，我说过乔迪·拉弗吉和罗·拉伦被罗慕伦人的“相间发生器”弄得“异相”了。他们惊奇地发现自己隐形了，而且还可以穿过人和墙壁——罗甚至认为自己已经死了（可能她在小时候看过《人鬼情未了》的电影）。但是乔迪和罗却安然无恙地站在地上或者坐在椅子上。不过物质就是物质，椅子和地板与墙壁没有区别，就我所知，脚和屁股也并不比手更加敏感。

顺带说一下，这一集还有另一个致命的问题破坏了《星际迷航》内容的一致性。在物理学里，如果两个物体都与其他物体发生相互作用，那它们之间也会有相互作用。这就使我们完全回到了牛顿第一定律上来了。如果我对你施加一个作用力，你也会产生一个等大反向的作用力给我。因此，要是乔迪和罗能够从新“相”里看见进取号，那他们就能够与光（电磁波）发生相互作用。通过牛顿定律就能知道，反过来看他们就应该是可见的。玻璃不可见的原因是它不吸收可见光。为了能够看见——即感受光——你需要吸收它。不过，要是吸收了光，你就一定会干扰原来的景象，那么你就会被其他人看见。这同样也出现在了《星际迷航：下一代》“幻象” [45] 一集里，有一种不可见的相间昆虫附在了进取号船员身上。使它们寄生在人身上而不是穿透过去的那种力，其实无非就是电磁力——组成不同人体的原子中，那些带电粒子之间的静电排斥力。一旦你发生了电磁相互作用，那你就是这个世界的一部分了。天下没有免费的午餐，你不可能既让光穿过不受其影响，而又与之发生相互作用。

事实上，在本书第一版发行后，我在一个公共讲座里讨论过这个问题。有一个6岁的小男孩问了一个非常有趣的问题（我真希望能知道他的名字，他现在说不定正在大学里学物理呢！）：“要是乔迪和罗发生异相了，那他们怎么呼吸呢？难道空气不会穿过他们身体吗？”这真是一个极好的切入点，我之前都没有想到过——而且这还是出自一个孩子之口！

把洗澡水和婴儿一起倒掉

在《星际迷航：下一代》“星舰宝藏” [46] 一集里，进取号停靠在雷穆勒阵列空间站进行“重子扫描”。在长期进行曲速旅行后，进取号的上部结构积累了相当多的这种粒子，需要被清理掉。在清理的过程中要疏散船员，因为这种光束对生物组织是致命的。不过，这是理所当然的！稳定的重子只有质子和中子，而且都包含在原子核里。它们组成了日常生活中的所有物品。要是全都从进取号上清理掉的话，那接下来的剧情就不用继续了。

最冷能到多冷？

我的同事——同时也是《星际迷航》的影迷——查克·罗森布拉特最喜欢的一个错误就是，有一个东西竟然被冷冻至-295℃。这是一个令人激动的发现，因为在摄氏温标下，绝对零度在-273℃左右。绝对零度正如名字一样，是所有物体能达到的最低温度，因为在定义的这个温度下，所有原子分子的运动，振动和旋转都停止了。虽然达到理论的绝对零度是不可能的，但是原子系统已经能够被人类冷冻到比绝对零度高百万分之一度的温度（在写的时候已经能够达到绝对零度以上20亿分之一度了）。由于温度与原子分子运动有关，那么静止不动的情况就是温度的极限了。因此，即使在400年后，绝对零度将还是绝对的。

我看见光了！

说起这个明显的错误来我很尴尬，因为本该我自己发现的，不过却是由我的一年级学生瑞安·史密斯在上课的时候指出的。每次进取号射出相位光束的时候，我们都能看见。但这当然是不可能的，除非相位枪在各个方向都发射光出来。如果你遇到过教师用激光笔讲课的话——通常来说，用的是氦氖激光器——你可能会回忆起当时只看到了屏幕上的光点，而看不见光的路径。唯一能使整个光束可见的办法就是让整个房间都充满粉尘，比如拍拍黑板擦或者类似的事情（你真应该试试，这个场面还是很精彩的）。激光表演就是通过烟雾和水的折射反射实现的。因此，除非那个空间充满烟尘，我们在它打到的那个点之外是看不见任何相位光束的。

吹毛求疵的天文学家

我们不难发现，人们找到的物理错误都跟他们感兴趣的领域有关。根据我调查的例子来看，提供的信息总是与某些职业相关。我收到过数封来自喜欢《星际迷航》的天文学工作者的电子邮件，其中提到了一些比较微妙的错误。一个天文学的学生努力找出了《星际迷航》编剧用错的几个天文学概念。在“银河之子”里那个以能量为食的生命形式，被设定为一种婴儿期的空间生物，它错把进取号当成母亲而开始吸取能量。在危机时刻拉弗吉想出了一个办法来让这个婴儿离开：婴儿是被进取号发射的21cm波长的无线电波吸引过来的。通过改变发射频率，船员们让“牛奶变质了”，从而使婴儿离开了。让这一集富有趣味但同时也犯下错误的一点，就是我在第8章提到过的事实——21cm的无线电波是氢发射出的一般频率，天文学家用这来绘制星际气体。但是，编剧们把这理解为了任何东西都辐射21cm波，包括进取号。事实上，氢很少发生与这个辐射有关的原子跃迁，所以在星际空间中，一个特定的原子可能平均400年才会产生一次这样的辐射。不过由于宇宙里充满了氢元素，地球上21cm的信号还是很强的。在这种考虑下，我决定对《星际迷航》的编剧评分为A，以肯定其努力。但是由于这个小失误，就把它降到B+吧——我本人评分还是很大方的。

一位NASA的科学家指出了一个被我忽视掉的错误，而且在NASA工作的人应该都会注意到：有一个星舰基础程序是用来引导它进入行星同步轨道的——就是星舰的环绕周期跟行星自转周期相同的轨道。因此，星舰应该保持在地表以上的相同位置，就像地球的同步天气卫星一样。尽管如此，每次进取号环绕行星的时候，它都相对星球表面移动了。而且要是不在同步轨道上的话，还会遇到许多严重的问题。

第一版以来的新进展

当然在第一版发行后的这些年里，《星际迷航》又多了一些新的错误，不仅来自于那些新出的剧集和电影，还有部分来自于前面的作品。我不可能在这里一一指正，所以就选了四个不那么明显的问题，它们来自不同的提出者：一个物理学家，一个影迷，一个喜欢《星际迷航》的编辑和一个船员。

来自物理学家的问题：我的同事查克·罗森布拉特告诉我，在原初系列里有一个很有趣的错误。柯克船长要求船员把星舰的速度提升“1的20次方倍！”那这是多少呢？1×1×1……乘上20次，结果还是1。

来自影迷的问题：琼纳·帕克这个影迷写过许多关于《星际迷航》的问题给我，尤其是《星际迷航：进取号》里的。她指出了一个非常简单的物理错误（我最喜欢这种），是在一艘被诺西甘人的海盗船攻击的地球货船里出现的。在这集一开始，船长和大副在货舱里扔橄榄球。他们只是轻轻地相互扔球，球就在两人间漂浮着往返，这表明环境的重力微乎其微。但他们的走路方式又完全正常。重力对物体的影响是平等的，所以除非他们像《星际迷航6：未来之城》里的刺客一样，穿着重力靴，否则他们应该和橄榄球一样漂浮起来。

来自编辑的问题：他是负责本书最新版的编辑。威廉·弗鲁赫特提醒我的是《星际迷航：进取号》里的一个问题，而且帕克小姐也提到了。船员们拜访了一颗流浪行星——就是脱离了恒星系统，不再归属于某个恒星的行星。那为什么这颗星球如此温暖，而且还有生命存在呢？在没有恒星的情况下这是很难想象的，但也不是没有可能：它也许有大量的内部辐射来加热，而且从宿主恒星脱离的过程也十分平缓，并没有清除掉它的大气层。但是，主要的场景都发生在一片茂密的丛林里，而这个丛林的设定有些问题。要是没有恒星的话，就没有光，没有光就没有光子，没有光子就不会发生光合作用。因此，好好想想，这里不会存在任何绿色植物。

来自船员的问题：在《星际迷航》40周年的纪念活动上，我与伏拉士医生（约翰·比林斯利）一起喝酒，度过了愉快的一段时间。他当时尽力向我解释扮演的德诺布拉人奇怪的配偶关系。每个德诺布拉女人有三个丈夫，而男人有三个妻子。而且要是有三个女人同时有两个相同的丈夫也是可以的。但要不是这样的话，就像比林斯利感觉的那样（其实他应该知道的），就会有一场逻辑的噩梦。我们喝了许多酒，不停地讨论，试图理清思路，不过都没有成功。要是每个女人都要找三个不同的男人，而这些男人又要娶另外两个不同的女人，那这种相互关系的数量就会急剧的增加，最终的结果在有限人数下是不可能封闭的。当然，由于德诺布拉人可以在任何情况下与任何人发展出亲密关系，各种可能性就变得无穷无尽了。

那些该死的中微子

我忍不住再次用中微子来结束这一章。并且由于我稍稍跳过了一些《星际迷航：深空九号》的内容，可能用这个系列的问题作结比较好——这是另一个爱好《星际迷航》的物理学家大卫·布拉姆告诉我的问题。《星际迷航：深空九号》里夸克老板得到了一台能改变周围概率的机器。可以想象这东西在赌桌上将会多么有用，而且这种不公平的优势也是一个佛瑞吉人 [47] 无法抵抗的。但是这个诡计被戴克斯识破了，当时她刚好在分析穿过空间站的中微子流。因为她出乎意料的发现，所有中微子都具有左手手性——这就是说从中微子移动方向上看，它们的自旋都是朝同一个方向的。一定哪出错了！另一个自旋方向的中微子好像消失了！

不幸的是，在解释夸克老板的诡计时，《星际迷航》编剧从能够选择的所有不可思议的现象里，偏偏挑中了一个有问题的理由。因为就我们所知，中微子确实就只有左手手性的！它们是自然界里已知的唯一仅存在一种自旋态的粒子。所以要是戴克斯的分析发现了这个信息，她就应该相信，事实理应如此。

在我看来，这个例子是十分深刻的，而且这也正是使《星际迷航》的物理学如此有趣的原因：有时候现实比小说更加离奇。

注解：

[1] 　《星际迷航：下一代》，第三季，第十三集。

[2] 　星际迷航里一种多用探测仪，可作为医用扫描仪使用。

[3] 　《星际迷航：下一代》每一集的开头都有这样一段话：宇宙，人类最后的边疆，这是星舰进取号的旅程，它所持续的使命，是探索陌生的世界，寻找新的生命及新的文明，勇敢地驶向那前人未至的宇宙洪荒。

[4] 　1979~1981年。

[5] 　Goldilocks，美国知名的童话角色。常用来形容“刚刚好”。

[6] 　《星际迷航：下一代》，第四季，第十六集。

[7] 　脉冲传输时中心波长发生偏移的现象。

[8] 　《星际迷航：下一代》，第三季，第十八集。

[9] 　Cytherian，源自Cytheria，爱与美之神，维纳斯的别称；Cythera是希腊神话中美神阿佛洛狄忒（即罗马神话中的维纳斯）的故乡，所以阿佛洛狄忒又被称为Cytherea或Cytheria。

[10] 　《星际迷航：下一代》，第七季，第二十五集。

[11] 　AUs：天文单位，1AU约等于1.5亿千米，是从地球到太阳的距离。

[12] 　《星际迷航：原初系列》第一季，第三集；第二季，第二十二集；第三季，第五集。

[13] 　斯波克的长兄。

[14] 　《星际迷航：下一代》，第五季，第十一集。

[15] 　《星际迷航：原初系列》，第二季，第二十二集。

[16] 　《星际迷航：航海家号》第一季，第十三集。

[17] 　《星际迷航：下一代》，第二季，第十九集。

[18] 　Neutronium，1926年物理学家安德利亚·冯·安德罗波夫发明了这个词，为表明其质子数比氢少，放在了元素周期表最前面，故为0号元素。有时也被称为中子物质，多中子物质。

[19] 　《星际迷航：原初系列》，第二季，第六集，末日机器。

[20] 　《星际迷航：下一代》，第三季，第一集。

[21] 　《星际迷航：下一代》，第五季，第十三集。

[22] 　《星际迷航：原初系列》，第三季，第九集。

[23] 　《星际迷航：原初系列》，第一季，第二十七集。

[24] 　《星际迷航：原初系列》，第二季，第四集。

[25] 　《星际迷航：下一代》，第六季，第五集。

[26] 　《星际迷航：下一代》，第四季，第十九集，第N维度。

[27] 　《星际迷航：下一代》，第五季，第二十四集。

[28] 　《星际迷航：下一代》，第四季，第十集。

[29] 　《星际迷航：下一代》，第七季，第十一集。

[30] 　《星际迷航：下一代》，第五季，第十集。

[31] 　《星际迷航：下一代》，第七季，第十二集。

[32] 　《星际迷航：原初系列》，第一季，第十六集。

[33] 　《星际迷航：下一代》，第三季，第七集。

[34] 　《星际迷航：下一代》，第五季，第十五集。

[35] 　2015年梶田隆章因为在超级神冈上发现中微子振荡而获诺贝尔物理学奖，并因此准备在2025年将其升级为超超级神冈（Hyper-Kamiokande）。

[36] 　《星际迷航：下一代》，第六季，第六集。

[37] 　《星际迷航：原初系列》，第一季，第四集。

[38] 　《星际迷航：原初系列》，第一季，第二十七集。

[39] 　To boldly go ……来自那句经典的独白：勇敢地航向前人所未至的领域。

[40] 　这是经典科幻恐怖片《异形》1979年上映时的宣传语。

[41] 　《星际迷航：下一代》，第三季，第十四集。

[42] 　《星际迷航：原初系列》，第三季，第十一集。

[43] 　《星际迷航：航海家号》，第一季，第五集。

[44] 　《星际迷航：航海家号》，第一季，第五集。

[45] 　《星际迷航：下一代》，第七季，第六集。

[46] 　《星际迷航：下一代》，第六季，第十八集。

[47] 　因为佛瑞吉人是一个唯利是图的种族。

后记
epilogue

好了，《星际迷航》中的物理学知识与错误就说到这里。在第一版的时候，我开过一个玩笑，当时拿着一本纽约时报说，要是有足够多的读者来信的话，我就考虑写一个续集，书名就叫《〈星际迷航〉里的物理学II：克劳斯的愤怒》。

我想现在这确实变成了一个玩笑，因为接下来不会有续集了。当然，要是《星际迷航》的冒险继续下去的话，我可能会尽量更新物理内容和对剧集的参考……至少出版商会劝说我修改发行新版的。

在本书最后用一章来写设定上的物理错误，并不是要指责《星际迷航》的编剧们，这更像是在展示另一种欣赏《星际迷航》的方式。只要《星际迷航》继续播出，我敢肯定每个新的物理问题都会成为各种《星际迷航》影迷——不论是高中生还是大学教授——茶余饭后的话题。而且这也成为编剧们和发行商的一个挑战，他们需要尽力跟上物理学发展的步伐。

所以我要从开始的地方来结束本书——不是那些设定上的失误，而是更多的可能性。我们当前的文化毫无疑问是被现代物理学的奇迹塑造而成的——在这我把伽利略和牛顿也算到现代里——就像其他人类智力活动的影像一样。然而不幸的是，现代人有一个误解：科学跟文化没有关联。事实上，科学是组成我们人类文明的重要部分。我们对宇宙的探索代表了人类智力最重要的一些发现，但可惜的是它们并未被广泛地了解和接纳；就像那些伟大的文学作品，画作或者音乐一样，难以被大众所欣赏。

通过强调科学在人类种族发展中的潜在作用，通过那些奇思妙想，《星际迷航》展示了科学与文化之间的强大关联。不过我已经说过，虽然23世纪的科学可能远不像《星际迷航》编剧所想象的那样发达，但我还是希望科学能创造更多奇迹。不管怎样，我都相信现在和以后的物理学，会改变我们未来的世界，就像牛顿和伽利略用他们那时候的物理学深深影响了现在一样。我坚信人类这个种族拥有巨大的潜力，能够不断地探索和揭示宇宙中深藏的奥秘，这也正是《星际迷航》系列的精神所在。最后由吉恩·罗登贝瑞的这段话来结束比较合适，这是他去世前一年，在《星际迷航》25周年纪念会上的一段发言：“人类是一种伟大的生物，有着无限的潜力，我对此抱有极大的希望。只要相信自己，相信我们能够做到，《星际迷航》所展现的，就是我们人类未来的图景。”

致谢
acknowledgments

我十分感谢在本书写作和出版过程中提供帮助的每一个人。首先，我要感谢物理界的同行们，在我需要的时候提供了无私的帮助。我要特别感谢为本书作序的史蒂芬·霍金，以及提供《星际迷航》内容的史蒂芬·温伯格、谢尔登·格拉肖和基普·索恩。费米国家加速器实验室的主任约翰·皮普尔斯安排了几个工作人员，帮助我完成费米实验室反物质生产与储存的内容。我尤其感谢费米实验室公共关系办公室的朱蒂·杰克逊帮我拍摄照片，还有我在凯斯西储大学工作时的同事赛勒斯·泰勒，她现在在费米实验室开展一项实验，向我解释了很多技术问题。来自哈佛大学的保罗·霍罗威茨应我的要求，提供了由他领导的SETI和META项目的信息，在一天之内就给我寄了大量关于搜寻地外文明的珍贵资料和照片。此外，我还要感谢乔治·斯穆特和菲利普·泰勒，前者为本书提供了银河系的COBE照片，后者给我提供了孤子的参考资料。

许多爱好《星际迷航》的物理学家无私地提供了他们对《星际迷航》中物理学的见解。特别地，我要感谢马克·思雷德尼奇，马丁·怀特，查克·罗森布拉特以及大卫·布拉姆，他们提出了许多有意义的问题。我曾在网络论坛上询问过《星际迷航》里人们最喜欢的物理与错误，因此还要感谢那些回应我的网友们，尤其是斯科特·斯佩克、NASA的“维斯蒂”、T.J．戈尔茨坦、德尼斯·普罗托以及J．迪尔迪；不论是对我观点的支持，还是提出的有用建议，都很有帮助。同时我要感谢在凯斯西储大学义务提供参考信息的众多学生，尤其是瑞安·史密斯。

还有许多《星际迷航》影迷也做出了重要贡献。我要感谢安娜·福尔图纳托读了早期的手稿并做出评论，同时给出了许多有用的建议。此外，哈珀·柯林斯出版社的马克·朗道也提供了许多有用的反馈。还有杰夫瑞·罗宾斯，他当时是牛津大学出版社的编辑，大方地提供了关于曲速引擎的重要参考资料。我的叔叔赫布·泰托是一个热心的《星际迷航》影迷，他认真通读了我的手稿；读了手稿的还有我的助理研究员皮特·克南，两人都提出了宝贵的意见。我还要感谢我的妻子凯特帮助我录入部分手稿。

另外，我要感谢格雷戈·斯威尼和贾内尔·基伯利借给我全套《星际迷航》的录影带，在我写这本书的4个月期间任我使用。这对我的帮助很大，因为我常常要核对信息以及确认情节。这些都是珍贵的收藏品，我要感谢他们对我的信任。

我要特别感谢我的编辑，来自基础书籍出版社的苏姗·拉比纳；要是没有她，这项工作早就进行不下去了。是她最终说服我接手这项工作的，她还竭尽一切可能在基础书籍出版社和哈珀柯林斯出版社之间来回跑，以便推动这项工作。在这点上，我还要感谢基础书籍出版社的前董事克米特·赫梅尔给予的热心支持。责任编辑萨拉·利平科特的智慧与洞见也对本书的终稿起了关键作用。我相信，我们在传真机和电话旁边度过的时光一定为本书增色不少。

最后，我要感谢艺术与科学学院和凯斯西储大学物理部的院长，教员，员工和学生提供的帮助，以及对我为完成本书所做的工作上的宽容。他们营造的共享与激动的氛围使我大受鼓舞。

一如既往地，我的家庭竭尽所能地支持我的工作。凯特和我的女儿莉莉，常常陪我看《星际迷航》到很晚，而平时她们在这个时间都睡觉了。

最后，在这本书修订版发行前，我要感谢这些年所有来信提问、建议、抱怨的人，还有我的物理同行们，包括许多新的诺贝尔奖得主，比如杰拉德·特·胡夫特，他激发了我对真实宇宙和《星际迷航》宇宙交叉性的思考。我希望你们能在这些新内容里发现一点引发好奇心的新东西。

奇妙的生命

［美］斯蒂芬·杰·古尔德　著
郑浩　译

海南出版社
·海口·

目录

序及致谢

第一章 图如所愿

以图开场

“进步”图说：阶梯和圆锥

倒带重演：重要的尝试

第二章 有关伯吉斯页岩

之前的众生：寒武纪大爆发与动物起源

之后的众生：软体构型动物群——回溯的窗口

伯吉斯页岩：彼时情景

第三章 重构伯吉斯页岩：形成新的生命观

一场平静的革命

一门研究的方法学

一次变革的编年史

伯吉斯之戏

对伯吉斯“动物经”的总结陈词

对伯吉斯生物系谱关系的评价

从伯吉斯页岩看寒武纪常态

伯吉斯页岩的两个重大难题

第四章 沃尔科特的视界与自然本质

沃尔科特固守多样性圆锥的基础

伯吉斯页岩与历史本质

第五章 种种可能的世界：“历史本身”的力量

一个有关其他可能情形的故事

可阐明偶然性的一般模式

七种可能的世界

以皮卡虫收场

新译后记

参考文献

图片来源

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献给诺曼·D.纽厄尔

他过去是，现在也是——

用人类语言最高尚的词说

——我的老师。

序及致谢

一种全新的生命观 [1]

借用我最不热衷的体育项目里的比喻 [2] ，这本书要做的，是直面科学能遭遇的最广泛议题之一——历史本身的性质——将它一把“擒抱”住。我采取的策略，不是直奔议题核心，而是从外围迂回，将一个精彩纷呈的案例研究的所有细节一一展现。这也是我在一般性写作中一贯采用的策略。细节本身并不能走多远，它最多只能与一首我吟诵不出的诗句放到一起，成就令人倾慕的“自然写作”作品。但是，若从一般性原则的正面进攻，只会不可避免地形成冗长的篇幅，或者带上强烈的倾向。自然之美表现在细节之中，启示则蕴含于一般性的原则里。最理想的鉴赏之道，细节和原则皆不可缺。以精心挑选的具体案例阐明激动人心的原则——除了这样，我不知还有什么更好的策略。

我的主题有关最重要、最令人珍视的化石产地——加拿大不列颠哥伦比亚的伯吉斯页岩。围绕着发现它以及诠释它的人的故事，时间跨度已有近80年。以一个被滥用的词语的字面义形容，这个故事实在——太精彩了。查尔斯·都利特·沃尔科特是美国首席古生物学家，美国科学界权力最大的行政管理者。1909年，就是他发现了这保存极为完好的动物群——最古老的软体构型动物群。但是，几乎是出于他根深蒂固的传统主义立场，一种常规的诠释被强加到这些生物之上，新的生命历史观没能形成。正因为如此，那些独一无二的生物不为公众所知（尽管它们潜在的生命历史教育价值远胜过恐龙）。但是，有三位来自英格兰及爱尔兰的古生物学家，在后来开展了20年严谨的解剖学特征描述研究。起初，他们丝毫未意识到工作的颠覆性。最终，他们不仅推翻了沃尔科特对这些独特化石的诠释，还挑战了生命历史的传统观点——进步及可预见性。取而代之的，是历史学家提出的偶然性——演化的“行进”过程是由一系列令人极其难以置信的事件构成的。事后回顾，这些事件的发生具有足够的合理性，可以得到强有力的解释。不过，它们的发生完全不可预测，也不具可重复性。如果能把“生命记录带”倒回伯吉斯页岩早期的日子，自历史的同一起点重新开始一次，那么，在这一过程中，具备类似人类智能的生物难以形成，产生的机会小得几近为零。

不过，与人的付出和被订正的诠释相比，伯吉斯生物本身甚至更加精彩。尤其是对它们的最新合理重构，显露出的，是超然的奇象异景——有长着五只眼和一管前端“长鼻”的欧巴宾海蝎；有骇人的奇虾，它们有长着一圈“牙齿”的大口，是那个时代最大的动物；还有解剖学结构与名字般配的怪诞虫。

至于本书标题，它表达了我们对两件物事的叹服——一来是为生物本身的美妙，二来是为随之形成的全新生命观。欧巴宾海蝎和它的同伴们一道，构成一幅来自那个遥远过去的生命群像，奇异而美妙，同时也把历史偶然性的伟大主题注入对这类概念反感的学科之中。《生活多美好》是一部在美国深入人心的电影，其中最令人难忘的情节，就以该主题为中心。在片中，吉米·史都华（所扮演角色）的守护天使为其重演“生命记录带”，让他体会没有了这个角色之后，他原先周围的世界会变成什么样子。重演的结果显示，历史中貌似无足轻重的细节有着令人敬畏的威力。偶然性的概念不受科学待见，但电影和文学总能发现其迷人之处。电影《生活多美好》既是本书核心主题的一个象征，也是我所知的最好阐释——我以本书标题向克拉伦斯·奥德博迪（天使）、乔治·贝利（史都华扮演的角色）、弗兰克·卡普拉（导演）致敬 [3] 。

对伯吉斯页岩生物重新进行诠释并由此形成新观点，有关它们的故事错综复杂，有一大群人的共同参与。但是，站在这个故事舞台中心的，是三位古生物学家。一位是世界级三叶虫专家——来自剑桥大学的哈利·惠廷顿。另两位起初是他的研究生，从那时起，他们就将伯吉斯页岩研究当作自己的事业，成绩非凡。他们是德里克·布里格斯和西蒙·康维·莫里斯。三位古生物学家之所以位于舞台正中，是因为他们完成了有关解剖学描述和分类界定的大部分技术工作。

该以哪种格式来呈现这一工作呢？为此，我在不同的选择之间挣扎过好几个月，但最终认定，只有一种方式能将一切统一起来，使之成为一个完备的整体。如果历史对如今秩序形成的影响如此之大，那么，在本书小得多的范畴之内，我也必须对历史的威力抱有敬畏之心。何况，惠廷顿及其同事的工作也构成了一段历史。而在偶然性的范畴里，反映秩序的主要标准形式是——而且必须是——依时序记录的编年史。对伯吉斯页岩生物的重新诠释是一个故事，一个宏大而精彩的故事，有着最高智识价值的故事——在其中，没有人被杀，甚至没有人受伤，连一块皮都没被擦破，但它揭开的，是一个全新的世界。除了合理的时间顺序，还有什么其他方式可供我采纳呢？！就像电影《罗生门》里的情形，这个错综复杂的故事，无论是旁观者还是参与者，事后的陈述各不相同。不过，我们至少可以通过编年来做些准备工作，搭好框架。在这里，我已将这一时间序列视作一出情节丰富的戏剧——我甚至放任自己的这种夸张比喻，将之以五幕剧的形式呈现，作为第三章内的一个独立组成部分。

第一章借用非同寻常的道具——图说，将这个伯吉斯页岩故事要挑战的传统态度（或者说半遮半掩的文化期许）一一摆出。第二章呈现必要的故事知识背景，包括生命的早期历史、化石记录的本质、伯吉斯页岩本身的特有场景。第三章以戏剧的形式，依时序记录这次改变我们对早期生命的观念的伟大修订工作。在该章最后一部分，我尝试将伯吉斯的这段历史放到本故事挑战并修订的进化理论的一般语境中加以讨论。第四章深入查尔斯·都利特·沃尔科特身处的时代和他的精神世界，为的是理解他因何对自己伟大发现的本质和意义的认识错得如此彻底。接着，我将展现一个与传统截然不同、完全相反的看法——历史是偶然性的产物。第五章从两方面入手确立这种历史观。一方面是一般性的论证；另一方面，依时序逐一列举生命历史的主要事件，揭示在发生之始仅做出轻微改动，就会使进化的路径一改再改，转到完全不同但又同等合理的方向——由此将不会产生能写出编年史或解密自身如何自过去“行进”而来的物种。尾声，也就是收场的小节，是伯吉斯呈现出的最后一个惊奇——vox clamantis in deserto ——好比先知在寸草不生的荒野里的呼喊。但是，这种喜悦之声不会要求将崎岖之路通直，或将坎坷之地展平。因为，真实路径的终点注定有吸引力，身处那坎坷崎岖之途，只会是满心欢喜 [4] 。

我处在常规创作的两极之间。我不是一个记者，或者“科学作家”，不会以公正的局外人自居，去采访其他领域里的人物。我是一名职业古生物学家，跟这出戏里所有的主要参与者是联系紧密的同行，在私下也是朋友。但是，我不具备该研究特需的立体空间思维天赋。尽管如此，惠廷顿、布里格斯、康维·莫里斯的世界，也是我的世界。我了解这个世界蕴含的希望、存在的不足、采用的术语与技术手段，不过，我也能与它的幻想和平共处。如果本书能被读者接受，那么，就说明我把专业的风格和知识，与做出判断所必须保持的距离结合到一起，我的一个梦想——以地质学行内人视角创作一本类似约翰·麦克菲作品的读物 [5] ——就实现了。如果没能被接受，那么，我也不过是加入众多“受害者”的行列，成为他们当中的一员——所有的陈词滥调都能用来自辩，比如说，（读者）众口难调、（我）两头不讨好。〔生活在这个专业领域的世界之中，同时又要客观地报道它，常常让我感觉到为难。其中，有一个很简单的问题，我发现自己无法解决。我的主人公，名字是（按姓）惠廷顿、布里格斯、康维·莫里斯，还是（按名）哈利、德里克、西蒙？我最终放弃了对称呼的统一，认定两种称呼都是合适的，只是适用环境不同——由我的直觉和感受决定何时采用何种。我还得遵循另一常规，在按时序呈现“伯吉斯之戏”时，依照的时间是各个伯吉斯化石研究成果的出版日期。但是，所有行内人都知道，从手稿的提交到印刷出版，之间的间隔是随机的，可长可短，难以预料。由此，论文出版的顺序与实际工作的先后或许没有什么联系。因此，我请所有的主要参与者检查了我列出的序列。还好，结果让我满意，也让我舒了一口气——在这个案例中，论文出版的时间顺序很好地反映出研究工作的先后。〕

我在每一次撰写所谓“普及读物”时，都极力维护一条个人原则。（“普及”一词的字面义令人向往，但现已被贬损，带有简化或添油加醋的意味，好像这样的读物应该如同轻音乐，读起来无须费神。）我相信——就像伽利略完成他那两部巨著，是以意大利语对话的形式，而不是用拉丁文写就的说教纲要；就像托马斯·亨利·赫胥黎写出他那高超的文章，不用一条术语；就像达尔文出版他所有的书籍，都是面向大众读者——我们仍然可以有这样一类科学读物，既适合专业人士阅读，也能让感兴趣的非专业人士读懂。尽管科学的概念数量丰富、意义多样，但不必有所妥协，不必经过扭曲的简化，也能以不同文化水平的读者可以理解的语言表达出来。当然，较之学术出版物，面向一般读者的读物在遣词造句方面必然有所不同，但只限于略去令行外人士感到迷惑的术语和措辞，而概念的深度绝对不可有所不同。我希望本书能使读者获益，不仅仅能用于研究生选修的专题讨论课，如果您去东京出差，不巧途中播放的电影难看，您又忘了带安眠药，本书也可以拿来当作消遣。

当然，“您真诚的”在下的这些期待和私见也需要您有所付出。伯吉斯故事的魅力在于它的细节，与解剖学结构有关。是的，或许您跳过这些内容，仍可以获得大致的启示（天地良心，那启示我会满怀热情地在书中重复足够多的次数），但您千万别这样做——否则，您将永远不能领略“伯吉斯之戏”的瑰丽，也体会不到其引人入胜之处。对于解剖学和分类学这两方面的技术内容，我已尽己所能，使之在尽可能自洽的同时，尽量不显得咄咄逼人。我在正文中加入了插页，作为对这些内容的入门介绍。我将术语的使用频次降到低得不能再低。（幸运的是，我们几乎可以略过专业语汇中所有令人沮丧的术语，只须了解附肢的种类和排列方式，即可抓住节肢动物的要领。）此外，所有关于特征的描述性文字都配有示意图。

我也一度考虑（不过是脑中的恶念在作祟）将所有的描述性文字略去，换上一些伪装得面面俱到的美丽插图，另诉诸权威——拿它当挡箭牌。但是，我不能这样做。这不仅是因为在上文中提到的一般性原则，还另有原因——若我略去有关解剖学特征的论证，采用二手信息来源，而非原始专论文献，每一次，都会在真实的美丽之上留下一道亵渎的印记。说起真实之美，一来是因为那些技术性成果是我在专业生涯中所见的最为雅致的一部分，二来是出于伯吉斯动物本身的独特魅力。求人总是显得不体面，但容我恳求一句——请您对那些细节抱有容忍之心，它们不难理解，它们还是进入一个新世界的大门。

要写作这样一本书，最终难免成为一项集体合力的事业。我必须感谢所有人给予的耐心、慷慨、洞见和鼓励。我要感谢哈利·惠廷顿、西蒙·康维·莫里斯，还有德里克·布里格斯，他们容忍我长达数小时的采访、我的追根问底，还为我审读了本书手稿。感谢幽鹤国家公园的斯蒂文·萨迪斯（Steven Suddes）体贴地组织了一次徒步之旅，前往沃尔科特的采石场——没有这次朝圣之旅，我不可能写出这本书。感谢拉斯洛·梅索伊（Laszlo Meszoly）以精湛的技艺为我准备图表。他的这份技艺令我仰慕，也是我近20年来工作的依靠。感谢莉比·格伦（Libby Glenn），在她的协助下，我得以遍阅藏于华盛顿的海量沃尔科特存档。

我之前发表过的文字从未像本书这样如此依赖插图。不过，对于本书而言，它是必需的。毕竟，灵长目动物精于视觉。尤其是对解剖学结构的展示，图像与文字同等重要。在这项工作一开始，我就决定，本书将采用的大多数示意图，必须是惠廷顿及其同事在原始文献中使用的原图——不仅因为它们在这一类型中出类拔萃，而且，主要是由于我不知还有什么更好的方式，可以表达我对他们工作的无限敬意。从这种意义上来讲，我只是扮演一个忠实的历史记录者的角色，而记录的原始信息来源，在我自身行业的历史中，有着至关重要的地位。我也有惯常的无知和偏见，我以为翻拍已出版的图像必定是一个简单的自动过程——随便一照，然后随便冲洗出来。但是，当目睹我的摄影师阿尔·科尔曼（Al Coleman）和我的研究助理大卫·巴克斯（David Backus）的工作之后，我对其他专业的精湛技艺有了很多体会。他们耗费了三个月的时间，使图像的分辨率达到了我在原始文献中都看不到的高水平。我要献上我最诚挚的谢意，感谢他们的奉献和建议。

这些图片总共约100幅，主要属于两种类型——标本的实物绘图和完整生物个体的复原图。我原本可以去掉实物绘图中特征的指示标签，它们通常标注得十分密集，与文中论证有关的也很少。而且，那些有关的少数，在图题中已有完整的解释。但是，我希望读者看到这些示图在原始信息来源中的样子。顺便说一句，读者应注意，按照科学示图传统重建的绘图，展示出的动物，很少与在寒武纪时期海洋底部可能实际观察到的一致。有两方面的原因，都是为了让更多的结构完全地显现出来。一方面，对一些结构进行了透明处理。另一方面，省略了（通常在身体另一面重复的）一些结构。

既然技术性绘图展示的生物不是其活灵活现的真实形象，我决定，必须另请一位科学艺术家，为本书创作一系列复原图。因为，已出版的标准插图不能让我满意，它们要么不准确，要么缺乏美学质感。幸运的是，德里克·布里格斯向我展示了玛丽安娜·柯林斯绘制的多须虫（图3.55）。这让我终于见到伯吉斯生物的这样一种形象——它集合了解剖学细节上的严谨与美学上的优雅，能让我想起美国自然博物馆里亨利·费尔费尔德·奥斯本半身像下的铭文——“因为他，骨架才得以活灵活现，远古的庞然大物才回到‘行进’的生物行列中” [6] 。让我十分欣喜的是，多伦多皇家安大略博物馆的玛丽安娜·柯林斯能为本书特别贡献20多幅伯吉斯动物复原图。

这一集体的成果将几代人连到一起。我与比尔·谢维尔及G.伊夫林·哈钦森有过很多交谈。前者曾在20世纪30年代与帕西·雷蒙德一起（前往伯吉斯页岩）采集，后者在沃尔科特去世后不久，便发表了自己第一篇洞见颇深的伯吉斯化石论文。我对沃尔科特进行了大量研究，了解之深，几乎就像触碰到他本人。之后，我把目标转向当前，与现在所有从事有关工作的研究人员进行了交谈。我特别感激皇家安大略博物馆的德斯蒙德·柯林斯。1988年夏季，就在我撰写本书之时，他终于进入沃尔科特最早的采石场。此外，他还在雷蒙德的采石场上方的一处新地点取得最新的发现。他的工作成果在未来将扩充和修订本书一些章节所涉内容——被取代是求之不得的必然结局，这样，科学才不会停滞和消亡。

有一年多的时间，我沉浸在伯吉斯页岩的世界里，跟来自四面八方的同事和学生一谈起这个问题，便滔滔不绝。他们提出的意见、疑问和告诫，使本书得到了极大的改进。科学欺诈和一般性不良竞争行为是当下的热门话题。这种现象的确很严重，但让我担心的是，它会在学界以外的人士眼中形成一种假象。那些报道太吸引人，以至于每一件平常被认为是正派、光荣的事件，似乎都能让人觉得是心存欺诈，另有所图。事实不是这样，完全不是。悲剧不在于那些行为被视为普遍现象，而是这种不对称产生的后果令人沮丧——偶尔发生的恶性事件让千百种学术常态一文不名，或者将之盖于风头之下。而那些常态从未被记录在案，因为我们将之视作理所当然。古生物学界是一个友善的专业圈子。我不是说我们都喜欢对方，我们之间当然也有很多不同之见。但是，我们互相扶持，避免狭隘。这一伟大传统为本书的完成铺平了道路。本书得益于无数友善的姿态，而我从未记录在案，正因为它们是正派人的——也就是说，谢天谢地，我们大多数人在大多数时候的——平常举动。这种分享让我感到欣喜。让我感到欣喜的，还有我们对一种历史知识的共同热爱，而那种历史正属于我们美好的生命。

注解：

[1] 　原书“序及致谢”无此标题，此为编者附加——编者注

[2] 　我最不热衷的体育项目（my least favorite sport），指美式橄榄球，作者更热衷棒球和篮球。下文引用的比喻之一“擒抱”，即tackle——译者注

[3] 　本书原著标题Wonderful Life 意为“美好的生命”。有关本书与电影《生活多美好》的渊源，详见本书此处脚注[27]——译者注

[4] 　作者调侃《圣经》典故。一方面出自旧约《以赛亚书》（40：3—4）的故事。其中，一个呼喊的声音预示，要为迎接上帝“荣耀”的显现做好准备，得展平坎坷之地，通直崎岖之路等。另一方面，在新约故事〔《马太福音》（3：3）、《马可福音》（1：3）、《路加福音》（3：4）、《约翰福音》（1：23）〕里，施洗者约翰引用了这个典故，vox clamantis in deserto （荒野里的呼喊）即来自相应的拉丁文翻译版本。按现在的诠释，它指的是表达无人理睬的观点。在本书中，那“伯吉斯呈现出的最后一个惊奇”在它的时代籍籍无名，毫无优势可言，没有谁会料到它的传承结果将在未来主导世界——译者注

[5] 　据美国《人物》（People ）杂志1986年6月2日号刊登的文章《斯蒂芬·杰·古尔德》，本书作者当时在病愈后的愿望之一，是以伯吉斯页岩为题材，写一本类似约翰·麦克菲作品的读物。约翰·麦克菲（John McPhee，1931—），美国著名作家，普林斯顿大学教授，普利策奖获得者，将文学手法引入纪实题材。麦克菲的作品主题宽泛，也涉及地质学，深受读者欢迎，本书作者甚至为此在《纽约书评》杂志上发表过书评，但麦克菲自身并非“地质学行内人”——译者注

[6] 　据作者在《发现》（Discovery ）杂志1993年10月号刊登的文章《解构恐龙》（Dinosaur Deconstruction ），他儿时是该博物馆的常客，每次都会在雕像前驻足，因而将这句话铭记于心。但在刊文时，他认为这句话更适合查尔斯·R.奈特——译者注

第一章　图如所愿

以图开场

吾欲赐汝骨以筋，附之以肌，再覆以肤，通体以息。

汝众遂得复生。（《以西结书》37：6） [1]

当年，上帝亲临干尸谷，当着以西结的面露了两手。长久以来，要将动物从支离破碎的骨骼恢复成原先的模样，还没有谁能完成得如此优雅娴熟 [2] 。身为最负盛名的化石复原美术家，查尔斯·R.奈特（Charles R.Knight）画笔下的经典恐龙形象，就让我们见了心生恐惧，浮想联翩，至今不能忘怀。奈特还为《国家地理》杂志1942年2月号绘制过一套全景图 [3] ，依时序展现地球上生命的演变历程，从多细胞动物问世开始，一直到现代人类（Homo sapiens ）登顶。（这一期杂志被广为收藏，正因为如此，当您光顾缅因乡间 [4] 的中心百货商店，看到后面的仓储货架上有廉价处理的杂志“全集”时，会发现该期总不在其中）本书封套上的图画，正是那套全景图的第一幅，它根据在伯吉斯页岩（Burgess Shale）发现的动物化石绘制而成 [5] 。

伯吉斯页岩化石发现于加拿大幽鹤国家公园（Yoho National Park）的高山之上，该地地处加拿大落基山脉 [6] ，位于不列颠哥伦比亚省东缘。即便有恐龙和非洲猿人那样的古生物奇观珠玉在前，我依然能毫不迟疑地肯定——伯吉斯页岩里的无脊椎动物，是世界上最重要的动物化石。根据化石记录推断，现代多细胞动物最早出现于约5.7亿年前，无可争议。而且，出现的过程短暂，好比爆炸，一声巨响，突如其来，而非如悠长的渐强乐音，自弱渐升，直至高潮，这就是寒武纪生命大爆发。这一过程历时数千百万年，按地质年代的尺度，不过弹指一挥间，但至少从现有的直接证据看，它标志着现代动物的主要类群全数登上自然历史舞台。伯吉斯页岩所代表的，就是紧接大爆发的时期，在那一时期，随大爆发出现的所有生物都生活于海洋之中。这些在加拿大发现的化石为何贵如珍宝？那是因为它们完好地保存着一些特有的细节，如一只三叶虫鳃的纤毛，又如一只蠕虫肠道里的残食，那是它最后一次“用餐”留下的。也就是说，标本的软体解剖学结构清晰可见。我们对化石的记录研究，几乎全部围绕着硬体展开。然而，大多数动物并不具备能形成化石的硬体结构，即使有，能从那些外壳获得的解剖学信息也十分有限。（试问，仅观察蛤的壳本身，能看出些什么？）因此，为数不多的动物软体化石记录，就成为认识古生物真实面貌和多样性的宝贵窗口。伯吉斯页岩动物群就是这样一扇窗口，通过它，我们可以领略动物进化历程中最重要的事件——寒武纪生命大爆发的直接成果。就此而言，它是我们仅有的、保存完好、记录全面的窗口。

从人物的角度看，伯吉斯页岩的故事也相当有吸引力。这一动物群发现于1909年，发现它的，是美国最伟大的古生物学家和科学管理者，时任史密森尼学会（Smithsonian Institution）会长的查尔斯·都利特·沃尔科特（Charles Doolittle Walcott）。随后，沃尔科特对这些化石做出了全面深入、始终如一的——错误诠释。这一错误直接源于其因循守旧的生物观，所致后果，简而言之，就是在分类界定的过程中，将伯吉斯页岩动物群的每一种，都强塞进现成的现代类群，把它们整体看作后来较进化类群的原始或祖先类型的集合。在接下来的半个多世纪里，沃尔科特的诠释没有受到持续的挑战，直到1971年。这一年，剑桥大学的哈利·惠廷顿（Harry Whittington）教授根据全面的重新研究，发表了首篇相关的专论。论文从沃尔科特的假说讲起，以提出全新的诠释结束。他那截然不同的诠释，不仅是针对伯吉斯页岩动物的订正，在字里行间，还流露出对整个生命进化史的重新解读，我们人类的进化当然也包含其中。

上述重新诠释，表面上看似平静，背后，却是激烈的思辨交锋。写作本书的主要目的有三个。首要目的，即梳理那些有戏剧性的幕后群像。第二个目的，就如重新诠释中所要暗示的，是阐明对历史本质和令人敬畏的人类进化非必然性的立场。于本书而言，走到这步在所难免。至于第三个，是令我纠结的谜团——为什么这样一项重大研究不为公众所知，为什么在新的生物观里，关键动物是欧巴宾海蝎（Opabinia ），而非一个家喻户晓，容易让人关心其存在之谜的名字。

惠廷顿及其同事所揭示的，简而言之，就是——在伯吉斯发现的生物中，绝大多数不属于我们熟知的类群。这些源自不列颠哥伦比亚采石场的生物，解剖学结构多种多样，涵括了如今海洋无脊椎动物的全部，并已超出已知范围。分属门类无法确定的物种，就有15～20种，当为之各立新门，分别归入。其中有一些物种，尺寸仅数厘米，但将之放大，给人的观感，如同身处科幻电影的拍摄现场。有一类格外醒目的生物，甚至被正式命名为“致幻虫”（怪诞虫，Hallucigenia ）。对于那些门类可以确定的物种，其解剖学结构亦超出现有的认知。例如在如今地球上占有优势地位的节肢动物，其四大组成类群 [7] ——（已灭绝的）三叶虫类，甲壳类（如龙虾、蟹、虾），螯肢类（如蜘蛛、蝎子）和单肢类（如昆虫）——相应的早期代表，在伯吉斯页岩中都能找到。但是，另有20～30种的节肢动物，我们无法对其做出进一步的归类。试想一下，这个数字的意义该有多么重大——分类学家已描述了近100万种节肢动物，全部局限于那四大类群，而区区一个不列颠哥伦比亚的采石场，仅因为是多细胞生物第一次大爆发的遗迹，从那儿，就多出了20多个新的节肢动物类群！看来，生命进化的过程，是一个在大规模物种灭绝过后，少数幸存者持续分化（苟延残喘）的故事，而非如常言所道，是朝着更加优胜、更加复杂、更加多样的方向稳步演进的美好传说。

为概述这一新的诠释，下面来比较两幅伯吉斯动物群复原图。一幅由奈特绘制（图1.1），完全以沃尔科特的分类为依据；另一幅，是发表于1985年的一篇文章里的附图（图1.2），文章所持观点与沃尔科特相反。

图1.1　奈特1940年绘制的伯吉斯页岩动物群复原图。它有可能是1942年（《国家地理》杂志）版的原型。在图中，所有动物都被描绘成现代类群的成员。西德尼虫是图中体形最大的动物，瓦普塔虾位于其上，被重构成一只虾。两个实为奇虾的身体部件，被分别塑造成常见的水母（图正上方中间偏左）和一种双瓣壳节肢动物（图正中偏右，游弋于两只三叶虫上方的大个头）的身体后部。

图1.2　重新构建的伯吉斯页岩动物群复原图。它是布里格斯（Briggs）和惠廷顿所著的一篇有关奇虾的文章配图。与奈特的版本有所不同，图中出现了许多奇特的生物。占据画面大部分空间的是两只巨大的奇虾。西德尼虫被挤到右下角，在它左边，有三只埃谢栉蚕，啃食着海绵，再往左，一只欧巴宾海蝎正沿着底部爬行。在图中靠上的那只奇虾下方，是两只正在海底啃食海草的威瓦西虫。

1.奈特复原图的主角，是一种被命名为西德尼虫（Sidneyia ）的动物。沃尔科特认为它在伯吉斯节肢动物中个头最大，是螯肢类的祖先。在新版复原图里，西德尼虫被冷落到右下角。它原先的地盘被奇虾（Anomalocaris ）占据，那是一种分类地位未明的“两英尺骇兽”，在寒武纪威震四海。

2.奈特对动物的复原，是按照后来成功类群的样子进行的。马尔三叶形虫（Marrella ）被重构成一种三叶虫，瓦普塔虾（Waptia ）被重构成一种原始的虾（见图1.1）。现在，它们都被置于“分类地位不明之节肢动物”的行列。新版复原图中，有很多奇特门类的动物，如巨大的奇虾，有五只眼睛和“长鼻”的欧巴宾海蝎，身覆鳞片、背负两列硬棘的威瓦西虫（Wiwaxia ）。

3.奈特复原图里的生物谨守“和平王国”的共识，所有生物共聚一堂。表面看来，它们能和谐相处，相安无事。实际上，它们之间没有互动。新版复原图保留了那种不现实的拥挤局面（秉承节约的传统，有其必要），而得益于近来研究的新发现，它也对生物之间的生态关系进行了呈现——曳鳃类（priapulid）和多毛类（polychaete）蠕虫在泥里掘洞，神秘的埃谢栉蚕（Aysheaia ）啃食着海绵；奇虾收拢大口，要钳碎一只三叶虫。

4.奈特复原的动物，有两种没有出现在新版中，一种是水母，另一种是长相奇怪的节肢动物，看尾部，像是虾，而前部，像是包在两瓣贝壳里。它们是把伯吉斯动物硬塞进现代类群所致错误的典型代表，沃尔科特的“水母”，实际上是奇虾口部周缘板片形成的圈状结构，而“虾”的后部，实为奇虾这种肉食性野兽的进食附肢。沃尔科特的两种以现代生物为原型的动物，成了伯吉斯最大“奇葩”的身体部件。将这种“奇葩”命名为奇虾，可谓名副其实。

就这样，对复原图的一处修正，便概括了思想的复杂转变。图说是一种被人忽视的手段，它能改变观念，大到涉及历史和生命的一般意义，而具体到对伯吉斯页岩的印象，更是如此。

注解：

[1] 　引自《圣经》，原文为“And I will lay sinews upon you，and will bring up flesh upon you，and cover you with skin，and put breath in you，and ye shall live.-Ezekiel 37：6”——译者注

[2] 　按《圣经》典故，上帝借以西结（Ezekie）之手复活的是人，不是动物。即使原文有意调侃《圣经》，仍难消歧义——译者注

[3] 　原文所述奈特插图刊登于《国家地理》杂志1942年2月号，由此可以推断，奈特并非如文中所言，是在1942年2月绘制的插图——译者注

[4] 　原文为“Bucolia，Maine”，但美国缅因州并无此地。Bucolia应是作者根据bucolic（乡间的）一词引申而出的地名，用以调侃——译者注

[5] 　此处指英文第一版封套，与再版封套不同——译者注

[6] 　加拿大落基山脉（Canadian Rockies），指北美洲西海岸落基山脉（Rocky Mountains）在加拿大的部分——译者注

[7] 　节肢动物门下分五个亚门。文中四大类群，三叶虫类、甲壳类、螯肢类各属相应的亚门，单肢类（Uniramia）是六足亚门（昆虫等所属）和多足亚门（蜈蚣等所属）动物的合称——译者注

“进步”图说：阶梯和圆锥

多年来，“熟悉”这一字眼在我们的格言里收获不断，无所不包——熟生藐（如伊索所训），亦能生娃（如马克·吐温所察） [1] 。普隆涅斯在侃侃而谈的言语间，教诲雷欧提斯要结交经得起考验的朋友，当精挑细选，一旦合适——就“紧紧抓住”不放，用“钢圈紧箍”，与灵魂系为一体 [2] 。

然而，正如杀害普隆涅斯的凶手在他那名贯古今的独白里所言——“问题就出在这里” [3] 。那些钢圈松开不易，就这样，舒适的熟悉圈子成了思想的桎梏。

文字是我们强化共识的常用手段。固化思想，统一行动，达到这一目标，没有什么能胜过精心推敲的名言——“为‘吉普仔’赢一回，上帝将赐福于你 [4] ”。但是，语言不过是最近的发明，它尚未完全取代更早的传统。灵长目动物精于视觉，对于我们人类而言，有说服力的图像，可能比文字更能引起共鸣。无论是煽动家、讽刺家，还是广告经理，他们中的每个人，都深谙图像精选之道，并将图像的号召力发挥得淋漓尽致。

在这方面，科学家渐渐失去了洞察力。的确，除了艺术史学家以外，我们科学家几乎是使用图像最多的学者。在科学会议上，“请放下一张幻灯片”已经超过“在我看来”，成为学术报告使用频率最高的习语。不过，科学家惯于用文字为自己的观点辩护，使用挑选的图像，只是辅助的展示手段，处于从属地位。没有多少科学家会认为，图像本身在内容方面固有其思想性。但图像就是有，一如对自然的忠实反映。

上述所言，只有对实物的照相可以符合——尽管对于相片，“略作调整”也大有用武之地。即便如此，我还能理解。但是，我们有很多图像，虽然只是对概念的一种体现，却打着对自然客观描述的幌子。这是模糊是非最主要的源头——将观点伪装成对客观存在的描述，进一步，就把不确定的可能发生情形与准确无误的既定事实加以等同。用以理清思路的经验技巧，摇身一变，成为既定的思维模式，猜想和预感鸡犬升天。

我们熟悉的进化图说，或直白，或委婉，都指向一个目标——强化这样一个舒心的观念——强调人类优越及其进化的必然性。反映这一观念最突出的版本，跟进化论产生之前的古老观念一脉相承（见A.O.诺夫乔伊的经典著作《存在巨链》 [5] ）。其中生物的排列方式，或连接成串，或渐升成梯。例如亚历山大·蒲柏 [6] 在18世纪初的《论人》（Essay on Man ）中如是写道：

造物的种类越多，

感知的力量越强。

记下登顶的历程——人种的至尊

如何从那脚下绿草里的芸芸众生而来。

在那个世纪之末，还有一个著名的版本值得注意（图1.3），它见于英国医生查尔斯·怀特（Charles White）所著的《人种等级划分规则》 [7] 。在那个版本里，千差万别的众多脊椎动物类群被强生生地穿成一链。那是一个混杂的单一序列，从鸟类，到鳄鱼和狗，在猿之后，直登传统种族主义者对人种等级划分的阶梯。位于终点的，是白种人的典范，并配以那个世纪富有浓郁的洛可可风格的描述：

图1.3　生物线性等级图——体现出查尔斯·怀特对“存在之链”的理解。这个类群混杂的序列，从鸟类开始，依次为鳄鱼、狗和猴（下两排）。然后，直接以传统种族主义者对人种等级阶梯顺序排列（上两排）。

除了在欧洲人身上，哪儿找得到如此高贵的拱形头颅、能容下体积如此之大的脑？哪儿找得到端正的脸、高耸的鼻、圆突的颏？哪儿能找到那般多样的面部特征、那么丰富的表情……玫瑰粉的颊、珊瑚红的唇？（White，1799）

图1.4　“进步”的观点在亨利·费尔费尔德·奥斯本1915年绘制的脑进化图说中的体现。

这种传统从来没有从我们这儿消失，甚至是到了较为开明的时代。1915年，亨利·费尔费尔德·奥斯本 [8] 的一张展现认知的线性积增图获得了极大的声誉，而那是一张充满错误的图（图1.4）。事实上，黑猩猩不是我们的祖先，而是有相同的祖先。从进化学的角度看，就与人类和非洲人科动物共同祖先的亲缘关系远近而论，黑猩猩与我们是平齐的。爪哇猿人〔Pithecanthropus ，即直立人（Homo erectus ）〕有可能是人类的祖先，这是图中唯一正确之处。把“皮尔当人”（Piltdown）放到图中，意义非比寻常。我们现在已经知道，“皮尔当人”标本的发现是场骗局，它由一个现代人的头盖骨和一只猿的颌骨拼接而成。“皮尔当人”有现代人的头盖骨，自然也拥有现代人的脑容量。然而，奥斯本的同行们确信，进步的阶梯必有其中间台阶，体现到人类化石，也该是如此。于是，他们根据这一期望，在图中重构了“皮尔当人”的脑。至于尼安德特人（Neanderthal），他们可能是与我们同一物种的近亲，而非祖先。无论如何，他们的脑和我们的一样大，或许更大，尽管在奥斯本的阶梯上不是这个样子。

到了我们这一代，像这样的图说仍未被撇弃。看看图1.5，那是拙作荷兰语译本上的，单单用一张十分露骨的“行进的进步”，就足以说明问题。如果认为只有西方文化才会推销这种自大的理念，那看看图1.6，就知道它的影响传播得有多远了——那是1985年我在印度阿格拉（Agra）的巴扎上买的杂志上的图说。

图1.5　我们热爱“行进的进步”式图说。这种展示让我感到尴尬，我的图书致力于反对如图所示的“进化”，但我对外文译本的封套设计无能为力，已有四种译本的封套采用了“行进的进步”式图说。此图来自《自达尔文以来》的荷兰语译本。
图1.6　我在印度阿格拉的巴扎上买的儿童科普杂志。错误的“行进的进步”式的图说已经为多种文化所接受。

这样一幅图，能在顷刻间吸引人们的视线，并使他们对其要旨心领神会，可以说，“行进的进步”式图说本身，就是人类进化的典范体现。它在幽默和广告中的体现尤为突出，那些手段正好为我们提供了测试公众感知能力的绝佳机会。因为，笑话和广告必须让人一目了然、豁然开朗，在我们将视线扫过的那一瞬间，就得融入我们的脑海。幽默的例子如图1.7所示，这是拉里·约翰逊（Larry Johnson）为《波士顿环球报》绘制的一幅漫画，发表于新英格兰爱国者队（Patriots）对奥克兰突击者队（Raiders）的一场橄榄球赛开赛之前。又如图1.8所示，漫画家斯泽普理解的恐怖主义在人类形成过程中所处的准确位置。再如图1.9所示，比尔·戴对“科学神创论”的看法。另如图1.10所示，我的朋友迈克·彼得斯对传统社会中男女机会不平等的讽刺 [9] 。还有广告，如健力士黑啤的演变（图1.11）和电视租赁 [10] （图1.12）。

图1.7　漫画家能将阶梯式图说用得恰到好处，本图就是一个例子。该图由拉里·约翰逊绘制，在新英格兰爱国者队对奥克兰突击者队的橄榄球赛开赛之前，刊登于《波士顿环球报》。【图题为“人的进化”，最左侧运动员服装上客队的“奥克兰”的字样清晰可见——译者注】

图1.8　世界恐怖主义从天而降，落到“行进的进步”中属于它的位置。斯泽普绘制，刊登于《波士顿环球报》。【图中降落伞上的文字为“世界恐怖主义”，图题为“历史中的位置”——译者注】

图1.9　一位“科学神创论者”在“行进的进步”中选择了属于自己的位置。比尔·戴绘制，刊登于《底特律自由新闻报》。【图题为“诺贝尔奖级科学家终于发现进化史中缺失的一环”，物种标签自左向右分别为南方古猿、直立人、神创论者、尼安德特人、现代人，神创论者举牌所书文字为“地球自诞生才1万年”——译者注】

图1.10　另一个阶梯式图说的例子。迈克·彼得斯绘制，刊登于《代顿每日新闻报》（Dayton Daily News ），经UFS，Inc.授权重印。【上图标题为“男人的进化”，下图标题意为女人的进化——译者注】

图1.11　人类进化的最高阶段。翻拍自一个英国广告牌。

图1.12　另一幅广告中展示的“行进的进步”。【图题为“格拉纳达电视租赁公司的进化论”——译者注】

直线式进步的紧身衣，不只是套在进化的图说上，还影响到对进化的定义，进化这个词本身已经成了“进步”的同义词。特威尔（Doral）香烟的制造商曾经将其多年来推出的不断“改进”的产品按时序呈现，并将广告加以标题——“特威尔氏进化论” [11] 。（或许他们现在为当年喊出的错误口号备感尴尬，因而拒绝了我在此引用该广告的请求。）或者，可以以连环漫画《安迪·凯普》（Andy Capp ）的一期为例（图1.13）。弗洛（Flo）接受进化的说法毫不迟疑，但她认为进化就是进步，并将安迪（因醉酒）爬着回家的四肢着地行为视作退化。

图1.13　日常中将进化和进步相等同的表达。安迪四肢着地的样子被解释为反向的进化，即退化。（获授权重印，＠M.G.N. 1989，Syndication International/North America Syndicate，Inc.）

生命不是可预见的进步阶梯，它更像枝繁叶茂的灌木，灭绝的死神挥动着镰刀，时刻对其修剪着。很多人可能把这句话当成口头禅，但没有将其视为一个概念，也未深入思考。因此，我们仍无意识地站在进步的阶梯一边，进而不断犯错，甚至在有些时候，我们的初衷本是大张旗鼓地否定这一过时的生物观。下面举两个错误的例子，第二个有助于了解我们为何会对伯吉斯页岩产生那些常见的误解。

我把第一个错误称作“生命的小玩笑”（Gould，1987a）。我们在犯这个错误的时候，可谓不由自主，错误也相当严重——把不成功的谱系（lineage）视作“进化”的经典“教科书案例”。之所以犯错，是因为在真实的谱系图中，拓扑结构枝繁叶茂，我们试图从中抽取可显现出进步趋势的单独一枝。为此，我们不可避免地被那些濒临灭绝的分枝所吸引，以至于能符合要求的候选分枝，是仅余一个小枝幸存至今的。随后，这样的小枝所代表的物种，就被我们视作该谱系在进化过程中不断攀升所达到的顶峰，而非历史久远、成员众多的类群的仅存一脉。

战马（warhorse）这个词常常被用来形容老调的娱乐，那我们就来看看这样一个典型的传统老调例子——这个形容里的主角——马的进化阶梯。诚然，始祖马属（Hyracotherium ，原Eohippus 属）和现代马属（Equus ）动物之间在进化方面有着不间断的关联。而且，相比之下，现代的马，体形确实更大，蹄数更少，露出的牙冠更多。但是，如果能勾勒出从始祖马属到马属动物的形成过程，会发现这种关联并不能形成一个阶梯式的结构，甚至没有直系的传承。这种结构，更像是迷宫里曲折的唯一活路。把前述那株枝繁叶茂的灌木当成这样一个迷宫，上部的端梢小枝当作出口。本来，出口不止一个，活路成百上千。那条曲折活路之所以能脱颖而出，原因只有一个，而且十分讽刺——同一类群的其他物种，就如其他小枝一般，被死神修剪殆尽——灭绝了。马属动物就像是灌木上唯一幸免于难的小枝，因而被我们错误地置于图说中的阶梯顶端；马成为进步式进化的经典案例，却是因为代表它们的那株灌木已变得如此光秃。我们从未将应有的桂冠授予哺乳动物进化的真正佼佼者——谁曾听过有关蝙蝠、羚羊、啮齿动物的进化故事？它们可是如今最成功的哺乳动物。只不过，我们无法把它们进化的累累硕果，固化成大家喜闻乐见的线形阶梯，所以无传奇可讲。而它们呈现给我们的景象，就好比仍有着成百上千个小枝，枝繁叶茂、生长旺盛的一株灌木。

诸位读者，还需要我提醒大家，哺乳动物中至少还有那么一支，出于我们的私心，受到特别的眷顾，代表它的灌木与马的有着相似的光秃结构，唯有一个小枝尚存，也有相似的“行进的进步”式错误图说吗？

在犯第二个错误时，我们或许已经抛弃阶梯的观念，接受了进化谱系具有枝繁叶茂的特征。然而，我们在构建生命之树时，仍如往常一样，费尽心思，力图让它能展现出意料之中的进步，以满足我们的期望。

图1.14　美国古生物学家奥塞内尔·查利斯·马什（Othniel Charles Marsh）为托马斯·亨利·赫胥黎（Thomas Henry Huxley）绘制的马的进步阶梯原图。在赫胥黎唯一一次访美途中，马什为这位英国来客展示了自己近来收藏的美国西部化石标本，本图所示的进化序列使其信服，最终促使其修改了1876年在纽约发表的有关马进化的演说词。注意，在图中，随着时期推移，马趾的数目逐步减少，牙冠的长度逐渐增加。但是，既然马什把所有标本画得一般大小，我们从图中无法察觉到另一典型特征——身高的增长趋势。【图中所示前臂及前臂以下的“腿”皆为马前肢的解剖学结构，上臼齿左侧为牙冠——译者注】

在构建生命之树的过程中，树形会受到一些重要的限制。首先，对任何分类类群溯源，最终都能追溯到单一共同祖先，所以，进化树必须有唯一的基干 [12] 。其次，树的所有分枝，或死亡，或进一步分叉。分叉一旦发生，就不可逆转，相隔较远的分枝不会汇聚 [13] 。

这两个限制分别被称为单系性（monophyly）和趋异性（divergence）。尽管有这些限制，进化树可能的树形仍近乎无穷无尽。拿灌木的生长来打比方，它可以迅速展开，达到最大的幅度，然后逐渐收回，向上削尖，就像圣诞树那样。或者，在迅速分枝后，不向中间收回，而是保持现有幅度。在进化树上，这种情况的产生，归功于物种形成和灭绝之间达到的持续平衡。或者，像风滚草那样，分枝分得如同一团乱麻，形状和大小都很难分辨。

上述这些多样的可能性并不常见，常见的图说坚持沿用一种原型，即“多样性递增的圆锥”，形状如同一株倒置的圣诞树。在图中，生命最初的形式简单，类型有限，越往上，生命越进步，种类越来越多，或者如图所暗示的，情形越来越理想。图1.15所示为体腔动物（这类具有体腔的动物是本书的主题）的进化，可见其中所有动物都源于一种简单的扁形动物，井然有序。从基干分出几个基本类群的原型，这些类群到现在还没有一类绝种。类群继续分化，形成数目不断增加的亚类群。

图1.15　近来的一幅体腔动物进化图说，绘图样式遵循“多样性递增的圆锥”的共识（Valentine，1977）。【图中部分类群名称已弃用——译者注】

图1.16汇集了通用教科书上常见的圆锥式图说，三幅抽象的，三幅实例的，其中所涉类群与本书论题息息相关（在第四章，我会追溯海克尔 [14] 创建这种树原型的根源，还会讨论这类树状图对沃尔科特重构伯吉斯动物群的影响）。在这些树状图里，所有的树都符合一种固有模式——向上、向外扩展分枝，并不时进一步分杈；若早期有分枝灭绝，损失会很快地被后来出现的新分枝弥补，重新达到平衡。早期的灭绝事件仅能削除图中与主干相接的小分枝，如此一来，进化的过程就像一棵树长成漏斗形，上部枝叶不断生长，不断伸展，虽有种种可能，却始终符合圆锥式图说的范式。

图1.16　多样性不断增加的圆锥式图说。六个例子取自教科书，它们都是对进化的简单客观展现，从表面上看，没有一个将类群的分化与其他进化过程相对立。前三个是抽象的例子（A～C），后三个分别是脊椎动物（D）、节肢动物（E）、哺乳动物（F）的系统演化，这些具体的例子反映了对各自系统发生的常规观点。来自伯吉斯页岩的数据，否定了图中（E）体现的节肢动物进化的核心观点，不认为那是个连续不断、多样性持续丰富的过程。【图中部分类群名称已弃用，汉译参考当前分类地位——译者注】

图1.16（续）　节肢动物系统发生的一种观点。【图中部分类群名称已弃用，汉译参考当前分类地位——译者注】

图1.16（续）　哺乳动物系统发生的常规观点。【图中部分类群名称已弃用，汉译参考当前分类地位——译者注】

按通常的解释，富有多样性的圆锥式图说可谓一个“大杂烩”，透露出种种深意，饶有趣味。横向轴线代表多样性的强弱——显然，位于圆锥顶部的鱼类、昆虫、腹足类（蜗牛）、海星加起来，跟底部仅有的扁形虫相比，所占的横向空间要多得多。那么，纵向又代表什么呢？从字面意思看，上下方向应该仅仅记录地质年代的近远——位于漏斗下部长颈处的生物年代久远，位于上部开口处的，则较近。可是，我们也把自下而上解读为从简单到复杂，从原始到高级——把年代定位跟价值判断混为一谈。

我们平常有关动物的书面表达，都以这种图说的主旨为基调。多样性是自然的主题，在生命之树上，我们与同地质年代的诸多小枝相邻。在达尔文世界里，所有这些生物（同作为艰难博弈的幸存者）在某种意义上地位平等。那么，我们为什么要（按生物复杂程度，或跟人类亲缘关系的远近）赋予价值，划分等级呢？在一篇有关动物界求偶行为的著作的书评中，乔纳森·韦纳（Jonathan Weiner）（《纽约时报书评》1988年3月27日号）将作者写作的组织结构描述为——“沃尔特斯先生大致以进化的先后次序，从鲎讲起。黑暗中，这种生物在沙滩上相会交配，同月相盈亏和潮汐退涨同步，两亿多年来不曾间断。”在该书后面的章节里，“进化的步伐较大，一下跨越到讲述倭黑猩猩的憨态上”。为什么把书的组织顺序称为“进化的先后”？鲎的解剖学结构复杂，也不是脊椎动物的祖先。两者分属节肢动物门（Arthropoda）和脊索动物门（Chordata），早在有记录的多细胞生物出现之初，它们就已各行其道。

这种错误不仅在专业之外的圈子里泛滥，学术界也未能幸免。举一个近来的例子，来自美国顶级科学期刊《科学》杂志的一篇社论 [15] 。其中构建了一个等级次序，其混杂和愚蠢程度，与怀特的“等级划分规则”丝毫不差。在评论实验室常用研究对象时，编委就“中间部分”进行讨论，它们位于单细胞生物和——猜猜谁在顶端，对——“处于进化阶梯上高级位置”（的物种）之间。我们得知，“线虫、昆虫和青蛙，它们具有单细胞生物不可企及的优势，但只代表了远比哺乳动物简单的物种”。（1988年6月10日号）

现代生命极具多样性，在当中硬造出一个单一的等级，相当不明智。这种不明智的想法，经由我们常见的图说流露出来，同时也暴露了滋生这些图说的偏见——生命如阶梯般上升，多样性如扩展的圆锥一般不断丰富。按阶梯的标准，鲎被认定是简单的类群；按圆锥的标准，它们被看作是古老的类群 [16] 。由上文讨论的“大杂烩”，还得出另一暗示——处于阶梯下方，意味着古老；位于圆锥底部，意味着简单。

那些错误的阶梯式和圆锥式图说，在我们心中的地位如此坚固，是因为有什么不可告人的秘密、难以理解的奥秘或是某种无法言表的极其微妙之处？我不这么认为，我们接受它们，是因为它们给予我们希望，我们希望这个宇宙中固有的意义观，与我们自己定义的相一致。我们简直不能承受莪默·迦亚谟 [17] 弦外之音中流露的诚实：

来到这个宇宙，不知何故，

宛如水，不由己地流，不知来处，

离开，犹如荒原风动，

我不知，不自主地吹，风往何处。 [18]

在《鲁拜集》（Rubáiyát ）后文中的一节四行诗里，作者采用了与之相对的策略，但是仍承认其无望的事实。

爱啊！你是否能与我命运交融，

齐心合力，将这等不幸的宿命一把擒住，

我们是否舍得把它砸个稀烂——而后，

依心之所愿，重新铸就。 [19]

迷思和早期对西方文化的科学解释，多数对此“心之所愿”顶礼膜拜。想想《创世记》那原始的故事，该世界只存在了几千年，除了头五日，人类一直生活于其中。动物也繁衍于其中，但不过是为了满足人类的利益，并服从于我们。在亚历山大·蒲柏的《论人》里，这种地质年代背景激励了作者的信心——肤浅外表必有其深层意义。

整个自然皆艺术，只是你不知

所有机遇皆方向，只是你不识

一切纷争皆和谐，只是你不懂

所有局部的恶，皆是整体的善。 [20]

但是，据弗洛伊德观察，我们同科学之间的关系，必定充满着矛盾。因为，每当我们在知识和权利方面取得重大的收获时，都要被迫付出几近难以忍受的代价——从万物中心的神坛走下的每一步，在无人在意的宇宙中不断边缘化的过程中，我们都蒙受了精神损失。就这样，物理学家和天文学家把我们的世界冷落到宇宙的边缘，生物学家把我们的模样从上帝的翻版还原为赤身裸体的直立猿。

在这轮对宇宙重新定义的过程中，我所在学科的贡献有其令人震惊的特别之处，我们姑且将其称作——“地质学最令人恐慌的事实”。在（19—20）世纪之交，我们已经知道，地球存在的时间能以亿万年计，而人类的存在仅占据这一历史中的最后一毫微秒，按教学时用的标准比喻——宇宙英里的最后一英寸，或者，地质年的最后一秒。

我们无法忍受这个勇敢新世界所暗示的核心。若人类昨日才登上历史舞台，如同枝繁叶茂的大树分出一杈树枝上的一梢小枝，那么，无论从哪个合理的角度去看，世间众生都并非因我们而生，也非为我们而生。或许，我们不过是一件增补的物料，一场宇宙事故，进化圣诞树上的区区一枚灯泡。

暂且把“地质学最令人恐慌的事实”放在一边，我们还剩下哪些路可走？不多不少，只有两条。无论是满怀失落，迫不得已，还是生性乐观，面对挑战满心欢喜，我们都可以接受这弦外之音、暗示或新定义。正如本书所倡导的，到另一个领域，一个更适当的领域里，去寻找人生的意义，包括道德的根源。或者，我们继续扭曲对生命历史的解读，在自然界里寻求无边的精神慰藉。

假使我们选择第二种策略，我们的机动性会受到已知地质历史的极大限制。如果开天辟地五日之后的世界全部是我们的，自然史确实可以轻易地由我们书写。但是，如果那是一个本身运转自如的世界，人类在最后一刻才亮相，我们若希望人类成为那个世界的主宰，就必须继承之前的一切存在，将之视作宏大的预备工作、我们最终到来的铺垫。

古老的“存在之链”可以极大地满足这一需求，但我们现在已经知道，绝大多数“简单一些”的生物不是人类的祖先，甚至不是雏形，它们不过是生命之树上与我们并行的分枝。于是，能体现不断进步、多样性不断丰富的圆锥式图说被我们选中。圆锥暗示着可预见的变化过程，从简到繁，从少到多。人类作为物种，可能只占据一个小枝。但如果生命是朝着更加复杂、更加智能的方向发展，即使时断时续——那么，就意味着，远在这种有意识的智能生物出现之前，这样的智能早已隐现世间。简而言之，我无法理解我们为什么始终抱着错误的阶梯式或圆锥式图说不放，除非是想以一指之力绝望地挽救穿孔的堤坝。而堤坝那边，是我们极力为之正名的希望和傲慢。

我把这个议题的结语留给马克·吐温。埃菲尔铁塔还是世界上最高建筑的时候，他的这番话紧扣“地质学最令人恐慌的事实”的要领，十分形象：

人类来到这个世界已有三万两千多年。而在此之前，世界已存在了一亿多年。 [21] 那是在为人类的到来做准备吗，能证明人类后来的存在就是这一亿多年光阴流逝的目的之所在吗？估计它能——我不知道。如果埃菲尔铁塔的高度代表世界的年龄，塔尖之巅那块漆皮的厚度就代表人类的年龄。有谁会认为那块漆皮是营造铁塔的目的之所在？估计有人会这么认为——我不知道。

注解：

[1] 　原文为“Familiarity has been breeding overtime in our mottoes，producing everything from contempt（according to Aesop）to children（as Mark Twain observed）”，显然是对名言的调侃。伊索的相关名言为谚语Familiarity breeds contempt，源自其寓言《狐狸与狮子》。马克·吐温对其调侃，Familiarity breeds contempt - and children，出自《马克·吐温的笔记本》（Mark Twain’s Notebook ，1935）——译者注

[2] 　《哈姆雷特》典故，普隆涅斯（Polonius）为雷欧提斯（Laertes）之父。所涉原文为“Those friends thou hast，and their adoption tried，grapple them to thy soul with hoops of steel”，出现在第一幕第三场——译者注

[3] 　《哈姆雷特》典故，原文为“There’s the rub！”，独白即第三幕第一场的《生存还是毁灭》（To be，or not to be ）。此外，普隆涅斯为哈姆雷特误杀，哈姆雷特死于雷欧提斯之手——译者注

[4] 　原文为Win one for the Gipper，and God shed his grace on thee，出自美国电影《克努特·罗克尼》（Knute Rockne，All American ，1940），是罗纳德·里根饰演的橄榄球运动员乔治·吉普（George Gipp，1895—1920）临死前的台词。在1988年美国共和党大会上，里根为乔治·布什竞选总统造势，引用过该台词的前半部——译者注

[5] 　A.O.诺夫乔伊（A.O.Lovejoy），即美国哲学家阿瑟·奥肯·诺夫乔伊（Arthur Oncken Lovejoy，1873—1962），观念史（History of Ideas）的提出者。另外，《存在巨链》（The Great Chain of Being ，1936）表达的是观点，其中并无插图——译者注

[6] 　亚历山大·蒲柏（Alexander Pope，1688—1744），英国杰出诗人，以讽刺的笔法、英雄双行体著称。他是《荷马史诗》的英译者之一，也是《莎士比亚全集》的编纂者之一。引文原文为“Far as creation’s ample range extends，/ The scale of sensual，mental powers ascends：/ Mark how it mounts，to man’s imperial race，/ From the green myriads in the peopled grass.”——译者注

[7] 　《人种等级划分规则》（Regular Gradation in Man ），标题全名为An Account of the Regular Gradation in Man，and in Different Animals and Vegetables ——译者注

[8] 　亨利·费尔费尔德·奥斯本（Henry Fairfield Osborn，1857—1935），美国地质学家、古生物学家、优生学的倡导者。美国自然历史博物馆第4任馆长，在任长达25年。自创“曙人理论”（Dawn Man Theory），但建立在“皮尔当人”的错误基础之上——译者注

[9] 　斯泽普（Szep），应为加拿大政治漫画家保罗·斯泽普（Paul Szep，1941—）。比尔·戴（Bill Day）和迈克·彼得斯（Mike Peters，1943—）皆为美国知名政治漫画家——译者注

[10] 　顺便讲一下这幅图（1.12）的另一层含义——将旧的及不复存在的物事与不胜需求相等同。格拉纳达（Granada，电视租赁公司）苦口婆心地劝我们——要租电视而非买电视，因为，“在你学会拗口的brontosaurus（雷龙）如何发音之前，如今最新型号的电视机可能已经过时”——作者注

[11] 　绝妙的讽刺。因为，广告中的排序所展示的，实际上是更加有效的过滤嘴。对于专业人士而言，进化是对环境变化的适应，而非进步。由于吸烟有害健康已为公众所知，采用过滤嘴可被视作厂商是对这一新环境的回应，既然如此，特威尔公司使用进化这个术语可谓正确。尽管他们标榜的动机是追求产品的“精益求精”，而非“为维持利润赌一把”，然而，面对数百万人因吸烟致死的事实，这个口号喊得有些骇人——作者注

[12] 　具有单一共同祖先的类群，我们称之为单系（monophyletic）群。分类学家坚持认为，应该在物种分类过程中严守单系性的原则。然而，对一些类群通俗的称谓，跟严格定义的进化类群并不能一一对应。那种类群包括的生物可能源自不同祖先，在学术上被称作多系（polyphyletic）群。例如民间时常把蝙蝠与鸟归为一类，或者把鲸和鱼分为一类，这样的类群就是多系群。我们通常说的“动物”，可能也是一个多系群，因为海绵（几乎可以肯定）和珊瑚虫及其同类（有可能）分别从不同的单细胞祖先进化而来，而通常意义上的其他所有动物，是共同祖先跟它们（海绵和珊瑚虫）都不同的第三个类群。伯吉斯页岩动物群包含有不少海绵，或许还有一些与珊瑚虫一类的动物【原文为coral phylum，直译为珊瑚虫门，但在分类学中并无此门。虽然这是某一动物门类的俗名，但由于珊瑚虫类群门一级分类地位存在争议，难以考证作者当时所指的是哪一动物门类。珊瑚虫曾属腔肠动物门（Coelenterata），而按当前的分类系统，珊瑚虫属刺胞动物门（Cnidaria）珊瑚纲（Anthozoa）——译者注】，但本书探讨的，是第三个类群——体腔动物，或具有体腔的动物。体腔动物包括全部脊椎动物和除海绵、珊瑚虫及其同类之外的所有无脊椎动物。既然体腔动物显然是单系群（Hanson，1977），那么本书的主题（伯吉斯动物群）就构成一个名副其实的进化群了——作者注

[13] 　这个基本原则，运用于本书探讨的复杂多细胞动物，可以说准确无误，但并非适用于所有生物。远缘杂交常见于植物界，它们的生命之树，形状更如同互通的网络，而非常见的灌木。（我发现“生命之树”这个经典隐喻有点滑稽。自达尔文以来，它就被用作对进化图的称谓，然而，这种称谓对动物是那么准确，对植物——这个隐喻的来源本身，却是差强人意。）此外，我们现在知道基因可以（在不同物种间）水平转移，通常以病毒为媒介，使得跨越物种之间的界线成为可能。这一现象可能对一些单细胞生物的进化意义重大，不过，对复杂动物的系统发生（phylogeny）影响甚微，但愿是因为基于完全不同发育途径的两个胚胎体系无法兼容。尽管如此，在电影里，苍蝇和人还是能合二为一【应指《变蝇人》（The Fly ，1958）系列电影——译者注】——作者注

[14] 　即恩斯特·海克尔（Ernst Haeckel，1834—1919），德国生物学家，博物学家，诸多生物学术语的创造者，创建过多种形式的生命之树——译者注

[15] 　Daniel E.Koshland，Jr. 1988. Biological systems. Sciences，240（4858）：1385.——译者注

[16] 　另一个令人讽刺的事实：尽管鲎类动物通常被看作“活化石”，美洲鲎（Limulus polyphemus ）（产于我们美国东海岸的物种）没有任何化石记录。美洲鲎属（Limulus ）动物的历史只能回溯到2000多万年前，远不到2亿年。我们错误地把鲎类动物当作“活化石”，是因为这一类群的物种寥寥，进而从未形成分化所需的进化潜能。因此，这一类群的现代物种形态特征与早期的相似。然而，这些物种本身并不算老——作者注

[17] 　莪默·迦亚谟（Omar Khayyam，1048—1131），古波斯著名数学家、天文学家、诗人——译者注

[18] 　原文为“Into this Universe，and Why not knowing，/ Nor whence，like Water willy-nilly flowing：/ And out of it，as Wind along the Waste / I know not Whither，willy-nilly blowing.”——译者注

[19] 　原文为“Ah Love！could you and I with Fate conspire /To grasp this sorry Scheme of Things entire，/ Would we not shatter it to bits-and then / Re-mold it nearer to the Heart’s Desire！”——译者注

[20] 　原文为“All Nature is but art，unknown to thee；/ All chance，direction，which thou canst not see；/ All discord，harmony not understood；/ All partial evil，universal good.”——译者注

[21] 　吐温采用的是当时认为的地球年龄，数字由开尔文勋爵（Lord Kelvin）估计。在那之后，对地球年龄的估计已经远超出原先的数字。不过，相比之下，吐温用的比例变化不算太大，他认为人类存在时长是地球年龄的约1/3000。按当前的估算，我们所属的物种起源于25万年前，用1/3000的比例换算，地球年龄应约为7.5亿年。而按当前的估算，地球已有45亿年历史——作者注【开尔文勋爵，即提出热力学第一和第二定律的著名物理学家，被封为第一代开尔文男爵的威廉·汤姆森（William Thomson，1st Baron Kelvin，1824—1907）——译者注】

倒带重演：重要的尝试

沃尔科特对伯吉斯动物群做出最初那般诠释在所难免，圆锥式图说的影响功不可没。那些动物的出现，离多细胞生物起源的时间如此之近，在那样的图说中，它们不得不挤在漏斗狭窄的颈部。就这样，在人们眼中，伯吉斯页岩动物群难逃多样性极其单调、解剖学结构简单至极的窠臼。简而言之，这些动物，要么被看作相应现代类群的原始形式，要么被看作相应类群的祖先。而且，在后来，随着时间的推移，它们会变得越来越复杂，不断发展，直至成为我们熟知的一些现代形式。所以，沃尔科特的诠释水到渠成，不足为奇——伯吉斯页岩的每一种生物，都被当作未来生命之树某一主要分枝的原始成员。

惠廷顿和他的同事对伯吉斯动物解剖学结构的重构可谓激进。对圆锥式图说的挑战，我不知还有什么比它更大。因此，要从根本上修订生命观，我也不知哪个案例比这个更重要。他们照着我们对革命最推崇的隐喻的字面意思，造了传统诠释的反——把它倒了个个儿。他们识别了如此之多的独特解剖学结构，并向我们展示，在那个时期的尝试中，具有其他解剖学构型的生物，曾与我们熟悉的类群共处，而且规模远超如今——他们把那个圆锥的方向倒转过来。多细胞动物最初的分化一开始，解剖学类型的扩张便达到了高峰，往后，生命的历史朝着削减的方向发展，而非扩增。地球目前容纳的物种，或许比从前什么时候都多，但大多数不过是基于少数解剖学构型不断重复的结果（分类学家描述了不止50万种甲虫，但几乎所有种类都像是从同一基本构型拷贝的，只做了少许改动）。物种数目可能与日俱增，这一事实，反而使得谜团和矛盾越发突出。与伯吉斯生物所在时期的海洋相比，今天的海洋容纳的物种数目要多得多，而基于解剖学构型的类别却少得多。

图1.17　错误的圆锥式图说仍较为常见。此图显示不断丰富的多样性（上），以及受伯吉斯页岩动物群重构的启发，修订过的分化和“抽灭”模型（下）。

图1.17展示的是一套修订的图说，它反映了伯吉斯页岩留下的教训。从第二幅图可以看出，随着第一波分化热潮的到来，解剖学构型的可能范围达到最广。后来的历史是个范围缩小的故事，随着早期大多数尝试的失败，生命稳定下来，以少数幸存者的样式为基础，变异出无数不同的种类 [1] 。

这种倒置的图说虽然有趣，本身也显得激进，但并不一定能就此推断，大众对进化的可预测性和方向的成见已发生了改变。我们可以抛弃原来的圆锥，接受现在倒置的图说，但只须接受下面的诠释，我们就仍在固守传统——除了极少数，绝大多数存在于伯吉斯页岩的生物类型已经灭绝，但好比秕糠，它们是失败者，被淘汰是命中注定的。常言道，幸存者胜利必有其道理。这个道理包括具备复杂的解剖学结构和更强的竞争能力，皆为取胜的重要优势。

但是伯吉斯的灭绝模式也暗示着另一种激进的诠释，完全与圆锥式图说无关。假设赢家通吃并非因循常规的取胜之道，也许死神不过是“幸运女神”（Lady Luck）的伪装，或者，生存的真正原因与通常认为的——那些复杂性、进步性等所有向着人类的道理无关。或许死神只在大灭绝插曲中短暂现身，是不可预测的（常由天外不速之客的撞击引发的）环境大灾难把他招来的。类群的兴亡，或许与达尔文提出的正常情况下的生存准则无关。塘中之鱼，即便将游水之道修炼得登峰造极，若池水干涸，也难逃劫难。不过，或许曾经鱼类牧师眼中的笑柄，浑身是泥的老朽肺鱼巴斯特 [2] 能熬过来——当然这不是因为他曾祖父鳍上有一个囊肿，向祖先们发出了彗星来了的警告。巴斯特和他的亲戚们之所以能成功，是因为很久以前进化的一个用作他用的性状。当游戏规则不可预料地发生改变，这个性状在灾难突如其来之际派上了用场。如果我们是巴斯特的后代，以及在成千上万相似的事件中大难不死的幸运后果，我们还能将拥有意识看作是不可避免吗？甚至只是大有可能？

如幽默家所言，我们生活在好坏消息参半的世界。好消息是，要回答有关生命历史的最重要问题，我们可以设计一个实验，看对灭绝常规的和激进的诠释孰是孰非。坏消息是，这个实验我们无法付诸实施。

我把这个实验称作（倒回）“重演生命的记录带”。您可以按下快退按钮，确保倒带所经之处，生命记录带上的实际生命记录全部被抹除。可以回到过去任意一个时期或地点，比方说，去还是汪洋大海时的伯吉斯页岩。然后，重新开始，看发生的一切是否跟被抹掉的现实一样。如果每次重演与生命的实际轨迹非常相似，那么，我们必须断论，那些已发生的事注定应该发生。但是，假使实验的各次重复结果与生命的实际历史相去甚远，我们如何再谈有意识智能生物的出现是意料之中的？从哺乳动物、脊椎动物到陆地生命，以及多细胞动物苦撑的6亿年艰难时世，都是意料之中的吗？

行文至此，我们可以认同伯吉斯生物修订及“抽灭”图说的中心意义了。无论是阶梯，还是圆锥，在它们的原则下，“倒带重演”不会出现偏差。阶梯最下面只有一级台阶，往上只有一个方向。记录带无论怎么重演，始祖马（Eohippus ）都会迎着晨曦奔向日出——挺着的身躯，体形越来越大；踏着的脚步，蹄数越来越少。与之相似，圆锥底部是狭窄的颈，往上发展的途径十分局限。把生命的记录带倒回颈部所代表的时期，永远能产生相同的雏形，因而，继续发展的结果，也只能局限于大致相同的方向。

但是，如果激进的抽灭在最初的影响波及范围太大，直接影响到后来生命的走向，甚至我们人类自身起源的机会，那么，可能会产生什么样的结果？我们来看看。假设有100种基本解剖学构型 [3] ，10种会幸存，并继续分化。如果这10种的脱颖而出取决于在解剖学结构上的优势（定义为“诠释1”），那么，在生命的重演中，它们总会脱颖而出。因此，伯吉斯生物遭遇的灭绝，就不会动摇令我们舒心的传统生命观。但如果这10种是“幸运女神”的“门生”，或者说，是无常的历史偶然性的幸运受惠者（定义为“诠释2”），那么，每次重演，幸存者互不相同，相应的生命历史也互不相同。如果您还记得高中代数中的排列组合怎样计算，就能意识到，从100中抽10，产生的组合数会有多么大，那可是17万种以上的潜在结果。我愿意接受（“诠释1”中）那些类群保持有一定领先优势（尽管我不知如何对这些优势进行甄别或定义）的事实，但我估计，第二种诠释才真正抓住了进化的中心要领。借助于“倒带重演”的假想实验，伯吉斯页岩的案例使得第二种诠释易于理解，让有关进化走向及可预测性的更激进观念得以推广。

拒绝阶梯和圆锥，不意味着向可能的对立面投怀送抱。这个可能的对立面就是纯粹凭运气，有点像抛硬币，或上帝跟宇宙掷骰子的意思。如同阶梯和圆锥使得生命历史图说反映的观念有所局限，二分法也严重地限制了我们的思考。二分式的图说有其不幸，孤零零的一条线段包罗了所有可能的选项，两头代表相反的极端，就我们讨论的议题而言，它们即是决定论和随机性。

多样性和差异度的含义

讲到这里，我必须提出一个重要的概念区分，来澄清一个导致术语混乱的经典来源。生物学家常说diversity（多样性），但表达的学术含义不尽相同。他们说的diversity，可以是某一类群中不同物种的数目。例如在哺乳动物中，啮齿目动物的多样性丰富，有1500多种，马科动物的多样性贫乏，只有斑马、驴和马等不到10种 [4] 。但是，生物学家说的diversity也可以是体形结构（body plan）类型的不同。例如三只（种类互不相同的）盲鼠 [5] 不能形成一个多样的动物群，但是，一头象、一棵树和一只蚂蚁就可以，尽管这两组生物都由三个物种组成。

对伯吉斯页岩动物群诠释的修订，取决于diversity的后一个义项，即解剖学结构类型的差异度（disparity）。以物种数目为指标衡量，伯吉斯的多样性并不丰富。这个事实体现了早期生命的中心矛盾——为何从进化形成的体形结构看，差异度如此之大，而从物种数目看，多样性远非丰富，这种局面是如何形成的？这构成一种悖论，因为如圆锥式图说所暗示，差异度和多样性是相关联的，多少还步调一致（见图1.16）。

当我说“抽灭”时，我是指生命的解剖学构型大为缩减，而非针对物种的数目。大多数古生物学家认同这样一个观点，如果只计物种总数，随着（地质年代）时间的推移，这个数字是增加的（Sepkoski et al.，1981）。那么，这些增加的物种，必定来自数目已大为缩减的那部分体形结构。

大多数人对现代生命的典型特征并没有完全体会。上高中时，我们要学习一系列古怪的生物门类，直到能将动吻动物（kinorhynch）、曳鳃动物（priapulida）、颚咽动物（gnathostomulid）、须腕动物（pogonophoran）等名称脱口而出（至少要坚持到考试结束）。我们的注意力被少数几个古怪类群所吸引，忘了生命有多么不平衡。节肢动物（大多数是昆虫）占了所有已描述动物物种的80％。而在海底，当您已数过多毛类蠕虫、海胆、蟹类、腹足类动物的种类，剩下的有体腔的无脊椎动物就没多少了。能被总结定型，或者说，大多数物种可以被归结为很少的几种解剖学结构类型，是现代生命的重要特征，也是与伯吉斯时代的世界最大的区别。

我的一些同事建议（Jaanusson，1981；Runnegar，1987），为了消除混乱，我们应将多样性（diversity）所指，限制于口语中的前一种意思，即物种数目。第二种意思，即体形结构类型的不同，应该被称为差异度（disparity）。通过这一术语定义，我们或许承认了生命历史惊人的核心事实——差异度显著降低，接着，基于少数幸存的解剖学结构类型，多样性大幅增加。

有一个古老的传统，至少可以回溯到亚里士多德，那是对谨慎者的建议——当在靠近线段中点的地方占据一个安稳的位置——寻求“中庸之道”（aurea mediocritas ）〔“golden mean”（黄金中道）〕。但是，应用于我们讨论的议题，身处这个中间位置，是令人郁郁寡欢的。在二分法中博弈，使得我们对生命历史的思考受到严重的阻碍。我们可能已经明白，以进步可预测为主旨的决定论不可生搬硬套，但是又觉得，在唯有的另一方向，充满了纯粹随机的绝望。于是，这份绝望驱使我们转向旧有观点的方向，最终，满怀不适，迷乱中，在难置可否的中间某点停了下来。

我强烈反对任何将可供选项置于一线的概念图，除开两个极端，唯有的出路是在中间某点苟且。富有成效的考量，往往需要我们从这条线上走下来，置身于二分法之外。

我写这本书，就是为了提出从线上走下来的第三条出路。我相信，借助倒带“重演生命”的手段，重建的伯吉斯动物群能为这种不同的生命观提供强有力的支持。每次倒带重演，都将进化领上与实际轨迹完全不同的路径。但是，结果不同，并不说明进化及其模式无意义。和实际进化的路径一样，重演得出的不同路径也是可以解释的，都能在事件发生后，针对事实做出诠释。不过，得出众多可能的路径，表明最终结果在开始时确实不可预测。每一步的后果都有其原因，但是没有哪个结局能在开头就定下来。而且，没有哪条路径是可以重复的，因为每一条都历经了上千个令人难以置信的阶段。在早期，改变任意一个事件，即使十分轻微，在当时看起来无关紧要，其影响都可能会代代相传，彻底改变进化的方向。

这第三条出路所代表的，与历史的精髓不相上下。这条出路叫偶然性（contingency）。它是独立的，只与自身有关，不游移于随机化和决定论之间，也无法量化。接纳（与科学体系）不尽相同的历史解释体系，科学行动得比较迟缓。我们的这种诠释仍游离于主流之外，因而备受磨难。在狭路相逢时，科学还会贬低历史，认为与直接基于不朽“自然法则”的证明相比，任何求助于偶然性的举动都既欠精巧，也寡意义。

这本书讲述的内容有关历史的本质，以偶然性为主题，以倒带“重演生命”做比喻，揭示在其阴影下，人类进化产生的概率微乎其微。内容的焦点，集中在对伯吉斯页岩发现的全新诠释。展现偶然性对我们理解生命进化的启示为何，这是最好的方式。

我着重阐述伯吉斯页岩生物的细节，是因为我不认为重要的概念应加以抽象式的灌输（尽管我已在这开篇章节里如此为之）。人是好奇的灵长类动物，偏爱可以赏玩的坚硬物件。上帝住在细节当中 [6] ，而非纯粹一般性原则的界域。我们必须认识并掌握宇宙中更大、能兼容并包的主题，但让我们尽快上路的，往往是能吸引我们注意的小小好奇——就如知识海岸上那些美丽的小卵石。它们被真理海洋涌起的波浪一次次冲刷，时而咔嗒，时而叮当，与之相随的，是最惊人的巨响。

对于抽象的概念，我们可以无休止地争论下去。我们可以故作姿态，我们可以弄虚作假，我们“保证”能让这一代人满意——只是到了下个世纪就沦为笑柄（或者更糟，被彻底遗忘）。我们为了让一个概念得以正名，甚至可以将它与某个自然实物永久挂钩，就这样，平添几分正统的意味，在“科学思想进步”这一伟大的人类征途中占据一席之地。

但是，伯吉斯页岩里的动物更能令人满意的，是它们展现出的事实坚如磐石。我们可以无休止地争论生命的意义，但不管欧巴宾海蝎是否有五只眼，我们总能想法得出一个答案。伯吉斯页岩里的动物也是世界上最重要的化石，不仅是因为它们改变了我们的生命观，还因为其外在的精美。它们的可爱之处在于所体现观点的广度，以及科学家为诠释解剖学结构付出的努力程度，这些与标本外形的优雅和保存的完整平分秋色。

圣物这个词在一些文化里传达的意思与常规不尽相同，伯吉斯页岩里的动物就是这样的圣物。我们没有将之供于基座之上，远远地膜拜。我们登上高山，炸开山坡，发现了它们。我们发掘、剥离、切割、绘制、解剖，竭力从中撬出它们的秘密。我们辱骂，我们诅咒，只因它们那见鬼的死不吭声。它们是些脏不啦唧的小东西，5.3亿年前沉睡于海底，但我们还是充满着敬畏，迎接它们重见天日。毕竟，它们是“远古圣贤”，有话要留给我们。

注解：

[1] 　我曾为寻找一个合适的词大伤脑筋，这个词用于描述初始类型数量的大规模削减，而未来的历史全部寄托于少数幸存的谱系。多年以来，我觉得这种现象模式可以叫winnowing（扬谷风选），但现在我必须拒绝这个比喻，因为这个词的所有义项都表达了一种倾向——分出好的方面，去掉坏的方面（词的最初意思是“脱谷去糠存其髓”），而我相信，伯吉斯少数类型的幸存更像是抽中彩票。

我最终决定用decimation（大批灭亡）来描述这种现象模式（本书译者将之称为“抽灭”），因为这样，我就可以兼顾该词的字面和通常理解的意思，用以概括本书从头至尾强调的两大主要方面，一是生死存亡的发生大致随机（本书译者谓之“抽”），二是灭绝的整体概率很高（本书译者谓之“灭”）。

关于随机。“抽灭”的英文动词形式decimate来源于拉丁文decimare ，字面意思是“十中取一”，它指的是古罗马军队采用的一种标准惩罚方式，施用于被认定兵变、脱逃或其他罪行的士兵，从每十名罪卒中随机（by lot）抽出一犯处以死刑——我实在想不出有什么比喻比抽奖（by lottery）灭绝更好的了。

关于幅度。从字面意思看，decimate或许会传达出错误的暗示——虽然死亡面前人人平等，但毕竟死亡率只有10％，实在太低了。而伯吉斯页岩显示出的模式正好相反——绝大多数死亡，少数被选中留下。而90％的灭绝率，可以说是对伯吉斯主要谱系归宿较准确的估计。在现代日常英语中，decimate渐渐有了“毁灭绝大多数”的意思，而非古罗马使用小比率的做法。按《牛津英语词典》的说法，这个修订的词义既非误用，也非有意将原词义反转，而是有其自身渊源，因为其名词形式decimation本来也指“十中取九”。

无论如何，我希望把这个词在古罗马时代原有解释中表露的“随机性”，跟现代暗示的“多数死亡，少数幸存”结合起来。如此一来，以“抽灭”（decimation）为隐喻，形容伯吉斯页岩动物群的命运——大多数谱系的随机灭亡，是恰当的——作者注

[2] 　即Buster the Lungfish，可能是某一典故的角色，译者不明。肺鱼是一类具有类似四足类动物肺结构的淡水鱼，年代久远，寿命较长。在湖泊间歇干涸时，它们可以通过在淤泥中穴居、降低代谢速率、以肺呼吸等手段幸存，直至水生生境恢复——译者注

[3] 　在本版汉译中，译者将body plan、design、form、anatomy所指的“结构类型”多简称为“构型”——译者注

[4] 　按当前分类，马属是马科动物中唯一幸存的类群，马属尚存七种——译者注

[5] 　对英语传统童谣《三只盲鼠》（Three Blind Mice ）的调侃——译者注

[6] 　原文“God dwells among the details”，应为对《圣经》典故调侃，相应的文字为“I will dwell among the Israelites and be their God，”出自《出埃及记》（29：45），意为“我将住在以色列人中间，做他们的神”——译者注

第二章　有关伯吉斯页岩

之前的众生：寒武纪大爆发与动物起源

可能是小时候背诵乘法口诀表时被倒了胃口，选修生命历史初级课程的大学生们对背诵地质年代表的“年度仪式”总是心怀怨恨。然而，我们教授始终不愿让步。在我们眼里，这神圣的序列就是我们的字母表——无字母，不成字。但这些词语看起来实在复杂——像寒武纪、奥陶纪、志留纪——神秘重重，它们指的是古罗马对英国威尔士不同地区的称呼，或者德国地层中的某三个岩层。我们略施小计，循循善诱，设法鼓励学生配合。很多年来，通过组织助记比赛，我希望能找到最好的语句，用以取代无味的传统——“Campbell’s ordinary soup does make Peter pale … [1] （坎贝尔的普通汤的确让彼得面色惨白……）”，或者那些在暗地里流传的露骨版本，甚至是跟下文的例子比——我都不好意思记下来。在动荡的20世纪70年代初，我的佼佼者是“Proletarian efforts off many pig police. Right on！ [2] （无产阶级的努力击退好多警察猪猡，对头！）”，用来助记第三、第四纪各世（epoch）（见表2.1）。而有史以来的总冠军，是对一部名为《贱肉》的色情电影的观后感。它押韵完美，结构工整，只新造了一词，在第三行末尾，而且不难理解。这件作品的叙事顺序非同寻常，按时代，先近后远，呈逆序。并且，先列出所有的代（era），再列出所有的纪（period）。

表2.1　地质年代表

Cheap Meat performs passably，

Quenching the celibate’s jejune thirst，

Portraiture，presented massably，

Drowning sorrow，oneness cursed.

（相应的地质年代如下，汉译详见表2.1

Cenozoic，Mesozoic，Paleozoic，Precambrian

Quaternary，Tertiary，Cretaceous，Jurassic，Triassic

Permian，Pennsylvanian，Mississippian

Devonian，Silurian，Ordovician，Cambrian

助记的汉译为：

《贱肉》拍得尚可

解我光棍儿干渴

细节放得好大

被诅咒的单身，悲哀令人窒息）

这位还加了个尾声，用以记忆新生代各世，

Rare pornography，purchased meekly

o Erogeny，Paleobscene. [3]

〔相应的地质年代如下，汉译详见表2.1

Recent（Holocene），Pleistocene，Pliocene，Miocene

Oligocene，Eocene，Paleocene

助记的汉译为：

珍稀的春宫，偷偷地买

哦，色起，古老的淫〕

当这种忽悠都不能奏效时，我总会说，要开诚布公，晓之以理——如果这样命名是为了将平缓承接的连续事件武断地划分开来，我确实会对学生的反抗情绪报以同情——因为，若果真如此，何不将现代多细胞生命6亿年的历史平均分割，以5000万年为单位，用同是武断但便于记忆的方式命名，比如说，从A到L，或从1到12。

然而，这种简化的举动会遭到地球的嘲讽。我们会看到，地球的过往远远不是那么无趣。生命的历史并非一个连续发展的过程，它像是一种记录，时而被大规模生物灭绝及之后的分化事件打断。那些事件持续的时间很短，以地质时间尺度衡量，不过是转瞬即逝。地质年代表与这一历史相吻合，要确定岩石的年代先后，其中的化石是主要依据。由于灭绝事件和之后的迅速分化在化石记录中留下的印迹如此清晰，这些记录被打断的时刻，就被用以对年代表断代。所以，年代表不是魔鬼用来折磨学生的伎俩，而是一部记录生命历史关键时刻的编年表。背诵那些令人头疼的名字，就是在了解地球历史的主要事件——这些知识的核心是那么重要，因此，我无歉可道。

地质年代表按等级顺序可依次划分为代、纪、世。代是最高级别的划分单位，各代之间的界线，是曾发生的重大事件的标志。四个代之间的三条界线，有两条分给规模最大的生物灭绝事件。白垩纪晚期的生物大灭绝发生于距今约6500万年前，它是中生代和新生代的分界。尽管它不是规模最大的“伟大逝去” [4] ，其名气却无他能及。因为，在事件结束之际，恐龙烟消云散，使得大型哺乳动物（以及在很久的后来，我们人类自身）的进化成为可能。第二条分界线，在古生代和中生代之间（距今约2.25亿年），记录了所有灭绝的“至尊”。那次事件发生在二叠纪晚期，使得96％的海洋物种惨遭灭顶之灾。之后的历史由此定型，不可逆转。

第三条，也是最古老的那条分界线，在前寒武纪时期和古生代之间（距今约5.7亿年），它所标志的事件与上述两条的类型不同，也更加令人迷惑。大规模灭绝可能就发生于分界线上，或分界前后。然而，古生代一开始，即成就了一个分化事件集中发生的精彩章节——寒武纪大爆发，换句话说，具有硬体结构的多细胞动物化石，年代最早的，就发现于相应断层。伯吉斯页岩之所以重要，在于它与这次事关生物历史的重要事件有所联系。伯吉斯页岩动物群并非起源于大爆发之中，而是紧跟其后，距今5.3亿年前的某一时期。那时，大爆发的累累硕果全数登场亮相，而无情的灭绝马达尚未开动。伯吉斯页岩中所含有的，是代表这一早期历史时期唯有的主要软体结构动物群，它是我们窥探现代生命全盛时期开始之际的唯一窗口。

寒武纪大爆发发生的时代算得上久远，但到现在为止，地球已经存在了45亿年，也就是说，这个世界被具有现代体形结构的多细胞生命占据的时间，只比整个地球历史的10％略长。这两个时间的反差，构成了有关寒武纪大爆发的两个经典谜题。这些谜题曾使达尔文着迷（Darwin，1859，306～310页）。到现在，它们仍然是生命历史的中心之谜——（1）为什么多细胞生命出现得如此之晚？（2）这些生物解剖学结构复杂，为什么在寒武纪之前的断层里，没有发现它们结构简单的直系祖先的化石？

自20世纪50年代以来，我们已积累了相当丰富的前寒武纪时期化石记录。即便如此，上述这些问题到现在仍难以得到解答。而在1909年查尔斯·都利特·沃尔科特发现伯吉斯页岩之时，那些问题依旧看似几近无解。在沃尔科特的时代，记载前寒武纪时期生命的石板完全空白。在那时，已发现的化石中，保存完好的，还没有一块来自寒武纪大爆发之前。已知年代最久远的多细胞动物证据，即生命最早出现的证据。不时有人声称发现寒武纪之前的动物化石，光沃尔科特就不止一次，但是没有哪次经受住后来的检验。那些想象中的生物建立在希望之上，后来证明，它们有些是波痕、无机沉积物，或者虽是货真价实的化石，但原先对时代的鉴定有误，实际的世代更晚。

在地球的历史长河中，大多数时期没有生物的踪迹，而随后出现的生物却是林林总总。这样的谜题对于反进化论者而言，根本不成其为一个问题。罗德里克·英庇·默奇森（Roderick Impey Murchison），这位曾发现早期生命记录的伟大地质学家，就简单地把寒武纪大爆发看作上帝造物的时刻。对于早期动物的复杂性，他将之解读为上帝对自己这些创造关怀备至的证据。早在达尔文《物种起源》出版五年前，默奇森就在其著作中高调地指出，寒武纪大爆发是进化（他称作演变，transmutation）的一个反证。他赞美最早的那些三叶虫的复眼，将之看作一个匠心独具的设计奇迹。

生灵最早的迹象表明，它们确实拥有复杂的结构，这彻底否认了生命从低级往高级演变的假说。自创世甫始，便无疑确保了动物对周边环境的完美适应。因此，要让地质学家确定一个开端，他能看到最早的甲壳动物复眼中无数的面。那是上帝全知的证明，一如将脊椎动物造就。（Murchison，1854，459页）

诚实的达尔文从来不吝自曝所立理论的疑点。在那些挑战中，寒武纪生命大爆发首当其冲，他用《物种起源》整整一节的篇幅来讨论这个问题。达尔文没有回避那些著名地质学家的反进化论诠释，他写道：“以R.默奇森爵士为首的许多卓越的地质学家确信，从见于志留纪最下层 [5] 的有机生命残体，我们看到了这个星球上生命的曙光。”达尔文还承认，他的理论需要补充证据，这个证据就是丰富的前寒武纪时期化石记录，即最早复杂动物前体的化石。

如果我的理论是正确的，那么，无可争议的是，在志留纪最下层沉积之前，已流逝过漫长的岁月。它们或许跟从志留纪至今的跨度一样悠长，或许更长。而且，在那些漫长且尚未知晓的时期，世界已然生机勃勃。（Darwin，1859，307页）

达尔文抛出自己惯用的理由，想了结这个令人难堪的问题——化石记录如此不完美，以至于生命历史上大多数事件的证据我们都尚未找到。但是，即使是达尔文自己也明白，他最拿手的招式在这个问题面前显得有些勉强。他的这一理由，用以解释单一谱系在某个阶段的缺失尚可。但是，这种不完美的（化石不能留存）方式，真的足以毁灭所有证据吗？生物存在于生命历史大多数时期的所有证据？达尔文也承认，“这个问题现在无法解释，或许还会被当作有力的论据，用来抨击此处提出的观点”（Darwin，1859，308页）。

在过去30年里，前寒武纪时期化石先后被发现，数量之丰富，足以证明达尔文所言不虚。但是，这些化石的特征奇异，与达尔文的预期并不吻合，从中看不出复杂性连续渐增的趋向，而是直指寒武纪生物形成。寒武纪大爆发的难题，仍是磐石一块，死硬如初，甚至更加顽固。因为，现在困惑我们的，已不再是对前寒武纪时期生命的本质缺乏认识，而是有所认识。

我们已发现的前寒武纪时期的化石记录，可以上溯至岩石最早可承载生命的时期。地球已有45亿年历史。不过，在我们的星球形成之初，由于（行星形成必经的初始合并过程）物体相互碰撞，以及短半衰期同位素发生的放射性衰变，会产生高温，整个星球因而处于熔化的状态，形态不定。最早的沉积岩有37.5亿年历史，是位于格陵兰岛西部的依苏阿（Isua）绿岩带，它记录了地壳冷却和稳定的过程。这些岩层的形态（因高温和压力）过于多变，以至于生物的形态难以保存。不过，最近席德洛夫斯基认为，这些可证明最早生命活动的潜在来源，保留有有机生命活动的化学印记（Schidlowski，1988）。12 C（碳-12）和13 C（碳-13）是碳元素常见的两种同位素，光合作用多利用前者（固碳）。如果岩石自身的碳全部来源于无机，光合作用就能提高（含有生命的）沉积岩中12 C/13 C的比率。依苏阿岩石的12 C值较高，便是有机生命活动所致 [6] 。

就如能提供生命最早存在的化学证据的岩石一样，最早的成形（证据）残体也有相当久远的历史。在地球上最古老的未变形沉积物中，就发现了叠层石（由细菌和蓝藻以黏着和胶结的方式沉积而成的垫状体）及细胞实体。它们距今35亿～36亿年，分布于非洲和澳大利亚（Knoll and Barghoorn，1977；Walter，1983）。

这种简单的开端应该可以让达尔文满意，但后来揭示的前寒武纪时期生命的历史则强烈不支持他的假设。寒武纪生命大爆发的产物十分复杂，但它们的形成并不是一个漫长渐增的过程。在依苏阿岩石沉积之后的24亿年里，或者说整个地球生命历史近三分之二的时间里，单细胞生物构成了生命的全部。这些生物只具有最简单的结构——原核细胞结构〔原核细胞无细胞器——细胞核、成对染色体、线粒体、叶绿体一概没有。而其他单细胞生物及所有多细胞生物则具有显著较大的真核细胞，细胞结构要复杂得多。它们可能由原核生物集落进化而来，至少线粒体和叶绿体与完整的原核生物本身极其相似，它们拥有各自的DNA，那或许是之前独立状态的残迹。细菌和蓝藻（或蓝藻植物）是原核生物，其他所有普通单细胞生物体，包括在高中生物实验室里观察过的变形虫（Amoeba ）和草履虫（Paramecium ），都是真核生物。〕

根据化石记录，真核细胞有14亿年历史。真核细胞的到来，标志着生命复杂性的一次重要提升。但是，多细胞动物并未紧随其后高调问世。从真核细胞到多细胞动物，之间的时间间隔，比多细胞生物自寒武纪大爆发以来的整个历史还长。

时期先于寒武纪大爆发的多细胞动物群，在前寒武纪时期的化石记录中确实能找到一例。它便是埃迪卡拉（Ediacara）动物群，其名称取自澳大利亚某地地名，但如今能冠以此名的岩石已遍布全球。这一动物群并不能满足达尔文的预期，原因有两个。首先，说埃迪卡拉动物群群的年代属于前寒武纪时期，勉强有余。这些动物只在大爆发即将到来之际的地层中发现，距今不过7亿年，或许更短。其次，埃迪卡拉动物可能只代表一次失败的、独立的多细胞生命尝试，它们不是后来硬体生物结构简单的祖先的集合（我将在第五章讨论埃迪卡拉动物群的本质和地位）。

在某种意义上说，埃迪卡拉动物群本身显现的问题，比其释清的达尔文有关寒武纪大爆发的疑惑还多。（达尔文的）“不完美理论”最具前景的版本坚称，寒武纪大爆发仅仅标志着硬体结构出现在化石之中。而多细胞生物可能确实经历了复杂性逐渐增加的漫长历史，但没有在岩石中留下任何踪迹。毕竟，我们没有发现属于前寒武纪时期的“伯吉斯页岩”——属于那个时代的软体构型动物群。这个意在解开寒武纪之谜的观点十分在理，我无意挑战，但是，对于形成于寒武纪大爆发的生命而言，若埃迪卡拉的动物不是它们的祖先，这一观点就不能完全成立了。因为，埃迪卡拉的动物本身就具有软体构型。而且，它们的分布不局限于澳大利亚，没有困在奇特环境里的奇异飞地 [7] ，它们是一类有全球性分布的动物群。那么，如果寒武纪生物的祖先确实没有硬体结构，而埃迪卡拉动物群又具有软体构型，为什么我们没有在众多富含后者的沉积物中发现这些祖先呢？

从埃迪卡拉动物群到伯吉斯页岩中现代构型的巩固，这惊人的1亿年里的细节，我们考虑得越多，越觉得疑上加疑。寒武纪的发端并非以三叶虫的出现、所有现代解剖学构型形成的寒武纪大爆发为标志。最早具有硬体结构的，是以俄罗斯某地命名（也是有全球分布的）的托莫特（Tommotian）动物群（将在第五章讨论），它们有可识别的现代构型。不过，其成员大多数不过是形状如刃、或帽或杯的细小个体，归属不明。我们古生物学家管它叫“小壳形动物群”（small shelly fauna），如此称呼，有着几分体面的坦率，也不掩无疑的尴尬。或许有效的钙化性状尚未进化形成，这些来自托莫特的祖先生物并无完整的骨骼，只是将游离的零碎矿化物质覆至周身不同的细处。但或许托莫特动物群只是另一次失败的尝试，在后来寒武纪大爆发的最后一息，被三叶虫及其（同类的）“同伙”取代。

如此一来，与达尔文复杂性渐增而成的说法不同，从埃迪卡拉到伯吉斯，1亿年所见证的，是三个天差地别的动物群——形状扁如烧饼、具有软体构型、体形较大的埃迪卡拉动物，形状如杯如帽的细小托莫特个体，以及解剖学构型最终在伯吉斯时期登峰造极的现代动物群。原核细胞独霸地球的约25亿年里，生命三分之二的历史，是停滞不前、复杂度水平一直处于最低点的历史。接下来，在属于大一些、复杂一些的真核细胞的7亿年里，多细胞动物也并没有涌现。这时，在地质学之眼一眨的短短1亿年间，从埃迪卡拉，到托莫特，再到伯吉斯，三个大相径庭的动物群横空出世。从此以后，是5亿多年的精彩故事，有成功，也有失败。但是，在伯吉斯之后，再没有增加一个新的门类，或者说，没有形成一种新的基本解剖学构型。

往后退，再退，直到眼前的细节变得模糊，您就可能希望解读这个序列，把它当成一个可预测进步的传说。不是吗？先是原核生物，后是真核生物，最后出现多细胞生命。但是，一审视细节，这个故事随即散架。如果复杂性对生命那么有利，为什么生命的历史在最初阶段停留了三分之二的时间呢？为什么多细胞生命的起源是在短短一息之间，还历经了三类天差地别的动物群，而不是一个复杂度持续增加的缓慢过程？生命的历史令人着迷，无穷无尽，它的新奇，亦是无穷无尽，但与我们通常想象和希望的，几乎大相径庭。

注解：

[1] 　相应的地质年代分别为Cambrian（Campbell’s）、Ordovician（ordinary）、Silurian（soup）、Devonian（does）、Mississippian（make）、Pennsylvanian（Peter）、Permian（pale），按顺序，即寒武纪、奥陶纪、志留纪、泥盆纪、密西西比纪、宾夕法尼亚纪、二叠纪——译者注

[2] 　相应的地质年代分别为Paleocene（Proletarian）、Eocene（efforts）、Oligocene（off）、Miocene（many）、Pliocene（pig）、Pleistocene（police）、Recent（Holocene）（Right on），按顺序，即古新世、始新世、渐新世、中新世、上新世、更新世、当前（全新世）——译者注

[3] 　这一行有两个笑点：与Erogeny形似的orogeny，是描述造山运动的标准地质学术语，而Paleobscene与所揶揄的实际世名Paleocene（古新世）非常像——作者注

[4] 　“伟大逝去”（The Great Dying），即发生在二叠纪末到三叠纪初的P-T大灭绝事件——译者注

[5] 　“志留纪最下层”（lowest Silurian）即现在被称作寒武纪的岩层。在1859年时，寒武纪的概念尚未正式确立，因而未被公认。达尔文在文中讨论的是寒武纪大爆发——作者注

[6] 　尽管依苏阿岩石的12 C/13 C比率表明其中含有机成分，但在晚期沉积中，12 C并不是十分高。席德洛夫斯基认为比率降低（尽管仍处于含有机成分的范围之内）是因晚期岩石发生的变形导致，实际值可能与早期沉积中的相当——作者注

[7] 　飞地（enclave），指被围于一个大区域内的独立小区域。enclave也指外飞地，即一个国家被围于邻国领土之内的部分疆土——译者注

之后的众生：软体构型动物群——回溯的窗口

在古生物学圈内，流传着一个由来已久的笑话，说哺乳动物的进化就是一个牙齿传说——牙齿跟牙齿交配，生下略有改变的后代牙齿。既然牙釉质比一般的骨要耐久得多，当一切血肉已向地质年代的“鞭笞和讥讽” [1] 屈服时，或许“战胜一切”的主语会是牙。大多数哺乳动物的化石就只有牙得以留存。

达尔文写过，我们不完美的化石记录，就好像一本只存留下寥寥数页的残书，每页只剩下寥寥数行，每行只有寥寥几字可见，而且，字的字母都不全。达尔文使用这个隐喻，是为了形容硬体结构保存下来的机会渺茫，即使是最耐久的牙齿也是如此。对于身处如此“残酷时运的掷石箭雨” [2] 之中的血与肉，能期待什么奇迹出现呢？软体结构不是不可以保存，不过那得有突如其来的极好运气——动物碰巧身处非同寻常的地质学环境，就如困于琥珀的昆虫、干涸巢穴里的树懒粪便所遇。否则，它们将迅速屈服于血肉之躯不得不承受的无数种自然打击 [3] ，在这里只需举三例——死亡、解体、腐烂。

然而，若缺乏软体解剖学结构的证据，要了解古代动物的形态结构，是无可指望的，要了解古代生物多样性的实际情况亦是如此。有两个显而易见的原因：首先，大多数动物根本就没有硬体结构。1978年，朔普夫（Schopf）分析了潮间带（intertidal zone）的现代海洋动物形成化石的一般潜力。他发现，按属一级分类地位统计，有可能出现在化石记录之中的动物只占40％。不仅如此，这种潜力在生境方面有着强烈的偏向。生活于海底的固着（不运动的）动物，约三分之二可得以保存。相比之下，能得以保存的穴居摄食碎屑的动物和运动的肉食动物，加起来只占四分之一。其次，对于一些具硬体结构的生物，如脊椎动物和节肢动物，它们的硬体结构信息丰富。的确，它们的整体解剖学结构可以得到很好的重构，结构的基本功能也能被解读出来。但是，对于那些只有在顶部和周身有简单遮盖的生物，通过它们的遮体之物，我们读不出其下所掩结构的任何信息。根据蠕虫管状的外体和腹足类动物的壳，可推断出的动物本身的信息很少。由于没有软体结构的信息，生物学家常将这些动物与其他物种相混淆。我们仍不能确定，地球最早具有硬体结构的多细胞动物群，到底处于什么地位，即所谓（将在第五章讨论的）托莫特问题，就是因为那些细小的帽状结构和覆体结构能提供的生物内部信息微乎其微。

正因为如此，自学科创立之始，古生物学家们就将软体构型动物群视若珍宝，苦苦寻觅。在化石记录中，没有哪个的价值比它们更高。出于对德国同行开创性成果的认同，我们将这些完整性和丰富性非凡的动物群（以德文）称作Lagerstätten〔字面意思是“矿地”（lode place），或用更随意的翻译——就是“母矿”（mother lode [4] ）〕，即堆积库。这种化石堆积库十分稀少，但它们对我们了解生命历史的贡献巨大，这与它们数量的稀少不大相称。我以前的学生、现在的同事杰克·塞普科斯基 [5] 欲对所有谱系的历史进行编目，在开始之时，他发现有20％的主要类群仅见于三个最大的古生代化石堆积库——伯吉斯页岩、德国的泥盆纪洪斯利克页岩（Hunsrückschiefer）和芝加哥附近的马宗溪（Mazon Creek）石炭纪化石床。（在本书其余各处，我使用地质年代表中的标准名称，并不再进一步专门解释。亲爱的读者，如果您不听从我的劝告，背不出那“字母表”，在不明时，请参考表2.1。另外，我也推荐使用本章开篇介绍的助记法。）

关于化石堆积库的形成和诠释，已积累有大量的文献（Whittington and Conway Morris，1985）。尽管不是所有问题都得以解决，但细节方方面面激发的魅力仍是无穷无尽。不过，要使得软体构型动物群完好保存，需要具备的前提条件主要有三个（在实际情况下很少兼备）——第一，化石快速地掩埋于沉积物中，不受侵扰；第二，在沉积的环境，不能有造成即时破坏的常见因素，主要是氧气及其他促进腐烂的因子，还有包括从细菌到大型腐食者在内的所有生命体，在几乎所有环境下，它们都能迅速地将大多数尸体降解得无影无踪；第三，受后来高温、压力、碎裂、侵蚀等作用破坏的程度很低。

氧气所起的作用，就像是个“第22条军规” [6] 的实例，是它使得化石堆积库的数量如此之少（对无氧生境重要性的不同观点，详见Allison，1988）。氧气缺失的环境有利于软体结构的保存——不能氧化，就没有好氧细菌的腐解作用。这种环境很常见，尤其是在滞流盆地（stagnant basin）。但正是在这样有利于保存的环境里，却很少有生物（如果有的话）把它当作繁衍生息的家园，最佳保存环境因而没有生物可供保存。我们应该明白，造就化石堆积库的“诀窍”所在，是一系列特殊的因素偶然地将动物群带进这样的不毛之地，伯吉斯页岩动物群化石的形成就是如此。因此，化石堆积库注定稀少。

如果伯吉斯页岩不曾存在，我们虽不能平地造出一个，但绝对会日思夜想，渴望能发现它。对我们凡人的祈祷，地球现实的“主宰”很少加以回应，但伯吉斯页岩却是个例外。在伯吉斯页岩尚未被发现之时，如果阿拉丁的精灵（djinn）出现在任一古生物学家面前，吝啬地只承诺一个愿望，我们幸运的受惠者一定会毫不迟疑地说：“给我一个寒武纪生命大爆发刚一结束时的软体构型动物群，我要看看这伟大篇章的成果到底有哪些。”伯吉斯页岩，就好比我们的精灵的馈赠。它讲述了一个精彩的故事，但故事本身还不足以成书。要将这个动物群与差异度模式大不相同的其他化石堆积库相比较，它便成为理解生命历史的关键。

稀罕固然是好，但仅此而已，只要有足够的时间，稀罕也会变得稀松平常。在过去10年里，发现和研究化石堆积库的速度大大加快，在一定程度上，它得益于有关伯吉斯页岩洞见的启发。现在，已发现的化石堆积库数目不少，足够让人心生欢喜，觉得解剖学构型差异度的基本模式构建已近在眼前。如果没有那么多分布广泛的化石堆积库，我们对前寒武纪时期生命的了解或许还是空白。因为，从最早的原核细胞到埃迪卡拉动物群，它们所代表的，也是一个有关软体构型生物的故事。

伯吉斯页岩最大的魅力，是它让我们看到生命过去和现在的惊人差异——从伯吉斯页岩，那个位于不列颠哥伦比亚，还没有城里一个街区长的采石场里发现的化石，物种数量远不算多，但代表的解剖学构型种类、差异度远远超过了全球已知现代类型的总和！

或许，伯吉斯页岩代表的，是一条过去的规则，而非在寒武纪大爆发结束之初新形成的一种特征？或许，所有保存如此完好的动物群，都有着幅度相似的解剖学构型？要回答这个问题，就必须比较不同时代的化石堆积库，研究解剖学构型差异度的变化模式。

答案基本上是明确的：伯吉斯页岩动物群的解剖学差异度之高，为多细胞生命第一次爆发所独有，后来者无一达到近似水平。从伯吉斯的时代出发，朝着现代，一路向前。我们能找到的，是灭绝过后幸存者迅速稳定的踪迹。在瑞典发现的晚寒武世节肢动物（Muller，1983；Muller and Walossek，1984）保存得格外完好，立体结构清晰可见，它们可能全部是甲壳动物（这一处对动物保存的选择有些怪异，从这一动物群中找到的，全是短于2毫米的细小节肢动物，因此，我们不能将此处的差异度与伯吉斯大个头的故事相提并论）。位于威斯康星的早志留世（Lower Silurian）布兰登桥（Brandon Bridge）动物群（Mikulic，Briggs，and Kluessendor，1985a；1985b）含有节肢动物的四大类群，跟伯吉斯页岩动物群的情形相似。它也有一些形如“奇葩”、分类地位难以确定的节肢动物（一种动物的身体两侧还有奇异的翅状扩展结构），以及四种蠕虫状的动物，但没有哪种的奇异程度，能跟伯吉斯谜一般的欧巴宾海蝎、奇虾、威瓦西虫相比。

泥盆纪洪斯利克页岩大名鼎鼎，化石保存精美，在岩石的X光透视照片上（Sturmer and Bergstrom，1976；1978），甚至能看到其中生物的细节微处。它含有一两种分类地位不明的节肢动物，例如海星形虫（Mimetaster ），它的亲缘关系可能与在伯吉斯最常见的马尔三叶形虫相近。但是，生命在这时已经开始趋于稳定。马宗溪动物群数量丰富，在过去几十年中，有成批的采集者来到化石所在地，取走的标本以百万计。在这一动物群里，有一种长相奇异、被称作“塔利怪物”（Tully Monster，这一叫法获得认可，拉丁学名为样式蹩脚的Tullimonstrum ）的蠕虫状动物 [7] 。不过在这时，伯吉斯的“创新”马达已经停了下来，几乎所有精美的马宗溪化石都能被轻易归入现代门类。

当我们穿过二叠纪—三叠纪大灭绝（Permo-Triassic extinction），来到最负盛名的化石堆积库——德国的侏罗纪索伦霍芬石灰岩（Solnhofen Limestone），我们已获取到足够的证据，可以满怀信心地宣布——伯吉斯的游戏确已玩完。没有哪个动物群比这儿的研究得更多更透，采石工和业余收集者在这里劈山采石，已持续了一个多世纪。（这些结构均匀、颗粒精细的石料是平版印刷的主要材料。这项技术诞生于18世纪末，从那时开始，多年以来，所有的精细印刷都在这种专用材料上完成）世界上最著名的化石，有一些就出自此处，包括六件始祖鸟（Archaeopteryx ）标本。始祖鸟（曾被认为）是最早的鸟类，标本的羽毛保存完好，可见最末的羽小支。但是，索伦霍芬的动物，没有哪种不属于记载完备、为人熟知的现代类群，哪怕是一种。

显然，伯吉斯解剖学构型极高的差异度模式，不是化石保存完好的动物群的普遍特征。然而，有这些保存完好的化石，就能让我们一窥寒武纪大爆发及其即时后果的风采，发现它们独具一格且迷雾重重的一面。在寒武纪之初那地质学尺度极短的一刻，几近所有现代门类的动物“粉墨登场”。与之相伴的，还有数目更多的解剖学构型尝试，只是没能持续多久。之后的5亿年里，只是现成的类型经历了一点波折，即使有一些变异——例如具有意识的人，想以奇异的方式影响这个世界——但在漫长的岁月里，再也没有一种新的门类产生。是什么建造了伯吉斯“创新”马达？又是什么，那么迅速地将它关上？如果“什么”是个什么，那么，是什么选择了一小部分构型，让它们幸存，而放弃了曾在伯吉斯页岩里存在过的其他更多构型？抽灭和稳定的模型到底想告诉我们关于历史和进化的什么？

注解：

[1] 　原文为“… all else has succumbed to the whips and scorns of geological time.”《哈姆雷特》典故，取自第三幕第一场的《生存还是毁灭》独白，原文为“… bear the whips and scorns of time，…”意为“忍受毕生时光的鞭笞和讥讽”——译者注

[2] 　原文为“… the slings and arrows of such outrageous fortune？”典故来源同前注，原文为“Whether it is nobler to suffer the slings and arrows of outrageous fortune or to take arms against a sea of troubles？”意为“哪种选择更高贵，是置身于残酷时运的掷石箭雨，还是拿起武器，与无尽的苦难抗争”——译者注

[3] 　原文为“… the thousand natural shocks that flesh is heir to… ”典故来源同前注，原文为“… and by a sleep，to say we end the heart-ache and the thousand natural shocks that flesh is heir to？”意为“沉睡，就能停止内心之苦，血肉之痛？”——译者注

[4] 　应取自1982年美国同名电影——译者注

[5] 　杰克·塞普科斯基（Jack Sepkoski），即美国古生物学家小约瑟夫·约翰·塞普科斯基（Joseph John Sepkoski Jr.，1948—1999）——译者注

[6] 　第22条军规（Catch-22），出自美国小说家约瑟夫·海勒（Joseph Heller，1923—1999）1961年发表的同名讽刺小说。该情形形成一种悖论，即满足要求的唯一条件也能作为被否定的理由。例如自证无意识，能自证的唯一条件是有意识，因而否定了无意识——译者注

[7] 　以发现人、业余收藏家弗朗西斯·塔利（Francis Tully）命名——译者注

伯吉斯页岩：彼时情景

地点

1911年7月11日，沃尔科特的妻子海莲娜在康涅狄格州布里奇波特（Bridgeport，Connecticut）发生的一起火车事故中丧生。为了从悲痛中走出来，查尔斯·沃尔科特依循当时他那个阶层的传统，将几个儿子留在身边，把悲伤的女儿海伦送往欧洲壮游，一位监护女伴随行，她有个让人难以置信的名字——Anna Horsey [1] ，即安娜·霍尔西。海伦未满二十，还是个满怀激情的小姑娘，西方历史的丰碑确实让她兴奋不已。但在她眼中，那些都比不过另一种不同的“西方”之美——（在北美大陆西部的）伯吉斯页岩的景象。1909年的伯吉斯页岩发现之旅，以及翌年开始的第一个采集季，两次她都与父亲相伴。海伦在1912年3月给哥哥斯图尔特的信中写道：

他们有最令人神往的城堡和要塞，坐落在制高点上。你可以想象，敌人一步一步往上爬，忽然间，箭石从上方呼啸而下，令他们大惊失色。我们当然还见识了亚壁古道（Appian Way）和古罗马渡槽，想想看，那些形如废墟的拱形建筑可是约两千年前修建的！这让美国看起来有些光鲜，不过，我还是觉得伯吉斯小径最好。

在野外考察的传奇里，所有重大发现的地点都藏匿于人迹难至的丛林深处。那儿住着狂躁的原住民，还有凶猛的野兽出没。那儿腐味四散，瘴气弥漫，舌蝇群舞。（其他套路还有——等最后一头骆驼死后才到达的第一百座沙丘，或者是待最后一条雪橇狗死后才到达的第一千道冰隙）但实际上，正如我们将要看到的，很多重大的发现，是在博物馆的抽屉柜发生的。一些最重要的野外发现地点，到那儿不过是一次愉快散步的距离，或驾车兜一次风的工夫。您几乎可以从芝加哥城里步行至马宗溪（石炭纪化石床）。

伯吉斯页岩坐落在加拿大不列颠哥伦比亚省东缘落基山脉的高山之上，那儿有我毕生见过最宏伟的景观之一。沃尔科特的采石场位于连接菲尔德峰（Mount Field）和瓦普塔峰（Mount Wapta）的山脊西坡，海拔8000英尺（约2438米）。我在1987年去过那儿，在此之前，我已经见过不少沃尔科特采石场的照片。在那儿，我自己也朝通常的方向拍摄过一些（就是往东，正对采石场，见图2.1）。但是，在那之前，我没意识到向后转的威力和身后的美丽。转身向西，您将面对我们北美大陆最秀美的景色之一——眼前是翡翠湖（Emerald Lake），远方是总裁山脉 [2] 积雪的山峰（图2.2），在傍晚斜阳的照耀下格外醒目。在伯吉斯山脊，沃尔科特发现过一些最精彩的化石，我现在打心底里理解，为什么进入古稀之年，他还年复一年，乘火车横贯大陆来到这里，在帐篷里和马背上度过漫长的夏日。风景摄影是沃尔科特的一大爱好，包括使用开创性的广角全景拍摄技巧（图2.3），我现在也理解了其原因所在。

图2.1　1987年8月考察伯吉斯页岩采石场时拍摄的三幅景象。（A）沃尔科特采石场的最北边，远处是瓦普塔峰。可见采石场的岩壁上有为放置炸药开凿的孔洞，采石场地面遍布爆破飞出的碎片。（B）珀西·雷蒙德在1930年开凿的采石场，背景与上图相似。前景是“您真诚的”在下，后面是三位热切的地质学家。这个采石场位于沃尔科特原先开凿地点的上方，规模比它小很多。（C）我的儿子伊森在沃尔科特采石场最南边席地而坐。

图2.2　从沃尔科特采石场西望的景象。前景是一位在岩屑坡上搜寻化石的地质学家，远方是翡翠湖。

图2.3　沃尔科特拍摄的全景照片享有盛名，这幅缩小的图就令人印象深刻，从中可见其技艺之高，但跟长达数英尺的原照片相比，仍有失宏伟。这张照片摄于1913年，右手边的就是伯吉斯采石场，瓦普塔峰在其左。可见采石场内正在工作的采集者和一些采集工具。

不过，伯吉斯页岩没有深藏于人迹难至的荒野，它就在幽鹤国家公园内，离班夫和路易丝湖的游客服务中心很近 [3] 。伯吉斯页岩地处人迹边缘，得益于加拿大太平洋铁路（Canadian Pacific Railway），时至今日，运营公司长达百节的货运列车仍如雷鸣一般驰骋山间，络绎不绝。菲尔德镇离伯吉斯页岩只有数英里远，那是一个铁路小镇（人口约3000，较沃尔科特那时已经少了很多，尤其在烧掉铁路宾馆 [4] 之后）。如今，那个小小的火车站还在，您仍能从那儿登上长长的横贯大陆的列车。

如今，去伯吉斯山脊，您可以先驾车到灰噪乌鸦旅舍（Whiskey Jack Hostel，这里的Whiskey Jack是一种鸟名，不是西部过去某个醉酒英雄的绰号）附近的塔卡考瀑布（Takakkaw Fall）营地。然后，沿瓦普塔峰西北侧的小径步行4英里（约6.4公里），上行3000英尺（约914米）的高程，到达终点。在攀登的过程中，会遇到一些陡峭处，但整个过程，不过只比愉快的散步辛苦少许，即便是身体超重、大腹便便、在海平线海拔过惯了的——“您真诚的”在下，感觉也是如此。对于更正式的工作，现在您可以雇直升机将物资运进搬出〔20世纪60年代加拿大地质调查局（Geological Survey of Canada）的考察，以及70年代和80年代皇家安大略博物馆（Royal Ontario Museum）的两次组队考察都是如此〕。沃尔科特不得不依靠驮马，但从野外考察的角度，谁也不会把那说成万分艰苦，运输不便。对于在1910年第一个采集季节里采用的方法，沃尔科特（Walcott，1912）自己的描述就像是为当时情形拍摄的快照。字里行间，古老的手段和社会结构历历在目，还不失可爱，可见卖力的儿子们在山坡上下来回，守职的妻子在营地里修整标本。

两个儿子西德尼和斯图尔特跟我一起……我们终于找到含有化石的带状区域。随后数天，我们在页岩那里采集，然后，沿着山腰，把岩石成批往下送到小径，在那儿把它们放到马背上，再运回营地。在营地里，沃尔科特太太协助将页岩剥离，并切修整齐打好包，送往3000英尺以下的菲尔德火车站。

在发现伯吉斯页岩的前一年，沃尔科特（Walcott，1908）描述过在史蒂芬峰（Mount Stephen）采集使用的简便手段，也一样令人着迷。沃尔科特在斯蒂芬峰的采集地，是著名的珓石虫（Ogygopsis ）三叶虫化石层，离伯吉斯不远，而且地质年代与其相近。

从“化石层”采集标本的最佳方法是——骑小马，沿小径上山，到达铁路以上2000英尺（约610米）处，采得标本，用纸包好，放到包里。将包捆好到马鞍，然后，牵着小马下山。从上午6时工作到下午6时，漫长的一天里收获不菲。

这种对伯吉斯的浪漫情怀，多少对那些化石后来的研究有些影响，至少在一个方面是永久性的，那就是对它们奇特名字的命名。生物的正式学名通常是希腊文或拉丁文，有些广为人知，或悦耳动听，比如说，我最喜欢拿来恶搞的一种腹足类动物化石——Pharkidonotus percarinatus （多读几遍，就会发现其中奥妙）。不过，多数命名枯燥直白。例如家鼠，其拉丁学名为Rattus rattus rattus ，重复得有些过头；又如“双角犀牛”（黑犀）的拉丁学名Diceros （黑犀属，学名字面意思为双角）；还有滨螺，其生活环境为近岸或水滨（littoral）的水域，其拉丁学名就叫Littorina littorea 。

伯吉斯动物的名称正好相反，它们的发音十分奇特。其拉丁学名的构词绝非源自拉丁文，却时而富有韵律，如欧巴宾海蝎的拉丁学名Opabinia 。但有时确实十分拗口，难以发音，或是元音成串，如埃谢栉蚕属的学名Aysheaia 、奥戴雷虫属的学名Odaraia 、娜罗虫属的学名Naraoia ；或是辅音非同寻常，如威瓦西虫的学名Wiwaxia 、塔卡瓦海绵的学名Takakkawia 、阿米斯克毛颚虫的学名Amiskwia 。沃尔科特喜爱加拿大落基山脉，四分之一个世纪的夏天都在那儿扎营，他把自己在那儿发现的化石用当地的山峰湖泊命名 [5] 。那些地名本身来源于印第安语中对天气和地貌的称谓，比如说，奥戴雷山的odaray（奥戴雷虫的命名来源）的意思是（山尖）锥形，欧巴宾湖的opabin（欧巴宾海蝎的命名来源）指岩石多，威瓦西峰的wiwaxy（威瓦西虫的命名来源）指风大。

原因：保存的方式

沃尔科特采集的完好标本，几乎都是从地层中一个透镜体 [6] 的页岩中发现的。这一层页岩只有两米多厚，沃尔科特把它称作“叶足动物层”（phyllopod bed）。〔“叶足”的phyllopod构词源自拉丁文，是过去对一类海洋甲壳动物的称谓。那种甲壳动物各足的一枝（鳃枝）上有成行的鳃，形同一片树叶。沃尔科特选用这个名字，是为了纪念在伯吉斯页岩中最常见的生物——马尔三叶形虫。而马尔三叶形虫因有无数条纤细的鳃，被沃尔科特称作“蕾丝花边蟹”（lace crab）。后来的研究显示，马尔三叶形虫既不是蟹，也不是叶足动物，它不过是伯吉斯页岩里众多分类地位独特的节肢动物之一。〕

发现化石的（页岩）地层在采石场的露头 [7] 长不到200英尺（约60米）。从沃尔科特那时起，在同一地区不同地点和地层里，都曾有新的软体构型动物化石被发现，但这些发现不能与“叶足动物层”相提并论，甚至无一能接近其生物多样性的水平。页岩只比人略高，不到一个街区的长度！当我说不列颠哥伦比亚的一个采石场蕴含的解剖学构型差异度，比如今全球范围内的海洋里的还高，我指的，就是这么一个小小的采石场。在这丁点儿大小的地方，是如何积聚如此丰富的生物的？

近来的研究已将这个复杂区域的地质学背景厘清，并提出一种合理的情形，解释伯吉斯动物群的沉积过程（Aitken and McIlreath，1984；更多一般性讨论详见Whittington，1985b）。伯吉斯页岩里的动物那时可能栖居于一个大教堂状悬崖（Cathedral Escarpmen）底部的淤泥水岸。泥岸背靠的峭壁体量甚巨，近乎垂直，它是钙藻类（calcareous algae）累积而成的生物礁（构建珊瑚礁的珊瑚虫彼时尚未进化形成）。这是一种淹水适中的浅水生境，光照和空气充足，一般是多种典型海洋动物共生的温床。从化石记录看，伯吉斯页岩动物所处的生境在当时比较典型，那儿极高的解剖学构型差异度与任何奇异的生态环境无关。

这时，“第22条军规”的情况出现了——像伯吉斯这样典型的环境，正是软体构型动物不能保存的原因。良好的光照和空气环境或许能孕育更丰富的生物多样性，但也给尸体迅速被取食和腐烂开了绿灯。要使软体构型动物得以保存，这些动物必须被移到他处。或许是背靠峭壁的泥岸越积越厚，以至于变得不稳定。地表轻微的晃动便引发“浊流”，（伯吉斯生物生活于其中的）泥岸崩塌，滑入相邻地势更低、氧气全无的水底滞流盆地。如果这种含有伯吉斯生物的泥石流“落户”于无氧的盆地，那么，所有克服“第22条军规”的条件就全部到位了——将动物群从无法保存软体构型的环境，移到一个可以被快速深埋的无氧环境。（另一种解释保留了埋葬于深水无氧盆地的中心观点，但不认为是峭壁泥石流导致崩岸，而是沿斜坡滑向深处沉积，详见Ludvigsen，1986。）

伯吉斯化石的确切分布情况，支持化石保存完好为泥石流使然的观点。化石的另一些特征也指向相同的结论——标本很少有腐烂的迹象，应为快速深埋使然；在伯吉斯化石层里，没有发现快速移动的轨迹，也无缓慢移动的行迹，或其他标记，表明这些动物是在到达最终安息地的过程中被淤泥埋毙的。自然常让我们的希望落空，这次不同，我们要感谢它。因为它让那一连串条件难得地接连得以满足，才使得我们从不配合的化石记录那儿，撬到一个惊天的秘密。

人物、时间：发现的历史

本书是一部编年史，记录的是颠覆沃尔科特对伯吉斯化石传统诠释的大调查。既然如此，我发现，无论是从理论上，还是出于叙事工整对称的需要，除了颠覆沃尔科特的诠释，他发现伯吉斯化石的传说，那个被广为推崇的传奇，也需要加以大幅订正。

我们是善于讲故事的动物，承认日常生活（甚至大多看似对财富和历史至关重要的事件，回首时不过如此）之平凡，对于我们而言，是一番不能承受之重。于是，真实发生的事件被我们重新讲述，变成有道德寓意的故事。随着时间的推移，不同时代的讲述人往其中加入一定的主题，让故事历久弥新，富有生趣，更适用于教导。

伯吉斯页岩（的发现）故事的权威版本之所以有吸引力，在于叙事气氛从紧张到化解之间转换的优雅。在简单的故事构架中，还包含了两个传统叙事的宏大主题——（必能获得应有回报的）机缘和勤奋 [8] 。每个古生物学家都知道这个传说，那是大家在野营篝火边聊起的主要话题，也是教授入门课程时常讲的逸闻。把这个传统版本讲得最好的，是耶鲁大学古生物学教授查尔斯·舒克特（Charles Schuchert）。他是沃尔科特的老朋友，也曾任其研究助理。他在老朋友的讣告中写道：

在沃尔科特发现的动物群中，最引人注目的一个，于1909年野外工作季结束之际不期而至。下山途中，沃尔科特太太的坐骑蹄下一滑，一片石板翻了过来。这片石板立即吸引了丈夫的注意，那是奇怪至极的中寒武世甲壳动物——可谓一件珍宝！但它是从山上哪块母岩脱落的？雪已经在下，要揭开谜底，不得不等到将来某个工作季。但就在第二年，沃尔科特一家又回到瓦普塔峰。追溯石板的来源，最终确定为菲尔德镇以上3000英尺（约914米）某处的一层页岩——它后来被称作伯吉斯页岩。（Schuchert，1928，283—284页）

看看这一传说的基本特征——因马打滑而遇的天赐良机（图2.4），发生在野外工作季最后一刻的重大发现（在飘雪和黑暗中，结局已定的戏剧性得以强化），整个冬季不情愿的不安等待，胜利归来，谨慎、按部就班地追溯迷失石块的“母矿”。在这个版本的最后一幕，舒克特没有提及那次耐心追溯耗费的时间，但大多数版本声称，沃尔科特花了不止一周的时间，才找到伯吉斯页岩。后来，沃尔科特之子西德尼回忆60年前的情形时写道（Walcott，1971，28页）：“我们从下往上搜索，想弄清我们的最初发现（石板）是从哪一岩层脱落的。一周后，在向上大约750英尺（约229米）处，我们认为那儿就是要找的地方。”

图2.4　古稀之年的沃尔科特，摄于他最后一个西部野外工作季。他站在马边，让我们对伯吉斯页岩的发现传奇浮想联翩。

这是一个可爱的故事，但无一是事实。沃尔科特是一位伟大的保守行政管理者（见第四章），有着详细保存记录的谨慎习惯，那些记录，就成为他留给历史学家的珍贵礼物。沃尔科特的日记没有一天落下，因此，我们可以对1909年的事件进行较为精确的重构。沃尔科特在伯吉斯山脊发现第一批软体构型动物化石，不是在8月30日，就是在31日。他在8月30日的日记里写道：

外出，全天在斯蒂芬组（伯吉斯页岩所属的更高级别地层）采集。在菲尔德峰和瓦普塔峰之间的山脊西坡（伯吉斯页岩所在）找到很多有趣的化石。海莲娜、海伦、亚瑟、斯图尔特（其妻、女、助手、儿子）4点上来，带来余下的装备。 [9]

翌日，他们显然收获了一大批软体构型动物化石。沃尔科特的草图（图2.5）十分好认，我都能认出他画的三个属：马尔三叶形虫（左上），一种分类地位未明的节肢动物；瓦普塔虾（右上）；娜罗虫（左下），一种特别的三叶虫。沃尔科特写道：“外出，与海莲娜和斯图尔特在斯蒂芬组采集化石标本。我们发现了一组很特别的叶足甲壳动物，并带回营地相当数目的精致标本。”

图2.5.　颠覆伯吉斯页岩发现传奇权威版本的铁证。沃尔科特在8月31日草绘了三属伯吉斯动物的简图，然后继续采集了一个星期，收获颇丰。

那马打滑和飘雪是怎么回事呢？如果传奇故事中的事件的确发生了，那一定应是在8月30日。那天下午，沃尔科特的家人沿山腰爬上去与他会合。或许他们是在夜晚下山时发现了被踩翻的石板，翌日上午返回前一天的采集地，带回沃尔科特在31日日记草图中描绘的标本。这一重构情形，在1909年10月沃尔科特写给马尔（Marr）（“蕾丝花边蟹”后来的学名Marrella ，马尔三叶形虫，即以其命名）的信中得到部分支持。

当我们在中寒武世的地层采集时，发现一片雪崩带下的石板，在其破开的边缘，可见一只精致的叶足甲壳动物。沃（尔科特）太太和我围绕这片石板，从上午8点工作到晚上6点，收获了我所见过的最精致的叶足甲壳动物标本。

变化可谓微妙。先前的雪崩成了当前的雪暴，在野外实地欣喜工作一天的前夜，变成了整个工作季被迫匆匆结束。但是，远比这重要的矛盾在于，沃尔科特的工作季并没有随着8月30日或31日的发现而结束，一众人等在伯吉斯山脊的工作一直持续到了9月7日。沃尔科特为自己的发现着迷，之后每一天都在热切地采集。此外，尽管沃尔科特不厌其烦地记录每天的天气，在他的日记里，却找不出一个关于下雪的字。在这令他欣喜的一周里，尽是对“大自然母亲”的赞美。9月1日，他写道：“（这些）美丽的暖和日子。”

最后，我强烈怀疑，在1909年野外工作季的最后一周，沃尔科特就已探明迷失石块的来源——即使不是来自“叶足动物层”本身，至少也确定了露头的基本区域。9月1日，在草绘三种节肢动物的第二天，沃尔科特写道：“我们继续采集。发现一组完好的海绵（就在原地） [10] 。”海绵有一些硬体结构，它在此处的分布，不限于软体构型动物保存得最为丰富的地层，还延伸到外面的区域。不过，最好的标本还是来自那“叶足动物层”。在之后的每一天，沃尔科特都发现大量的软体构型动物标本。从他的描述看，也不像是一个幸运偶遇迷失石块的人写下的工作记录。9月2日，他发现，一件被认为介形动物（ostracode）壳的标本，其实属于一种叶足动物，他写道：“我在山坡上边工作，海莲娜在附近的小径上采集。发现那体形较大的貌似所谓豆石介（Leperditia ）的壳（test），实际上是一枚叶足动物的外壳（shield）。”伯吉斯采石场就是在“山坡上边”，而迷失的石块可以滑落到小径上。

9月3日那天，沃尔科特的收获甚至更加丰富——“找到一大片叶足甲壳动物，带回很多石板到营地剥离。”无论发生什么，他都在采集，9月7日圆满结束那天，也是一整日的工作——“同斯图尔特和鲁特先生一起上山去化石层，从上午7点工作到下午6点半。（这是）1909年我们在营地的最后一天。”

如果我对主化石层发现于1909年的推断正确，那么传说权威版本的第二部分——在1910年长达一周耐心地追寻迷失石块的源头——肯定也是假的。沃尔科特1910年的日记支持我的解释。在7月10日那天，沃尔科特已迫不及待。他步行到伯吉斯小径的营地，只是那儿的雪还很深，无法开展挖掘工作。最终，在7月29日，按沃尔科特的记录，他的团队已经“在1909年的伯吉斯小径营地”准备就绪。7月30日，他们攀至邻近的菲尔德峰采集化石标本。沃尔科特的记录显示，他们在8月1日首次尝试测定伯吉斯的地层序列——“所有人员外出，到伯吉斯组（Burgess formaion）采集，一直到下午4点。一阵寒风携雨袭来，迫使我们回到营地。对伯吉斯组实测剖面，其厚度约420英尺（约128米）。西德尼和我在一起。斯图尔特和他母亲，还有海伦一起，在营地里打发时光。”“实测剖面”（measuring a section）是地质学术语，它指探明地层的垂直序列，记录岩石的类型和化石。如果您想知道迷失石块的来源，看它是从什么地方脱落的，您得去实测上述剖面，拿您的石头逐一比对，看跟哪层最符合。

我认为，查尔斯·沃尔科特及其子西德尼在这第一天，就已将“叶足动物层”的具体方位确定，因为沃尔科特在8月2日的下一篇日记里写道：“外出，与海莲娜、斯图尔特、西德尼一起采集。我们发现相当多的‘蕾丝花边蟹’，还有各样零碎。”“蕾丝花边蟹”是沃尔科特在野外对马尔三叶形虫的称谓，它是这“叶足动物层”里的主要成员。假使我们给予权威版传说一丝真实的希望，为之辩解，说8月2日发现的“蕾丝花边蟹”也来自（前一年一并）脱落的石块，那么，对于传说中为寻找“母矿”而付出一周艰辛努力的说辞，我们就无法认同——因为，只过了两天，沃尔科特在8月4日已写道：“海莲娜从‘蕾丝花边蟹’地层中分出很多叶足甲壳动物。”

权威版传说更有浪漫的情怀，更加激励人心，但日记平白的事实更加在理。小径就位于伯吉斯岩层下方几百英尺处，山坡略陡，坡面情况并不复杂，有些地层已暴露在外。对于沃尔科特而言，找到一件迷失石块的来源不应是个难题，因为他不只是一名优秀的地质学家，他是一位伟大的地质学家。他应当在1909年发现软体构型动物化石后的一周内，就已及时确定主要地层的方位。但是，在1909年，因时间所限，他没有机会挖掘。尽管如此，他还是发现了很多高质量的化石，或许还有底层主体本身。到了1910年，他知道该去哪儿，等雪一化，就在那儿开始工作了。

沃尔科特把他的采石场开辟在伯吉斯页岩的“叶足动物层”。从1910年到1913年，利用锤子、凿子、长铁棍、小型爆炸装置在此进行采集，他每年在那儿工作一个月或更长时间。1917年，沃尔科特年届六十七，他最后一次到那儿，采集了50天。几年下来，他总共采集了8万多块标本，全部带回首都华盛顿。这些标本，仍保存于史密森尼学会的国家自然历史博物馆，是美国最大的化石收藏的精华。

沃尔科特对采集工作既富有热情，也不失细心。他热爱西部，每年的采集之旅，对于他而言，是远离华盛顿行政工作压力、保持头脑清醒的必要逃避。规范地研究复杂且珍贵的化石，几个重要元素必不可少——检视、思忖、寻味、重新观察、念念不忘、重新思量，直至最终成果的发表。这些要耗费大量的时间，而沃尔科特一旦回去掌舵那个庞大繁杂的行政管理帝国，他哪还抽得出如此大量的时间？他甚至连前期工作的时间都没有（他这一失败的意义即成为本书第四章的重要主题）。

沃尔科特的确发表过一些描述伯吉斯化石的论文，标题中都有“初步研究”的字眼。他发表这些论文，很大程度上，是为了行使一种传统的权利——赋予自己发现的生物以正式的分类学名。这些论文有四篇发表于1911年和1912年（见参考文献），第一篇是关于他（错误地）认为与鲎有亲缘关系的节肢动物；第二篇与棘皮动物（echinoderm）和水母有关（可能把门类都分错了）；第三篇讲蠕虫；第四篇篇幅最长，讲节肢动物。之后，他再也没有发表过一项关于伯吉斯后生动物（metazoan）的主要成果。（1918年的一篇有关三叶虫附肢的文章，很大程度上依赖于伯吉斯化石材料。1919年关于伯吉斯藻类的论文，以及1920年关于伯吉斯海绵的专论，讲的都是不同的分类类群，且未涉及体腔动物解剖学构型差异度的中心问题。海绵是从单细胞祖先独立形成的类群，与其他动物没有关联。在1931年以沃尔科特之名出版的描述补编，由他的合作伙伴查尔斯·E.莱塞尔 [11] 根据他生前没抽出时间润色出版的笔记整理而成。）

1930年，哈佛大学古生物学教授珀西·雷蒙德（Percy Raymond）带领三个学生前往伯吉斯，到沃尔科特的采石场继续挖掘。他们还在那上方仅65英尺（约19.8米）处新开掘了一处采石场，但规模要小得多。他发现的新物种不多，但在采集方面也算有所收获。

20世纪60年代，在惠廷顿及其同事开始修订之前，沃尔科特的标本及雷蒙德后来的一点补充，是当时可供有关研究参考的唯一基础。这些化石的重要性无与伦比，鉴于此，那些研究的成果只算得上平淡无奇，绝不为多。沃尔科特认为，伯吉斯动物应全部成功划分到的现代门类之下，而那些研究成果的诠释，也无一与其观点相左，甚至连不同观点的暗示都没有。

我第一次与伯吉斯页岩产生交集的经历，至今记忆犹新。那是在20世纪60年代，我还是哥伦比亚大学的一名研究生。当时我就意识到沃尔科特对这些珍贵化石描述的深度之浅，知道它们大多都没有被重新审视过。在我明白自己既无行政才能，也无此欲望之前，曾梦想召集一个国际委员会。这个委员会由顶尖分类学专家组成，他们的专长涵括伯吉斯动物所代表的各个门类。我会把阿米斯克毛颚虫包给世界顶级毛颚动物（chaetognatha）专家，埃谢栉蚕给有爪动物（onychophora）专家组的头儿，依尔东钵虫（Eldonia ）给“海参先生”。这些分类属性在后来无一通过修订的考验，但我的梦想也确实反映了沃尔科特从未被挑战的传统观点——所有的伯吉斯奇异动物，在现代类群中都有归属之处。

人不能专程寻觅不可期之物。后来的修订虽然激进，促使其发生的工作却很平常。那是加拿大地质调查局20世纪60年代的一次重大测绘项目，当进展到艾伯塔（Alberta）和不列颠哥伦比亚两省境内的落基山脉南部时，由于伯吉斯页岩在该区域名气最大，对它的重新考察不可避免。但是，没有谁期待有什么新的重大发现。哈利·惠廷顿以顶尖古生物学家的身份前往，因为他是世界上最著名的节肢动物专家之一，而所有人都认为，大多数伯吉斯奇异动物属于这一巨大门类。

我的朋友迪格比·麦克拉伦（Digby McLaren）当时是地质调查局的头儿，也是再次考察伯吉斯工作的主要发起人。他在1988年2月告诉我，自己当初推动这个项目，主要是因为（理由十分正当的）盲目的爱国主义情结，而非明确地洞察到任何知识方面的潜在回报。试想，沃尔科特，一个美国人，发现了加拿大最著名的化石，并把它们通通卷回华盛顿，而在那时，加拿大很多博物馆连一块产自本土的化石标本都没有。麦克拉伦把这种情况称为“国家耻辱”，要（用他唯一些许滑稽的话说，就是）“让伯吉斯页岩回归” [12] 。

在1966和1967两年夏季为期六周的时间内，在哈利·惠廷顿和地质学家J.D.艾特肯（J.D.Aitken）的领导下，一个由10～15位科学家组成的团队，在沃尔科特和雷蒙德的采石场展开工作。他们把沃尔科特的采石场向北扩展了约15米，剥离岩石约700立方米，并在雷蒙德的采石场另剥离了17立方米。除了用飞机取代马匹，这次使用的爆破装置威力更小（防止含有化石的石块飞离过远，避免混乱地层信息，以便更好地鉴定），这些现代考察的工作方法和沃尔科特采用的并无二致。依惠廷顿（Whittington，1985b，20页）所见，沃尔科特之后最伟大的发明是记号笔，如同天赐，让岩石在采集后立即得以标记。

1975年，皇家安大略博物馆的迪斯·柯林斯 [13] 领导过一次考察，在两个采石场内及附近山坡的碎片堆采集化石标本。他没有获得在采石场爆破或挖掘的许可，但他的团队发现了十分有价值的材料。（伯吉斯页岩的化石十分丰富，即使到现在，还有可能从沃尔科特的碎片堆中获得异乎寻常的新发现。）在1981年和1982年，柯林斯对周边区域进行了考察，在新地点约莫同时期的岩层里发现了软体构型动物。这样的新地点，他找到不止12个。柯林斯在那儿的发现，尽管无一接近伯吉斯物种的丰富程度，但也非同凡响。其中包括多须虫（Sanctacaris ），最早的螯肢类节肢动物。如果沃尔科特的叶足动物产生于浊流触发的泥石流，那么，一定有其他的类似事件同时发生，因此，在附近应该存在其他的化石堆积库。就在1988年夏天，我撰写本书时，迪斯·柯林斯再次前往加拿大落基山脉，寻找更多的地点。

古生物学是一个圈子小、多少有些“亲近繁殖”的学科。伯吉斯页岩就像一尊庞然大物，时刻注视着我的世界。参加过雷蒙德1930年考察的比尔·谢维尔 [14] ，后来成为鲸类专家，目前，是那次考察的唯一健在者。他时常光顾我的办公室，找我谈天。G.伊夫林·哈钦森 [15] 在1931年描述过奇怪的埃谢栉蚕，还有一样神秘的欧巴宾海蝎（一种基本上正确，另一种差不多错误），后来成为世界上最伟大的生态学家。他是我的“智识上师”，曾绘声绘色地向我描述过自己的经历——一个年轻的动物学家闯进独特的化石世界。珀西·雷蒙德的收藏，就存放在我办公室正对面的两个大柜子里。我最初被哈佛大学任命，正是补哈利·惠廷顿离职而留下的空缺。那时我还是个小伙子，而他刚接受了剑桥地质学教授（系主任）的职位（他在那儿研究伯吉斯化石，在未来的20年里奔波于大洋两岸）。我既不是研究古老石头的专家，也不精于节肢动物解剖学，但我无法逃避伯吉斯页岩。它好比我职业的偶像和象征，我撰此书，就是为了表达我的敬意，以知性的方式，报答那些生物在这个学科中激发的活力。在这个学科里，卡西莫多的哀叹有可能被重新诠释成渴望归属的乐观祈求——“啊，为啥我就不是一块这样的石头呀！” [16]

注解：

[1] 　作者认为难以置信，可能是由于该女的姓氏Horsey与马（Horse）的形容词或昵称马儿相似——译者注

[2] 　总裁山脉（President Range）在瓦普提克（Waputik）山脉附近，其主峰名为The President，最初以加拿大太平洋铁路有限公司时任总裁托马斯·肖内西（Thomas Shaugnessy）命名，原名为肖内西山，后因发现重名而改为总裁山。前文的菲尔德峰也属于这一山脉——译者注

[3] 　位于幽鹤国家公园东边的班夫国家公园（Banff National Park）之内，路易丝湖（Lake Louise）以维多利亚女王的女儿，时任加拿大总督的夫人路易丝公主（Princess Louise Caroline Alberta）命名——译者注

[4] 　原文为“Railway hotel burned down”。历史上，该铁路沿线的铁路宾馆由铁路公司运营，多由铁路公司修建。菲尔德当地的铁路宾馆是Mount Stephen House，由于火车旅客的减少，该宾馆于1963年拆除，拆除方式译者不明——译者注

[5] 　伯吉斯是19世纪的一任加拿大总督，沃尔科特并非以他命名该组岩石地层，而是由于伯吉斯小径（Burgess Pass）的缘故。有了这条小径，他们才得以从菲尔德镇来到采石场——作者注

[6] 　透镜体（lens）：指地层中自中央向周缘渐薄、形似透镜的部分——译者注

[7] 　露头（outcrop）：指地下地层露出地表的部分——译者注

[8] 　这一节内容大多节选自我关于沃尔科特发现的专题文章（Gould，1988）——作者注

[9] 　文中括号内文字为作者注。

[10] 　即未曾被扰动，一直在原来的位置——作者注

[11] 　查尔斯·E.莱塞尔（Charles E.Resser），即美国古生物学家查尔斯·埃尔默·莱塞尔（Charles Elmer Resser，1889—1943）——译者注

[12] 　原文为“to repatriate the Burgess Shale”，其中repatriate的主要义项常用作描述遣返。如果以遣返理解此句，即成为当事人遣返自家的物事，这应是作者认为些许滑稽之处——译者注

[13] 　迪斯·柯林斯（Des Collins），即“序及致谢”中提到的德斯蒙德·柯林斯（Desmond H.Collins）——译者注

[14] 　比尔·谢维尔（Bill Schevill），即美国古生物学家威廉·爱德华·谢维尔（William Edward Schevill，1906—1994）。他曾是帕西·雷蒙德的助手——译者注

[15] 　G.伊夫林·哈钦森（G.Evelyn Hutchinson），即被称为“现代生态学之父”的乔治·伊夫林·哈钦森（George Evelyn Hutchinson，1903—1991）——译者注

[16] 　原文为“Oh why was I not made of stone like these！”取自雨果《巴黎圣母院》的1939年美国电影改编The Hunchback of Notre Dame ，本为“钟楼怪人”卡西莫多（Quasimodo）在圣母院顶上见埃斯梅拉达（Esmeralda）和甘果瓦（Gringoire）远去，对着一座石兽雨漏发出的自惭形秽的哀叹，是电影的结语。实际上，原台词为“Why was I not made of stone，like thee？”，意是“我为何不像你一样——是石头雕成的？”——译者注

第三章　重构伯吉斯页岩：形成新的生命观

一场平静的革命

有些变革大张旗鼓、波澜壮阔；还有一些变革，发生的时候，表面上平静无事，结果的重大丝毫不减。卡尔·马克思在一次著名讲话 [1] 中把社会革命比作掘洞的老田鼠，它在地下忙碌多时，不见踪影，但传统秩序的基础已被彻底掏空，待它重见天日之时，颠覆随即发生。但智识的变革通常潜于表面之下，不急于重见天日。它们渗入科学意识，弥漫其中。人们从未闻号令声声，却已将立场改变，缓缓地，从一个极端站到另一个极端。对伯吉斯页岩的重新诠释能改变我们的生命观，这种威力非其他古生物学发现可以匹敌。尽管如此，它却是最隐蔽的变革之一，基本原因有两个。

首先，这次订正是一出高度理性的戏剧，不像那些惊险重重的传说，或是野外发现的历险，或是争夺诺贝尔“黄金”的个人奋斗，为此与好斗的同行“殊死相搏”，极尽夸张。新生命观的到来如涓涓细流，起初的亮相畏畏缩缩，而后信心增强，源源不断。它在一系列有关分类学和解剖学的专论中形成。这些专论篇幅较长，技术性强，大多发表在《伦敦皇家学会哲学学报》（Philosophical Transactions of the Royal Society，London ）上。那是历史最悠久的英语科学期刊（可回溯至17世纪60年代），但它不会出现在您家附近街角杂货店的货架上，甚至是当地的图书馆里。尽管有负责从科学发展动态中采撷零星以娱大众的记者，但这种出版物并不是他们的关注对象。

其次，这次订正可谓“亵渎”了有关科学发现的所有标准形象。所有浪漫的野外工作传奇，所有技术至上、在仪器前有条不紊创新的迷思，通通出现裂痕，或者被绕开。

伟大的思想变革源于闻所未闻的新发现——野外工作的迷思如是宣扬。经过数周血泪与汗水交织的艰苦跋涉，在路之尽头，无畏的科学家正剥离一件采自地图上最难及处的标本，忽然，Eureka——一声欢呼，“我发现了” [2] 。原来，他看见一枚足以震撼世界的化石。修订工作正好在1966年和1967年整整两个季节的野外考察工作之后展开，大多数人会以为，是这轮考察的发现促成了重新诠释的工作。不错，惠廷顿与他的团队的确发现了一些很好的标本，其中不乏新的物种。但老沃尔科特，那个采集狂人，早就抢先一步，在那儿工作过整整五个季节。也就是说，大多数好货色都已被他攫取。尽管两个季节的考察促使惠廷顿行动起来，最伟大的发现却是从华盛顿的博物馆抽屉柜里找到的，只因他重新研究了沃尔科特那些削劈规整的标本。我们在后文中会看到，“田野工作”最伟大的一幕发生在1973年春季的华盛顿，惠廷顿优秀而又古怪的学生西蒙·康维·莫里斯（Simon Conway Morris）系统地将保存有沃尔科特采集标本的抽屉柜翻了个遍。他的目标很明确，就是要找一些奇异之物。因为，对伯吉斯动物差异度的关键看法已在他心中萌芽。

新想法必源自前所未有的发现——实验室工作的迷思所展现的，亦是同一错觉，只是把室外换成了室内。依这种“开疆心态”，只有勇于“见所未见”才能进步。要察从前之不可察，就得创新方法。如此一来，进步需要拓展仪器设备的边界。它们得更加复杂、更加昂贵——创新跟多达数英里长的玻璃器皿、成排的计算机平台、不停滚动的数字、高速旋转的离心机，规模和开销庞大的研究队伍联系起来。就像在电影里，弗兰肯斯坦男爵驾驭闪电，让他的“怪人”活起来 [3] 。那旧式恐怖片中堂皇的装饰艺术派 [4] 布景或许已离我们很远，但那实验中闪动的电光、成排的按钮、拨弄控制仪表成就了一个完美的迷思，从此不断壮大。

订正伯吉斯动物确实需要一整套高度专业的方法，但施展这门独特技术的工具，不过是普通的光学显微镜、相机和牙钻。沃尔科特错过一些至关重要的发现，正是因为没有使用这些方法。不过，如果他抽得出时间思忖，认识其重要性，他会用上惠廷顿的所有技术。惠廷顿的观察更细致、更全面，而他所做的这一切，本在沃尔科特的时代就应完成。

重新诠释的真实故事可以反映科学的原貌，但掌握基本事实并不意味着易于讲述。神话传说有助于故事的讲述，这种手法的确可以拿来一用，但在考虑过众多可用的创作模式之后，我最终认为，要呈现这些信息，只有一条路可走。对伯吉斯页岩动物的订正是一出剧情剧，尽管没有外在的排场。对于剧情剧而言，讲故事最好的手法是顺序。因此，作为本书的核心部分，本章内容应以事件发展的时间为序讲述（在讲述之前，先介绍研究方法，之后是更广泛的讨论）。

但如何建立事件发生时间表？答案显而易见，很简单，可以去问主要当事人，请他们回忆，但这并不足以解决问题。唉！我还是这样做了。我拿着便笺本和笔，专程登门，访遍众人。这一经历让我感到愚蠢，因为自己跟他们太熟了，我们一起喝啤酒，一起喝咖啡，一起讨论伯吉斯页岩，前后已经有近20年。

此外，要想了解哈利·惠廷顿在1971年发表首篇有关马尔三叶形虫专论时的想法，最糟糕的信息来源，却是1988年的他自己。一个人怎么可能抛开整个思想体系，回到未受近二十年如一日焦思苦虑影响的萌芽状态？回想过去，事件发生的时间也是混乱的，因为我们梳理自己的思绪，依循的是逻辑或心理学次序，而非时间顺序 [5] 。

我把它称作“我的天，都长这么大了”现象。亲戚们的评语中，最不受小孩儿待见的就是这句。但亲戚们说得没错，他们很久没来过，对于他们来说，上一次见面的情形，的确历历在目。而小孩子不同，在他们眼里，后来经历的事已让过去变得朦胧。弗洛伊德曾把人的心智比作精神的罗马城，无视一个空间不能同时被两个物体占据的物理法则。在罗马，没有建筑被拆毁，可以见到罗慕路斯与雷穆斯时代的遗迹和修复而成的西斯廷礼拜堂混在一起，还有餐馆耸立在罗马浴场上 [6] 。要厘清时代的顺序，还得依靠当时的资料。

所以，我主要从已公开的记录中寻找答案。这个过程极为朴素，就是按发表时间顺序逐篇阅读那些技术性专论，焦点几乎全部放在描述解剖学结构的第一手文献，而非少数做出解读的二手资料。我或许是个糟糕的记者，但我所做的，新闻记者或“科学作家”不会去做，或是说他们根本就没那能力。这些订正伯吉斯页岩动物的人是我的同事，我们之间没有距离。他们的作品是我所在领域里的文献，不是来自另一个世界的陌生文件。我阅读了超过1000页的解剖学描述，字字皆我所爱（至少是绝大部分）。而且，有过相关的亲身经历，我能充分领会那些工作的原委。我的阅读从惠廷顿（Whittington，1971）讲马尔三叶形虫的第一篇专论开始，一直到有关奇虾（Whittington and Briggs，1985）、威瓦西虫（Conway Morris，1985）和多须虫（Briggs and Collins，1988）的各个专论。整整两个月的潜心阅读，我不知曾有什么经历比这次更开心。或者说，那些精湛的工作完成得如此圆满，未曾有什么工作比它更让我敬佩。

如此过程，会曲解对科学的描述或使之有所局限吗？当然会。每一个科学家都知道，研究中的大多数工作不会被写进发表的文章里，尤其是出错和失败的开端。而且，我还知道，如果我们愚蠢地以为技术论文是依时序记录事件的年表，那么，科学论文的传统就会让错误的观点登上大雅之堂。我把这不言自明的道理谨记在心，在完成这项工作的过程中，也参考了多种信息来源，但我还是愿意专注于专论的记录。如此选择，有特别的原因，但主要是出于个人喜好。

对发现的心理学解读有其无穷的吸引力。这一方面，我不会忽视，但体现在论文中的论证逻辑，也有其自身合理的内在魅力。对于一次论证，您可以解构它，追溯其社会、心理学和经验性的根源，但您也可以把它看作一件自洽的艺术作品，欣赏其严丝合缝的完整性。前一种策略是学术的支柱，我对之尊敬有加，但我也乐于采用后者（就如我在拙作《时间之箭，时间之环》 [7] 中用三章文本分析地质学年代发现的中心逻辑）。时光流逝，论证在变，每一论证在属于本身的时刻有其自洽性，这些时刻就成了一种智识发展的原始记录。

从为伯吉斯大本营运送进出物资的直升机飞行员，到为专论制图的绘图员和艺术家，再到来自各国给予支持、建议和意见的古生物学家，参与订正伯吉斯页岩动物工作的人员多达数百人，但专题订正的研究计划以一个有凝聚力的小组为核心。其中，有三个人发挥了重要的作用，一位是项目的发起人、自始至终的主导力量——剑桥大学地质学教授（这是英国的说法，相当于系主任及资深人物）哈利·惠廷顿。另两位本是在20世纪70年代初跟随他的研究生，但从此致力于伯吉斯页岩研究，成绩非凡，他们是西蒙·康维·莫里斯（如今也在剑桥供职）和德里克·布里格斯（Derek Briggs）〔如今在布里斯托大学（Bristol University）供职〕。惠廷顿还和另两位年轻的同事合作过，尤其是在研究生到来之前，他们是克里斯·休斯（Chris Hughes）和大卫·布鲁顿（David Bruton）。

传统戏剧的种子在这些人物之间埋下，特别是在惠廷顿与康维·莫里斯 [8] 之间的互动中。但这粒种子没有萌芽，那也不是我要讲的故事。惠廷顿是个谨慎而保守的人，他严守古生物学的教条，避免联想，只认岩石，这与大家心目中智识变革参与者的形象完全相反。而康维·莫里斯在（不可避免地）成熟之前，是个冲动似火的年轻斗士，一个20世纪70年代的社会激进分子。他有理想主义者的气质，但幸好也具有足够的耐心和承受力，只有这样，才能坐下来盯着岩石上的模糊印记，连续端详数个小时。按传奇的套路，对伯吉斯页岩的重新诠释，可能会变成师徒之间紧张的相互鞭策促进故事——哈利指导，提醒要谨慎，强迫学生观察岩石，而西蒙恳求，要争取思想自由，倒逼他不情愿的老学究导师转向新的视角。大家可以想象他们之间的讨论、不断升级的争辩、威胁、出现裂痕、闹翻、不羁之子回归、重归于好。

我认为这些无一发生过，至少没表现出来。如果您对英国大学制度有所了解，就会立刻明白这个道理。英国博士研究生的攻读几近完全独立，他们无须选修课程，而是专心为完成学位论文而努力。选题一旦获得导师认可，便随即展开研究。如果幸运的话，他们每个月（或大约一个月）能跟导师会上一次面，不过，一年见一次面的可能性更大些。缄默保守、极度忙碌的哈利·惠廷顿没有挑战这种特有传统的打算。西蒙告诉我说，“哈利不喜欢被打扰”，因为他“不情愿从研究中抽身，一刻也不情愿”。但西蒙还是说，他是“一位绝佳的导师，因为他不干涉我们，还为我们争取到资助”。

我起初不信，一再向哈利、西蒙、德里克询问，想找到什么线索。但他们众口一词，坚称从未自视作一个目标一致或大致看法统一的小集体。他们没有刻意地齐心协力去构建一个核心的诠释。他们很少会面，事实上，他们坚称从未全体聚到一起。甚至在任一英国学术院系都有的一类聚会场合——每日如仪式一般、几乎不容错过的早咖啡时间——他们也不会相遇。因为，社会激进分子西蒙在办公室和“臭味相投”的一群人混在一起，不去那种场合，而哈利从来都能看到藏于表面之下的本质（这毕竟也是破译伯吉斯动物的关键），所以也从未以自己的习惯强求他人。哦，这群人的交流跟异花授粉似的，通过阅读对方的论文实现。但我也怀疑另一种交流方式的存在，他们或许就有关议题进行过讨论，或是系统地，或是笼统地。我从这三个人口中撬出的最接近的证据，来自德里克·布里格斯。他承认，他们曾“综合过一些想法，即使不是通过日常交流形成的”。

我即将揭开序幕的这出戏，情节丰富，而且充满理性，它使那些短暂的人格主题和重复的舞台背景得以升华。它的成功得失一线，其结果——对生命史的重新诠释，比任何物质奖赏都多，也抽象得多。达到这一目标，并不会有什么看得见摸得着的好处。诺贝尔奖没有为古生物学设立奖项，尽管，（如果设立）我会毫不犹豫地将首届奖金授予惠廷顿、布里格斯、康维·莫里斯三人。而且，就像老段子里说的，你又不能用你新的生物观炒一个蛋，或者搭地铁——除非你有一张票（它甚至不能为你积攒飞行里程，尽管几乎其他什么事都能）。的确，古生物学同行会感激你，它对你的工作前景也没坏处。但最主要的回报，肯定是获得满足——为从事激动人心的研究感到的荣幸，圆满完成带来的内心平静，认识到人生有所作为的难得欢愉。对于一个凡人，最愿意听到的话，有什么比得过从（被其尊为）无上永恒的本源那儿获得的——对其生命价值的终极肯定：“所为甚佳，汝善忠之仆？” [9]

注解：

[1] 　应为马克思1856年在《人民报》（Chartist People’s Paper ）创刊纪念会上的演说——译者注

[2] 　Eureka是古希腊语εὕρηκα的音译，源自古希腊数学家阿基米德在澡盆里意识到不规则物体体积测量方法后的欢呼——译者注

[3] 　弗兰肯斯坦男爵（Baron Frankenstein），英国作家玛丽·雪莱（Mary Shelley，1797—1851）作品《科学怪人》（Frankenstein ，1818）中的人物。“男爵”是1931年美国电影改编中为该人物加上的身份——译者注

[4] 　装饰艺术派（Art Deco），兴起于一战前期止于二战的一种现代艺术风格，借鉴不同时代和地域的文化元素，通常营造出一种新形式的奇异奢华效果，多见于建筑和室内装饰——译者注

[5] 　对此，我有亲身经历，深有体会。人们总是问我，在20世纪70年代初和尼尔斯·埃尔德雷奇（Niles Eldredge）第一次提出间断平衡（punctuated equilibrium）学说时是怎么想的。我建议他们去读那篇原始论文，因为我已记不清了（或者，至少是，在后来生活的纷杂中我无从忆起）——作者注

[6] 　罗慕路斯与雷穆斯（Romulus and Remus），传说中罗马城的创立者“狼孩”，罗马实际创立的公认年份为公元前753年。西斯廷礼拜堂（Sistine Chapel），教宗选举所在地，原建于1481年，复建于1483年，以米开朗琪罗的伟大壁画著称。罗马浴场，指公元初期的古罗马公共浴场——译者注

[7] 　关于《时间之箭，时间之环》（Time’s Arrow，Time’s Cycle ），见此处脚注[3]——译者注

[8] 　康维·莫里斯为西蒙·康维·莫里斯的姓氏——译者注

[9] 　原文为“Well done，thou good and faithful servant.”借用《圣经》文本，引自《马太福音》（25：21）——译者注

一门研究的方法学

有一种常见的误解认为，软体构型动物化石通常形成平展的碳质膜，以这种形式保存于岩石的表面。伯吉斯动物经过严重挤压，当然也是扁平的——它们缺乏硬体结构，还要承受水以及将其深埋的沉积物的重压，所以，我们不能指望其三维结构能得以较好的保存。但是，伯吉斯动物化石并非都是完全扁平的。有了这一发现作为事实基础，惠廷顿才有可能用上一种方法，使它们的结构得以揭示。（伯吉斯动物的软体结构不以碳质的形式保存，而是经过一种未为人知的化学过程，使原来的碳被铝和钙的硅酸盐取代，形成一暗色的反射层，且不影响解剖学结构细节的精致保存。）

一些动物的三维构架可以被保存下来。对于这一事实，沃尔科特从未认识到，即便有，也十分模糊。他把所有的伯吉斯化石看作平展的薄片，所以他筛选标本，寻找他认为身体朝向（orientation）最佳的标本。毕竟，保持那样的体姿，能最好地展示解剖学结构（或者说最不令人困惑）。对于两侧对称的动物，最佳体姿，通常就是伸展得彻底、铺展得最扁平的（如图3.1所示，那是沃尔科特采用的典型示图）。他不采用那些动物斜向和正面朝上的标本，认为不同的结构和表面被压到地层的一个平面后，形成的一层膜无法解析。而顶视方向（背朝上体姿的背面观）完全不同，它能使不同结构的特征显示得最为明晰。

图3.1　一版吸引人的伯吉斯相片，刊于沃尔科特在1912年发表的节肢动物专论中。这些照片经过大量的修描处理。左上为加拿大盾虫，最下为林乔利虫。

沃尔科特通过研究照片来诠释他的标本，而这些照片却时常被过度修描。惠廷顿的团队也大量照相，但主要用于发表，而非作为主要研究工具。实际上，对伯吉斯标本拍照，并不能获得理想的效果（图3.2只是个精彩的例外）。这些照片，无论是将其放大，或是用滤光处理，能从中获取的信息都很少，不如标本本身。照明源位置不同，硅酸铝表面反射的光也不同，若将照明源位置调高，看到的影像较灰暗；调低，则更加明亮。直接观察标本，通过调节照明源高度，来回比较，可以获得分辨程度更高的影像。

图3.2　效果最好的一张未修描的伯吉斯页岩动物照片，由迪斯·柯林斯拍摄。其中是一只以侧面观保存的娜罗虫。这件标本并非采自沃尔科特的采石场，而是来自柯林斯在同一区域找到的12个新的软体构型化石地点之一。采自沃尔科特采石场标本的照片没有这么好的效果。

于是，惠廷顿采用一种最古老的方法，作为他研究诠释标本的主要方式——耐心细致地手绘标本图。这种方法所需的基本仪器设备叫显微描绘器（camera lucida，也叫投影描绘器），惠廷顿使用的机型与沃尔科特用过的没有什么不同，跟矿物学家W.H.沃拉斯顿 [1] 在1807年发明的原型比，也没有多少改进。显微描绘器，简单地讲，就是能把实物影像投影到一个平面的一组镜子。您可以把它接到显微镜，把镜下所见的影像投射到一张纸上。就这样，当您绘制动物标本图时，标本实物及其在纸上的映象同时出现在眼前，您的视线不必离开目镜，也不用来回转头。惠廷顿和他的团队大规模使用这种技术，对研究的每一个物种的每一件标本进行了绘图。同时观察多种细小的标本不是件容易的事，得把它们一个个放大。不过，可以把一系列标本绘图放到一起研究。

惠廷顿将显微描绘器绘图技术与一整套方法相结合，而选择那些方法，都基于他对伯吉斯动物化石保存的认识——动物的三维结构得以保存下来，那些化石不仅仅是地层里一个平面上的平展薄片。下面，我以对西德尼虫（Sidneyia inexpectans ）的研究为例，向大家展示这套方法在研究中如何实用，威力有多强大。西德尼虫是伯吉斯页岩里最大的节肢动物，沃尔科特如此命名，是因为第一件标本由其子西德尼发现。（我选择以西德尼虫为例，是因为在惠廷顿团队的系列出版物中，这篇由大卫·布鲁顿于1981年发表的对该属的专论在技术方面最为雅致动人。）工作主要涉及以下三个环节：

1.凿开和解剖。若果真如沃尔科特所言，所有解剖学结构被挤压成一层膜，那么，对化石进行重构，就好比让被压路机擀平的动画形象恢复成之前的样子。但是，在幻想世界里对傻大猫 [2] 管用的招数，在现实中的页岩石板上无法复制。

幸运的是，伯吉斯化石不像通常那样只保存在地层的单一平面上。在被淤泥吞噬后，深埋其中的动物身体朝向各有不同。淤泥通常会浸入动物各组成结构，沉积物形成的薄面将它们隔成一系列微层——壳层往下挨着鳃层，鳃层往下挨着足层，如此一来，三维结构得以保存，即使在后来遭受淤泥的挤压，也能保持。

利用小凿或者（与在牙医那儿见到的类型区别不大的）十分尖的震动钻（vibro-drill），小心地将标本的最上面几层揭走，表层之下的内部结构就显现出来。（揭走的层面通常只有微米级的厚度，这项十分细致的工作也可以利用针尖手工完成——一粒一粒地挑、一片一片地凿。）

一些节肢动物本身就十分扁平，但西德尼虫不同，重构的结果（图3.3）显示，它的结构相当立体。最外一层是半圆筒状的壳，略呈拱形，将软体结构覆于其下 [3] 。由于受到强度巨大的自然挤压，标本有相当程度的裂损，鳃足二枝已有部分从壳的破裂处伸出。但布鲁顿发现，要揭示完整的解剖学结构，还是得将标本凿开。很多海洋节肢动物的附肢通常分为两部分（详见后文关于节肢动物解剖学结构的插页），靠外的一部分着生有鳃，用于呼吸与游弋，靠内的是步行足，但也常用以取食。所以，从身体中央凿开最外一层壳，先见到鳃的部分，后见到足的部分。布鲁顿发现，他可以从完整的壳（图3.4）开始，往下解剖，能得到鳃的一层（图3.5），接着是一系列步行足的一层（图3.6）（这些绘图直接绘自化石，借助连接双目显微镜的显微描绘器完成）。布鲁顿在技术专论里以传统的被动语调描述他的方法：

图3.3　布鲁顿根据分段组合的三维模型重构的西德尼虫。（A）动物整体。（B）分成六段的模型，分别为头、头的腹面覆板、分成三段的身体、尾节。（C）头部和身体前部相连，背景方向即图的右边为头部。注意图中的双枝型附肢，步行足在下，鳃枝在上。

图3.4　西德尼虫标本整体的显微（投影）描绘图，示完整的外壳。

图3.5　西德尼虫标本的显微（投影）描绘图，主要显示壳下附肢的鳃枝，纤细的指状结构，在图中标注为g（下标数字为体节序号），中部斜线阴影所示为肠道的局部。

图3.6　步行足暴露于鳃枝之下。在这张显微（投影）描绘图里，足标记为Rl（下标数字为体节序号），即“右足”。

在标本制备的过程中，发现结构……在岩石中处于连续的层面。可以通过将结构逐层移除，或去除各层之间的沉积层，使相应的特征得以揭示……这种方法已被用以连续地移除各层，首先是背面的外骨骼……可见鳃的纤丝，然后，可见足。与着生附肢的中线连接，连续的三层面——虫体背面的外骨骼、鳃、足依次层叠。极薄层面的材料可去除，借助震动凿即可。（Bruton，623—624页）

将壳揭开，还有其他回报。食道就在壳之下，与中线平行。在凿开的标本（图3.7）中，可见消化道后端有一只细小的三叶虫，它是西德尼虫在那次大泥石流发生前最后一次“用餐”的残食。

图3.7　在这件西德尼虫化石的标本里，可见其最后的进食——一只细小的三叶虫，位于消化道后端。三叶虫在肠道（标为al）中所处的位置正好位于第一腹节（ab1）。

2.古怪的身体朝向。“叶足动物层”是数次泥石流形成化石的结果，被深埋的动物，在其中的身体朝向多种多样。在淤泥逐渐稳定的过程中，动物的尸体逐渐沉到底部，因此，它们大多保持着流体动力稳定性最好的体姿。但有一些不同，它们或是侧体，或与底部形成一个角度，或有蜷曲，姿态各式各样。惠廷顿在专论神秘的埃谢栉蚕时，既以“常规”身体朝向示例——动物平卧，附肢向体侧撑开；同时，也展示了一种少见的体姿——侧卧，且略有蜷曲，这样，两侧的附肢会挤到一起，混为一体（图3.8）。

图3.8　惠廷顿论文中的两幅图（Whittington，1978），示以不同体姿保存的埃谢栉蚕。（A）常规身体朝向：我们俯视，可见之背面（朝上），或顶面；附肢向两侧平铺。（B）不大常见的身体朝向：动物以一侧朝下的姿态深埋，形成的化石使身体的另一侧可见。两侧的附肢被挤压到一起。

沃尔科特也采集身体朝向古怪的标本，但又认为它们所含的信息量少，觉得无法解析几乎挤到同一平面的多个表面。所以，他没有把它们放在心上。但惠廷顿意识到，要揭示动物的完整解剖学结构特征，除了研究“标准”体姿的标本，这些身体朝向非同寻常的标本也不可或缺。就如重建一所房屋，只参考从单一最佳角度拍摄的照片是不可行的，即使有很多张也无济于事。重构伯吉斯动物，还须有从多个角度“拍摄”的“快照”，将它们组合到一起才能完成。康维·莫里斯告诉我，威瓦西虫没有现代的亲缘类群，在重构这种奇异的动物时，没有可以用作参考的原型。他只有找来不同身体朝向的标本，对它们进行绘图，然后在“脑海里把这些该死的玩意儿旋过来，转过去”，想象将某一体姿的标本绘图换到另一标本绘图的角度，看两者是否会重合，直到所有矛盾得以消除，为此耗时无数。就这样，他最终确认，不会有什么大的遗漏或错位。

大多数西德尼虫标本以完全平展的姿态保存，就像是我们从上往下看到的景象（见图3.5）。这种身体朝向，能以最好的视角揭示身体组成部分的大致尺寸，但仍留下许多疑问，尤其是动物立体的程度，或者说体形圆润的程度。这一身体朝向，让我们无法确定西德尼虫的体形，是如同一张烧饼，还是一段圆管。重构动物的基本体形，需要身体朝向为正面朝上的标本，重建“从上往下”看不到的关键解剖学特征，尤其是足的形态，也得靠它。

图3.9就是一幅正面图，可见标本的头部近圆形，以及单对触角和眼的着生位置。图3.10也是一幅正面图，视角拉得更远，不仅可见周身的近圆形特征，还可见一系列的足。足分节保存完好，其上的刺清晰可见。从图中可见取食沟（food groove）的大小。取食沟位于一对足的基节（coxa，即足的第一节）之间，由基节边缘的刺〔颚基（gnathobases）〕围成。这一特征让我们初步认识到，这种伯吉斯最大节肢动物的取食特性可能为捕食或腐食。我们一定能想到，取食沟是用来将大块食物从后向前传递到口中的——西德尼虫可不是滤食动物。图3.11是放大的一只步行足，也是虫体正面朝上的方向。

图3.9　西德尼虫标本的显微（投影）描绘图，以不寻常的身体朝向保存。我们在动物前方，正对头部的正面，可见动物周体的凸起程度，这一特征不能从常规朝向的标本中观察到。注意触角（标为Ra和La，分别为右、左）和眼（e）的着生位置。

图3.10　这件西德尼虫标本的身体朝向不同寻常，能揭示足的排列形态。这是一幅截面图，在胸部前端与头部后方之间的位置横切。我们在动物正前方的方向，可见动物右侧的四只足挤压到一起（标为Rl1 ～Rl4 ），以及虫体中央的消化道（al）。

图3.11　西德尼虫一只步行足的显微（投影）描绘图。可见足在虫体着生处形成的强壮的刺（标为gn，即颚基）。这些刺围成取食沟，表明这种动物是捕食者。这只足保存得相当好，我们可以数清分节的数目，还能对其食性做出推断。

3.正模与负模。当剥离一块岩石时，如果能从其中发现一件化石，就像是买一送一，得到化石本身〔称作正模（part）〕，也得到动物在另一侧留下的印迹〔称作负模（counterpart）〕——好比拇指和相应的指纹。正模是真正的化石，因而受到科学家和收藏家的青睐。沃尔科特几乎只研究正模，不收藏负模。（当他采集负模时，经常不将之与相应的正模共同编号。这些负模，有些与相应的正模分开归置，不保存在一个抽屉里，有些被扔到弃物堆，与鲜有吸引力的材料为伍。还有一些，甚至在沃尔科特与其他博物馆交换标本的过程中，被白送了出去）

传统意义上的化石是完整的单独一块，例如蛤或蜗牛的壳，其正模与负模有明显的区别。动物标本本身是正模，覆于其上的模子是负模。对于被沃尔科特视作薄膜的伯吉斯动物化石，这一区别也很明显，膜本身是正模，而它的印迹，就是那鲜有吸引力的负模。

可是，一旦惠廷顿发现伯吉斯化石的立体属性，正模与负模之间的明显界限就不再那么清晰，哪种更令人感兴趣也难以评价。在节肢动物中，可活动的组成结构多以百计。在伯吉斯页岩，它们保存在相邻的不同层面里。从一个地层平面剥离的岩石，很难保证一片的表面是整个动物（正模），而在另一片上仅是它的印迹（负模）。因为，在一片岩石上，确有动物的一些结构，但在相应的另一片上，也会有一点。实际上，区分正模和负模的做法，对伯吉斯化石根本不奏效。您只能说，在一片上保存的解剖学结构比另一片上的更有吸引力。（研究伯吉斯标本的人员最终决定依循惯例，把动物背面朝上的标本定为正模，朝下的定为负模。对于像西德尼虫这样的动物，眼、触角，以及壳外的其他特征，通常保存在负模上，而足以及体内解剖学结构保存在正模上）

从1966年往后的所有考察，都严格地成对采集正模和负模（只要保存有），并对其共同编号。过去20年中一些最伟大的伯吉斯发现，就是从史密森尼（国家自然博物馆）的沃尔科特标本收藏里找到了一些正模的负模。它们有的无编号，有的甚至被归到（与正模）不同的门类里。这些发现比布里埃尔和伊凡杰琳的重聚还圆满，还有什么传说比它更暖心呢 [4] ？在1930年雷蒙德的考察中，曾发现过一件珍鳃虾虫（Branchiocaris pretiosa ）标本。珍鳃虾虫是一种极为罕见的节肢动物，标本不到10例。在1975年（德里克·布里格斯对此标本的专论已提交发表后）皇家安大略博物馆开展的考察中，人们发现了这件标本的负模。它还静静地躺在不列颠哥伦比亚的岩屑坡上，就在45年前被雷蒙德及其团队抛弃的地方。

显然，若正模和负模都含有重要的解剖学结构，我们就必须将它们一并加以研究，才能保证重构的大致完整。（惠廷顿和他的同事遵循惯例，对显微描绘图的正模和负模信息一同加以说明。）正模与负模的重聚也解开了西德尼虫研究的一个谜团。沃尔科特曾建议根据一件单独的标本对西德尼虫的鳃进行专门重建。但是，布鲁顿通过比较沃尔科特的正模和“D.E.G.布里格斯博士独具慧眼地从沃尔科特收藏中未加以编号的材料里寻获的负模”（Bruton，1981，640页），发现那曾被认为是鳃的结构根本不属于西德尼虫。康维·莫里斯后来对这件标本进行了鉴定，认为它是一件曳鳃类蠕虫丰奥托径虫（Ottoia prolifica ）的残缺标本，且虫体有所折叠。

凿开标本逐步解剖、兼顾身体朝向奇异的标本、将正模与负模作为一个研究整体——落实这三个环节的工作，就能从压扁和扭曲的化石复原得到立体结构。但做好这些工作，我们也了解不到伯吉斯动物生活的其他方面，例如它们如何行动、如何取食、如何发育。类似这样的证据，相对平常的动物群能提供很多。不幸的是，尽管伯吉斯页岩动物的解剖学结构保存完好，这个深埋在层层淤泥之下的流放群体，在那些方面并不能提供什么信息。我们没有找到快速移动的轨迹，也无缓慢移动的行迹，不见洞穴，也没见到一种动物取食另一种动物的瞬间被捕捉下来。（极为不幸的是）不知是什么原因，在伯吉斯页岩，我们没有发现处于未成年阶段的动物。

不过，除了以上环节，还有其他一些环节适用于具体的研究案例，待那些动物进入我们的故事，我再来讨论。我已经提及西德尼虫的肠道内含物。通过研究其他标本的消化道，还发现另有一些动物也是肉食性。例如康维·莫里斯发现，在一只曳鳃类蠕虫的肠道里，除了有许多软舌螺，还有同一研究对象的更小个体，这可是世界上最早的同类相残的证据。此外，他通过考察不同腐烂程度的标本，研究了曳鳃类蠕虫丰奥托径虫的解剖学特征。通过综合标本绘图和照相构建三维模型，布鲁顿重构了西德尼虫、林乔利虫、翡翠湖虫，布里格斯重构了奥戴雷虫。康维·莫里斯通过研究损伤和发育模型，揭示了神秘的威瓦西虫的生活习性。按他的解释，那是在伯吉斯捕捉到的独一无二的发育过程，一件标本在被深埋那一刻，正处于脱皮的过程中，脱下一层旧皮，露出一整套全新的外壳，板片和刺一样不缺。

注解：

[1] 　W.H.沃拉斯顿（W.H.Wollaston），即威廉·海德·沃拉斯顿（William Hyde Wollaston，1766—1828），英国著名化学家、物理学家，元素钯（Palladium，Pd）和铑（Rhodium，Rh）的发现人——译者注

[2] 　即Sylvester the Cat，美国华纳电影公司动画《乐一通》（Looney Tunes ）中的动物形象之一——译者注

[3] 　这些外壳当然比内部的软体器官坚硬，但大多数伯吉斯动物的壳没有矿质化，所以与通常容易形成化石的“硬体结构”不同。这些壳更接近现代昆虫的外骨骼，可以变硬但又不能矿质化，称作“轻度骨化”应该比“软体构型”更好，但这两种类型的结构都无形成常见类型化石的潜力——作者注

[4] 　美国传说故事，因美国诗人亨利·沃兹沃斯·朗费罗（Henry Wadsworth Longfellow，1807—1882）1847年叙事诗《伊凡杰琳》（Evangeline，A Tale of Acadie ）为后人所知。故事的历史背景为18世纪中期，在欧洲列强之间的七年战争中，身处北美战场从属法国的阿卡迪亚人被英军驱逐，先从现加拿大南部的新斯科舍（Nova Scotia）到今美国境内的英属殖民地，再被遣返回欧洲。阿卡迪亚少女伊凡杰琳·贝拉方丹（Evangeline Bellefontaine）与爱人加布里埃尔·拉热奈斯（Gabriel Lajeunesse）在被逐途中失散。伊凡杰琳在美国遍寻爱人不得，多年后定居费城，成为修女。到老年时，时值瘟疫暴发，她发现加布里埃尔就在自己照顾的病人当中。最终，加布里埃尔得以在爱人怀中去世——译者注

一次变革的编年史

如果科学家三生有幸，取得像伯吉斯页岩动物群那般杰出的发现，面对这些发现，他们该怎么“办”？要办的事情有很多。首先，他们必须干一些基本的杂务，构建研究基础，或者说，确定地质背景（年代、环境、地理）和标本的保存模式，并对化石登记造册。除了这些基础工作，还得描述标本的解剖学特征，确定其分类地位。既然多样性是大自然的主题，这两项工作便成为古生物学的主要任务。分类学还是进化现状的外在表现，因为，进化成就了枝繁叶茂的生命之树，我们对生命分门别类，也得反映类群在进化中的传承关系。展示这些工作成果的传统介质被称作专论（monograph）——一种以描述为主的专门论文，其中配有照片和绘图，并为描述对象指定正式的分类地位。专论几乎永远是长篇大论，其篇幅非传统期刊可容，于是，博物馆、大学和科学学会为这类成果创建专门丛刊，以便出版（我在前文提到，大多数对伯吉斯动物的描述专论，由伦敦皇家学会出版，发表在学会的《哲学学报》上，而该学报就不乏长篇论文的丛刊 [1] ）。这些专论成本高昂，发行量少，主要流向图书馆。

十分不幸的是，这种情形影响了其他学科某些同行的态度，使得他们对专论及其作者心生鄙夷。专论所述工作被诋毁成“不过是描述一下”的活计，一种文员和帮工就能胜任的整理登记工作。它们最多会因专注细节而获得一些赞许，但不会被看作创新的先锋。

分类学与门类的地位

在这个世界上有好多好多的东西，

我肯定大家会像国王一般地开心。

罗伯特·路易斯·斯蒂文森 [2]

这对句子出自《一个孩子的诗园》（A Child’s Garden of Verses ），那份喜悦之情赞美的主要对象，是我们的自然世界和进化的主要成果——众生不可思议、不可或缺的多姿多彩。（至少成年）人的理智渴求秩序，我们使用分类系统，让这多姿多彩有条有理。可分类学（分门别类的科学）常常被低估，似乎不过是一种美化的归档，每一物种都有属于自己的档案夹，就像一张邮票，在定位册中有自己的固定位置。但实际上，分类学是一门不断发展的基础学科，致力于探索生物之间相互联系和相似性的原因。分类是有关自然秩序根本的理论，不是为了避免混乱而编制的目录。

既然进化是生物之间相互联系和秩序的根源，我们希望分类系统能适得其所，很好地体现它。通过逐级分类，就有助于达到这一目标。这一系统能容纳很深的内涵范畴，可以清晰地体现生命之树的拓扑结构——小枝聚在一起成为树枝，树枝一起成大枝，大枝连树干。（就如人与猿和猴子聚在灵长目之下，灵长目动物和犬在哺乳动物之下，哺乳动物和爬行动物在脊椎动物之下，脊椎动物和昆虫在动物之下，诸如此类。不过，既然林奈等在达尔文之前的生物学家也使用逐级分类系统，进化就不是这一系统可以体现的唯一秩序根源。但是，以分化为形式的进化，确实可以被解释为从共同的祖先类群开始逐步分枝的过程。而形成的拓扑结构，唯有逐级分类系统体现得最好）

现代分类学认同七个基本层次，从种（被认为是不可再低的基本进化单元）到界（内涵范畴最深的群组），从低到高，依次为——种、属、科、目、纲、门、界。

最高一级是界。在这一级，最早被认为只有动物和植物之分。过去的学校里教的，是分为动物、植物和单细胞原生生物。现在，这些被更方便，更准确的五界系统取代，即植物界（Plantae）、动物界（Ammalia）、真菌界（Fungi）（三者皆为多细胞生物）、（具有复杂结构的单细胞生物的）原生生物界（Protista）〔或原始有核界（Protoctista）〕、（没有细胞核、线粒体及其他一些细胞器的单细胞生物的）原核生物界（Monera）（细菌和蓝藻）。

下一级是门。门是界以下的基本区分单位，它体现了同一类群的基本解剖学构型。例如在动物中，具有相同典型特征的最大基本类群被定义为门，像海绵、“珊瑚虫”（包括水螅型的珊瑚虫和水母）、环节动物（蚯蚓、蚂蟥和其他海洋多毛类动物）、节肢动物（昆虫、蜘蛛、龙虾等）、软体动物（蛤、蜗牛、鱿鱼）、棘皮动物（海星、海胆、沙钱）、脊索动物（脊椎动物等）。或者说，门代表了生命之树的骨干。

本书探讨的是动物界的早期历史，议题集中在门类的起源、最初的数量，以及门类之间的差异程度，我们要问的是有关我们动物界组成的最根本问题——如今地球上的动物有多少个门类？

对这个问题的回答不一，因为这个问题包含了一些主观因素。（物种是自然的基本单元，生命之树末端的小枝是客观的，但树枝要多大才算得上是大枝条？）尽管如此，我们达成了一种共识，门类的体量要大，易区分。大多数教科书认可的动物门类有20～30个，现在最好的分类纲要（Margulis and Schwartz，1982）列出的有32个。那是一本专门定义和描述门类的书，它估计的数目比其他的要多。动物的门类，除了上面已提到的7个类群，还有栉水母动物门（Ctenophora）、扁形动物门（Platyhelminthes，即扁形虫，包括在实验室常见的涡虫）、腕足动物门（Brachiopoda，双瓣壳无脊椎动物，常见于古生代化石中，现在已很稀少）、线虫门（Nematoda，蛔虫一类的动物，身体不分节，虫体通常细微，大量存在于土壤之中，也有一些是寄生虫）。

专门用这么大的篇幅解释，用意何在？再看看伯吉斯页岩，大家很快就能归纳出来——在伯吉斯页岩，区区一个不列颠哥伦比亚的小小采石场，15～20类动物之间的差别如此之大，与如今的动物天壤之别，以至于每一种都能成其为一个门类。给予单一物种如此之“高”的地位，我们有所犹豫。按传统，要发生数以百计的物种形成事件，而且每一次都要产生一点显而易见的差别，最终结果才能形成一个门类。所以，如果没有大量周而复始的物种形成事件，没有集聚极其丰富的多样性，这样一个类群的解剖学构型就不足以达到卓尔不群的水平，该类群也就无法成为一个独立的门类。以这种惯常观点为标准评价，伯吉斯页岩动物各自单独成一门类的理由，要么不对，要么不充分——一个仅包含一种或几种物种的谱系，其趋异程度远远不足以被认定为一个门类。但是，que faire？——该怎么办？伯吉斯页岩动物的15～20种构型之所以各成一门，是因为其解剖学结构的独特性。我们必须承认这一非同寻常的事实，不管最终决定给它们什么样的名分。

有一些专论读起来确实沉闷。的确，描述从已知地层中新发现的一两种在鼎盛时期被埋的腕足动物，那些文字不会让多少人眼前一亮。不过，物理和化学大多数时候不也是枯燥无味，复述显而易见的现象吗？专论的佼佼者能让我们重新审视那些激发我们浓厚兴趣的问题，是改变我们看法的杰作。（南方古猿）露西、“爪哇猿人”、我们人类的同种亲戚尼安德特人、克罗马农人老者 [3] ，以及其他类人化石，它们激发的想象堪比阿波罗飞船登月。但是，如果没有相应的分类学专论，我们会对它们一无所知，那些想象无从谈起。（这些确有“新闻价值”的例子，在初步报道公布之初被极尽吹捧。然而，待技术性论文发表尚需时日。当然，在此之前，用老生常谈的话形容，那些报道通常不过是夸张的鼓噪——雷声大，雨点小，价值有限）

在对专论的鄙夷中，人们极尽狭隘。那些工作被诋毁为不过是区区一种描述行为，不劳天才科学家屈就。而匹配天才科学家的脑力工作，范畴局限得难以置信，它们主要依靠分析和定量的技能。这让人觉得似乎人人都能描述一件化石，而只有伟大的思想家才能酝酿出平方反比定律。我也不知我们是否会远离智商理论的流毒。那种等级次序单一、着重先天遗传的诠释，把智力归结为单个数字，把每个人都排在白痴和爱因斯坦之间的简单序列中。

然而，天才之所以是天才，除了有过人的思维，还有其他很多方面。对伯吉斯动物的重建，与“简单”和“区区”的描述工作大相径庭。它们的差距，堪比卡鲁索和在淋浴时高歌的某个乔·布洛，或者是技艺超群的棒球运动员韦德·博格斯和尴尬的同行——“非凡”马佛·索隆贝瑞之间的区别 [4] 。您拿到一枚伯吉斯页岩石板，不可能看着一块暗色的模糊印迹，把它无心地照搬到纸上，就说那是一种功能完备的复杂节肢动物——那可不像把收银机记录带上的一串数字誊抄下来，就算是做账。重构伯吉斯动物和简单的描述之间，差距大到哪般具体的程度，我实在难以想象——试想，摆在面前的，是一个被擀平的、不成形的烂摊子，你得把它们复原成一种活灵活现的生物，还要让人信服。

完成这项工作，需要具备非同寻常的视觉和空间想象才能，那是一种特别的技能。我虽理解这种工作的流程，但从未能胜任。所以，我只有退而居其次，在这里讲述有关伯吉斯页岩工作的故事。根据被压得扁平的材料，复原出立体结构；根据一系列不同身体朝向的标本，整合出一件实体；把无数分散的正模和负模重新匹配——这些技能十分难得、十分宝贵。那么，我们凭什么贬低这等整合和定性的技能，而吹捧分析和定量的贡献呢？难道是一种比另一种更好、更难、更重要？

科学家了解自己的局限，知道什么时候需要合作。在我们当中，不是所有人都有把碎片拼合回整体的能力。我曾在野外与理查德·利基 [5] 工作过一个星期。我能察觉到他的骄傲和沮丧——他的妻子米芙和同事艾伦·沃克可以把细小的骨片拼合成一具头骨，就像玩三维拼图游戏，而他自己做得远没有那么完美（至于在我眼里，那仅仅是一盒子碎片，无从入手）。但米芙和艾伦自年幼就显现出这种能力，他们都热衷拼图游戏（而且十分奇怪的是，他俩小时候玩拼图的玩法与众不同，只从碎片的形状找线索，从不参考结果图）。

和他们一样，哈利·惠廷顿也有这种罕见的视觉才能，也是自幼显露出这种天赋。哈利生于英国伯明翰（Birmingham），没有与生俱来的阶级和文化优势，他的父亲是枪匠（于哈利5岁时去世），祖父是裁缝（并接过抚养哈利的责任）。他的兴趣向地质学靠拢，主要得益于（大学前）预科 [6] 的地质学老师的启发。然而，哈利一直都对自己的立体成像才能有所认识，并加以充分发挥。在孩童时，他喜爱搭建模型，搭建对象主要是汽车和飞机。他最喜爱的玩具是“机械师积铁” [7] （美国玩具“搭建师积铁”的英国版本，都是用钢条构件组合成不同的结构）。在初级地质学课程上，他擅长解读地图，并且精于画方块图。这是一个准确无误的连贯主题，从二维构件搭建立体结构的才能，而且有能力倒着来，把实物绘制到一个平面上。他这种从二维转到三维再倒回二维的工作能力，就是他成功重构伯吉斯页岩动物群的关键。

哈利·惠廷顿无疑是当时承担伯吉斯研究工程的不二人选。他不仅是全球（化石记录中最重要节肢动物）三叶虫化石研究的学术带头人，在少有的立体结构以硅质保存的化石研究方面，也取得过极其别致的成果〔例如在文献Whittington and Evitt（1953）中所展现的〕。在这样的化石里，原来的碳酸钙已被硅置换，四围的石灰石仍保持着碳质。既然碳酸盐可以被盐酸溶解，而硅酸盐不受其影响，那么，只要有难得的有利机遇，使化石立体结构的保存完全独立于围岩，那些碳质的杂基就可以通过上述方式去除。就这样，惠廷顿无意中为多年之后的伯吉斯页岩工作做好了理想的准备。有过研究岩石中化石立体结构的经验，他有机会通过溶解杂基，回收完好的化石本身，来对自己的预感和假设做出判断。以一个常用的进化生物学术语来形容，这些研究对于惠廷顿而言，是一种“前适应” [8] ，使他能在往后的伯吉斯页岩化石研究中，发现立体结构的存在，并加以充分利用。

如果在重新研究伯吉斯页岩之始，哈利·惠廷顿就知道将要耗费的时间，且必须专注其中，他或许不会启动这项研究。在参与1966年第一个野外考察季的工作时，他已经55岁，需要专注的研究已够他干一辈子。而且，身为剑桥大学地质学教授（系主任），他有繁重的行政管理职责在身，必须亲力亲为。

节肢动物的分类和解剖学结构

不要接受沙文主义的传统，把我们所处的地质年代打上“哺乳动物时代”的标签。这是节肢动物的时代。它们在方方面面超过我们哺乳动物，无论是以物种数、个体数，或是进化延续的前景为标准。在已命名的动物物种中，约80％是节肢动物，其中又以昆虫占绝大多数。

因此，如何对节肢动物的较高级别进行分类，就成为一个引人注目的重要议题。曾被提出过的方案不止一种，它们之间存在分歧，进而引发了人们的更多争论。不过，在门以下基本亚类群的数目和组成方面，各方还是达成了一定的共识。（其实，这些亚类群之间的进化关系问题更多，但那不是本书所关注的）

我在这里采用的体系，既传统又保守，与上述各方达成的共识相当接近。我认同将节肢动物一分为四。四个主要类群 [9] ，三个尚存，一个仅见于化石（见附图1）。至于它们之间的进化联系如何，我不提出任何方案。

附图1　节肢动物四大类群的代表化石标本。插图节选自古生物学史上采用最广泛的教科书，是19世纪晚期齐特尔的大作。（A）石炭纪的巨型蜻蜓，单肢类的代表。（B）化石物种板足鲎的一种，螯肢类的代表，头部第一对附肢小，隐于壳之下，其他五对在图中亦不可见。（C）一种蟹的化石物种，甲壳类的代表。（D）三叶虫。 [10]

1.单肢类（Uniramia）。包括昆虫、马陆（倍足类）、蜈蚣（唇足类），或许还包括有爪动物（onychophoran，这一类群虽小，且不常见，却非同寻常，在后文中，会有很多关于它的内容。那是因为，它们中的一种可能就出现在伯吉斯页岩之中）。

2.螯肢类（Chelicerata）。包括蜘蛛、螨虫、蝎子、鲎，以及已经灭绝的板足鲎类（eurypterid）。

3.甲壳类（Crustacea）。多为海洋生物〔鼠妇（等足目的潮虫）例外，它是陆生的〕，其中包括一些个体较小的双瓣壳类群。这些类群，学界以外的人士知之甚少，但它们种类极其多样，在海洋里十分常见（比如说桡足类和介形类动物）。除此之外，还包括藤壶以及十足目的动物（如蟹、龙虾、虾）。我们享用后者时心旷神怡，却认为它们的近亲昆虫恶心恶味。

4.三叶虫类（Trilobita）。常见于古生代地层，于2.25亿年前灭绝，是人人都爱的无脊椎动物化石。

要弄清伯吉斯动物群的来龙去脉，主要取决于对节肢动物丰富多样的了解。因此，我们不得不深入认识一些解剖学结构的细节。如果这听起来令人生畏，我可以向您保证，我会将采用的专业术语局限到最小的范围，小得让您完全可以接受——从上千条术语中仅挑选出20余条。（我不会把这些术语以清单的形式列出，而是在讨论的过程中一一解释。每一条关键术语首次出现时，我会用下划线的形式加以强调）

节肢动物构型的基本原则是分节（metamerism），也就是说，其身体构架是由一系列重复的体节向后延伸而成。掌握节肢动物分化的关键，在于认识到，这类动物的最初形式，由数个几近全等的体节组成。在这种最初形式的基础上，原先相似的体节并合、缩减，并特化出专门的功能，进化出高等节肢动物千姿百态的解剖学结构。这使节肢动物的解剖学结构看起来很复杂，所幸的是，我们只须记住两点，就能掌握节肢动物进化这一中心主题的复杂性，那就是——分节自身的并合异化，以及附肢的特化。

原始的节肢动物（附图2）有数个相互分离的相似体节。这些体节趋向合并，成为数目较少的特化组成结构。最常见的组成方式，是形成三部分，即头部、中部和后部〔例如对于三叶虫，分别称为头（cephalon）、胸（throax）、尾（pygidium），而对于昆虫和甲壳类，则是头（head）、胸、腹（abdomen）〕。大多数螯肢动物的肢体分为两部分，即前体部（prosoma）和末体部（opisthosoma）。许多甲壳类动物最末几节并合为一体，称作尾节（telson）。

附图2　如三分节虫属（Triarthrus ）三叶虫所示，原始节肢动物的体节形态相似，数量较多。除了最前的触角以外，每对附肢形态相似，且为双枝型。体部各节皆仅有一对附肢。（A）顶视图。（B）底视图。

节肢动物在体表有骨架，这种结构被称作外骨骼（exoskeleton）（尽管质地坚硬，但大多数类群的外骨骼并未矿质化，这可以解释为何大多数节肢动物在化石中如此少见）。体节并合，相应的外骨骼部分也相互连接，形成几个独立的骨架组成单元，称作体段（tagma），这种并合的过程就被称作体段划分（tagmosis）。骨架体段划分有不同的模式，这也成为鉴定节肢动物化石的一个主要评判依据。

另一方面，不仅与并合同等重要，也是伯吉斯页岩故事的关键元素，那就是附肢的特化和异化。原始形式的节肢动物体节甚多，每一体节都未特化，而且每节都着生有一对附肢，两侧各一。每一附肢有两个分枝，称作枝。这些分枝的命名可以依其着生位置而定，即外枝和内枝。或依其主要功能而定，外枝常生有鳃，行呼吸或游泳功能（或兼而有之），常被称作鳃枝（gill branch）；内枝常行行动的功能，可以被称作足枝（leg branch）、步行枝（walking branch），或步行足（walking leg）。（常见术语“步行足”的说法，或许会让读者觉得滑稽和多余，但这里的“足”是一个解剖学术语，而非指代功能。而且，并非所有节肢动物的足都为行走之用，例如昆虫的口器，就是略微分化的足）

这种最初的结构（附图3）被称作双枝肢（biramous limb，biramous字面义即为双枝）。（如果您记不住这里讨论到的其他名词术语，请一定要在脑海里留下对这个“双枝肢”的定义。在我们讨论伯吉斯的节肢动物解剖学结构时，它是最最重要的那个方面）特化的节肢动物通常会失去一个分枝，剩下的那个，就叫作单枝肢（uniramous limb，uniramous字面义即为单枝）。（请把“单枝”也存进脑海，就放在“双枝”的后面。）较高级别的节肢动物分类学所反映出的，就是在不同身体组成部位，着生单枝肢和双枝肢的比例如何不同 [11] 。

附图3　节肢动物一个体节的截面图，可见一对典型的双枝型肢。〔拉兹洛·梅索伊（Laszlo Meszoly）绘图〕

多数海洋节肢动物的步行足还有另一个功能，该功能或许让以脊椎动物为大的我们匪夷所思。有些海洋节肢动物进食和我们没有两样，都是把食物从头部前方直接送入口中。但更多数的，是用步行足把住食物，从后向前，沿着腹面（ventral，也就是动物的底面）中线的取食沟（food groove），运转到口中。〔动物的顶面称作背面（dorsal）。〕节肢动物的英文arthropod，是有“关节的足”的意思，也就是说，附肢也分为数节。附肢上的分节，距离身体较近的，所处的位置，称作近端（proximal）；距离较远的，称作远端（distal）。步行足上最近端的一节，称为基节（coxa）。基节边缘形成的取食沟常常具有齿状结构，这一结构被称作“颚基 ”（gnathobase，字面义即为“颚状的基部”），用来抓住食物，并向前传送。

我们对节肢动物的较高级别进行分类，即结合了上述两个原则：一个是体段划分或体节并合的方式；另一个是附肢的特化，即两个分枝一个失去，一个分化。节肢动物从最初具有体节未并合、着生双枝肢的祖先性状，沿着不同的路线进行体段划分和功能特化，逐步演进，形成现在的主要类群。我们回头再看节肢动物的四个主要类群。

1.单肢类。由名可知，昆虫及其近亲类群都失去了原先双枝肢中的鳃枝。它们的附肢（触角、足、口器）无一不是由足枝特化而成。〔昆虫通过在体表的内陷（invagination）结构呼吸，这种结构被称作气管（tracheae）。〕

2.螯肢类。现代螯肢动物的前体部有六对单枝附肢。第一对即是位于远端的螯，形如钳夹，行擒握的功能。（这一类群无触角。）第二对叫须肢（pedipalps），行感觉的功能，接着的四对附肢通常呈足状（蜘蛛的八条腿就是这么来的）。所有这些位于身体前部的附肢都由足枝进化而成，而位于身体后侧的附肢则完全相反。后体部的附肢也是单枝，但由鳃枝发育而成。〔蜘蛛的呼吸器官也叫“书肺”（lung-book），位于腹部。〕

3.甲壳类。尽管甲壳动物的构型多种多样，但从藤壶到龙虾，它们都具备显著的固有模式，即头部有五对附肢（由此可知，其头部由5个体节体段划分而成）。前两对附肢通常被称作触角或小触角（antennule），行感觉的功能，是双枝肢。这两对附肢位于口的前部，这种着生位置被称作“口前 ”（pre-oral）。另三对附肢位于口的后部，其着生位置被称作“口后 ”（post-oral）。其功能与口器相同，为协助进食之用。体部的附肢通常保留着双枝型的原始特征。

4.三叶虫类。三叶虫的头部有一对口前附肢（触角）和三对口后附肢。体部每节通常生着一对双枝肢，而且与我们认定的最原始形式相差无几。

上述模式十分固定，或许是节肢动物中最显著的现象。在近100万种昆虫中，没有一个具有双枝型附肢，且几乎所有物种的胸部都有三对肢。海洋甲壳动物的构型相当丰富，但头部的体段划分完全一样，都有两对口前附肢和三对口后附肢。显然，进化只为节肢动物选定了几种主题或基本构型，在后来整个动物界的伟大分化故事中，一直都没变过。

纵观生命史的历程，伯吉斯页岩的故事最为神奇，主要是因为它与节肢动物基本构型在后来变得局限的现象有关。而在伯吉斯页岩，那个不列颠哥伦比亚的采石场里发现的节肢动物化石，除了这四类的早期形式，还有不止20种基本构型。我们不禁要问，这种差异度是如何迅速地形成的？为何只有四种基本构型得以幸存？这些问题就是本书的主要议题。

但对于惠廷顿而言，伯吉斯就像一颗李子般美妙和多彩，令人难以抗拒。此外，当时所有人都认为，那儿的节肢动物在分类方面没有什么难题，而惠廷顿要负责的就是这一部分工作。惠廷顿告诉我，在决定研究伯吉斯之初，他“预计用一到两年描述一些节肢动物，并就此停止”。在英国，“就此停止”（full stop）是个句号——句子的结尾，项目的结束。

事实并非如此，光撰写有关马尔三叶形虫属的专论，就耗费了哈利·惠廷顿四年半光阴。意想不到的发现接踵而至。开始时还比较平淡，只是对某些节肢动物的身份存疑。随着疑问的不断积累，在20世纪70年代中期，终于形成一种全新的诠释。这一新的观点在随后所有的工作中不断发展，直指一个目标——形成关于早期生命史的新概念。当我依发表时序阅读这些分类学专论时，我从中看到了一出五幕古典式戏剧。其中，没有人被杀，甚至连被激怒的人也没几个。但就如达尔文在理论形成之后，又平静地酝酿了21年，才正式发表，对伯吉斯页岩的重新评价也需要相当长的时间。在这段时间里，平静的外表背后，是一场结构严格工整的知性戏剧。

注解：

[1] 　原文为“a series for long papers”，意为发表长论文的系列或论丛，但《伦敦皇家学会哲学学报》并非如此。尽管每期有专门论题，但专论的篇幅和形式各异。每卷各期有的由单篇专论构成，有的以数篇篇幅长短各异的论文组成，或是相同作者将一个议题分为几部分的专论，或不同作者就一个议题的论述或研究成果。惠廷顿团队在该学报发表的长论文属于单篇专论，尽管各专论之间有内在的联系，但并非以系列专论的形式发表——译者注

[2] 　罗伯特·路易斯·斯蒂文森（Robert Louis Stevenson，1850—1894），英国作家、诗人，代表作有《金银岛》《绑架》《变身博士》《一个孩子的诗园》等。引文原文为“The world is so full of a number of things，I’m sure we should all be as happy as kings”——译者注

[3] 　露西（Lucy），即南方古猿（Australopithecus afarensis ），在后文称为“南方猿人”，是在埃塞俄比亚发现的不完整雌性类人化石，距今约320万年，昵称取自甲壳虫（Beatles）乐队歌曲Lucy in the Sky with Diamonds 。“爪哇猿人”（ape-man of Java），亦称“爪哇人”（Java man），为直立人（Homo erectus ）化石，距今100万～70万年。尼安德特人（Neanderthal），25万～4万年前生活在欧亚大陆的类人物种，与现代人类有遗传物质交流，分类地位存在争议。克罗马农人老者（old man of Cro-Magnon），指最早的旧石器晚期欧洲现代人类化石——译者注

[4] 　卡鲁索（Caruso），即恩里科·卡鲁索（Enrico Caruso，1873—1921），意大利男高音歌唱家，在近一个多世纪中被认为是世界上最伟大的男高音。乔·布洛（Joe Blow），指普通人。韦德·博格斯（Wade Boggs，1958—），美国著名职业棒球运动员，三垒手，主要效力于波士顿红袜队，参加过12次美国棒球大联盟全明星赛，在作者写作此书前后的1982——1989年，曾连续7个赛季打出200次以上的安打。马佛·索隆贝瑞（Marv Throneberry），即马尔文·索隆贝瑞（Marvin Throneberry，1933—1994），美国职业棒球运动员，一垒手，效力于纽约大都会队，因在1962年赛季的判断失误获得“非凡马佛”（Marvelous Marv）的绰号。由于该球队在该年度创下联赛历史败绩新高，“非凡马佛”也被认为是失败的原因之一——译者注

[5] 　理查德·利基（Richard Leakey，1944），肯尼亚古人类学家；其妻米芙·利基（Meave Leakey，1942），英国古人类学家。艾伦·沃克（Alan Walker，1938—2017），英国人类学家。他们是较完整的直立人化石“图尔卡纳少年”（Turkana boy）的发现者，沃克还独立发现了埃塞俄比亚傍人（Paranthropus aethiopicus ）化石——译者注

[6] 　预科（sixth-form），英联邦中等教育体系的一个最后阶段。Form相当于中学的年级，“中学五年级”后的“中学六年级”指选择继续学业、获得大学认可的证书、为大学入学预备的教育阶段，历时两年或更长——译者注

[7] 　“机械师积铁”（Meccano set），诞生于1898年的英国玩具，美国版本“搭建师积铁”（Erector set），诞生于1913年，现已被Meccano公司收购——译者注

[8] 　前适应（preadaptation），指生物在新环境形成之前，就已形成使其适应其中的性状——译者注

[9] 　上述四个类群，除了单肢类以外，其他皆为独立的亚门，详细解释另见此处注解——译者注

[10] 　齐特尔（Zittel），即德国古生物学家卡尔·阿尔弗雷德·里特尔·冯·齐特尔（Karl Alfred Ritter von Zittel，1839—1904）——译者注

[11] 　按我国全国科学技术名词审定委员会审定的《动物学名词》（第一版），与uniramian相对应的规范用词为单肢动物，但uniramous type appendage与biramous type appendage相对应的规范用词分别为“单枝型附肢”和“双枝型附肢”——译者注

伯吉斯之戏

第一幕　1971—1974：马尔三叶形虫和幽鹤虫——从疑云初现到确实存疑

惠廷顿面对的概念世界

哈利·惠廷顿生来是个谨慎保守的人。他催生了思想的重大转型，但时至今日，还认为自己不过是个有能力对节肢动物化石细致描述的经验主义者。他最爱的座右铭是“学会走前不能跑”，并以此劝诫年轻的同事，在提出理论之前，要有事实和描述工作为基础。

和所有相信工作启动时不能操之过急，并有意放慢速度的古生物学家一样，惠廷顿从马尔三叶形虫属开始研究，因为那是在伯吉斯页岩最常见的生物。马尔三叶形虫（Marrella splendens ）在伯吉斯页岩的数量多得惊人，占压倒性多数。沃尔科特在那儿采集了12000多件标本，惠廷顿的团队另采集了800多件。连我都保管有200多件，全是珀西·雷蒙德在1930年采集而得。许多伯吉斯物种的标本不到10件，有的甚至只有1件。但是，马尔三叶形虫不同。有这13000多件潜在的观察研究对象，研究者无须担心唯一的证据在解剖的过程中毁于一旦，或者是确定不了研究对象的关键身体朝向。

马尔三叶形虫是沃尔科特发现并绘图的第一种伯吉斯生物。实际上，它代表了伯吉斯页岩。沃尔科特在1912年正式描述马尔三叶形虫属时，也承认他的“蕾丝花边蟹”不是一种寻常的三叶虫，但还是将其置于三叶虫纲，目一级的分类地位未知 [1] 。沃尔科特把伯吉斯生物看作后来成功类群的原始形式，依循这一观点，他写道，“马尔三叶形虫预示着三叶虫的到来”（Walcott，1922，163页）。

这并没有使沃尔科特所有的同行信服。在史密森尼学会的存档里，我发现一些他与查尔斯·舒克特之间饶有趣味的通信。舒克特是耶鲁大学的古生物学家，也是沃尔科特的伯吉斯页岩发现传奇权威版本的始作俑者 [2] 。他在拜读沃尔科特关于伯吉斯节肢动物的论文之后，于1912年3月26日致信这位朋友：

下面的话我只对您个人讲。自我见到Marrella [3] 的第一刻起，甚至现在目睹了您制作的该动物的许多精美图片之后，我依然不能说服自己，它是一种三叶虫……我不解它如何成其为三叶虫。我相信，它那些鳃不见于任何一种三叶虫。不过，我只想一吐为快，说出这一不成熟的想法供您参考，而非想说服您，它不是一种三叶虫。

而对于伯吉斯生物的归属原则，舒克特的态度与沃尔科特一样坚定，认为这些生物应归入现成的类群。他从未提及马尔三叶形虫有独特的分类地位，只不过是给出暗示，应为它们在已知的节肢动物类群中另找一个归属而已。

惠廷顿在重新描述伯吉斯页岩节肢动物之始，面对着概念上的重重障碍。要描述这种障碍是什么样的情形，我必须就我在本书中不时提到的一个说法举出实例。这个说法是“沃氏鞋拔”（Walcott’s shoehorn），它的意思是——沃尔科特将伯吉斯生物所在的所有属类一股脑儿强塞进现成的主要类群。对于下面几页内容，大多数读者得把它们与前面有关分类学及节肢动物解剖学结构的插页（参见此处及参见此处）结合起来。对于无脊椎生物学知之甚少的读者，我请求你们在这里有所投入。故事的内容并不难理解，而且概念上的回报巨大。此外，我将尽全力提供必要的背景信息和引导。其实，从概念上讲，这个故事一点都不难理解，而且细节既美妙又迷人。不仅如此，你们不必对复杂的分类做全盘的了解，只要能意识到，沃尔科特以及在惠廷顿修订之前的所有伯吉斯研究者，都把伯吉斯生物置于常见类群；而惠廷顿逐渐与这种传统一刀两断，并朝着关于生物分化历程的一种激进观点的方向迈进——就可以轻易跟上论述的思路。

沃尔科特对伯吉斯节肢动物的分类，全部列于1912年论文的第154页 [4] （表3.1即由此复制而成）。他将自己发现的伯吉斯生物所在的属分置到四个亚纲里，而这些亚纲全都属于他所定义的甲壳纲。他定义的甲壳纲范围比现代的要广得多，包括所有海洋和淡水节肢动物，这些生物在如今的分类地位所属遍及整个节肢动物门。他定义的四个亚纲在如今的界定情况如下：（1）鳃足类（branchiopod），绝大多数是淡水甲壳动物，包括卤虫和水溞，后者是一类枝角类动物（cladoceran）；（2）软甲类（malacostracan）是一大类海洋甲壳动物，包括蟹、虾、龙虾；（3）三叶虫类，它当然已成为最著名的节肢动物化石；（4）肢口类（merostome），包括已成化石的板足鲎类，以及现代的鲎，它们与陆生的蝎、螨、蜘蛛亲缘关系很近 [5] 。

表3.1　1912年沃尔科特的伯吉斯节肢动物分类

甲壳纲（Crustacea）

　1.鳃足亚纲（Branchiopoda）

　　无甲目（Anostraca）

　　　欧巴宾海蝎属（Opabinia ）

　　　林乔利虫属（Leanchoilia ）

　　　幽鹤虫属（Yohoia ）

　　　二叉山虫属（Bidentia ）

　　背甲目（Notostraca）

　　　娜罗虫属（Naraoia ）

　　　伯吉斯虫属（Burgessia ）

　　　奇虾属（Anomalocaris ）

　　　瓦普塔虾属（Waptia ）

　2.软甲亚纲（Malacostraca）

　　　膜虾属（Hymenocaris ）〔加拿大盾虫属（Canadaspis ）〕

　　　赫德虾属（Hurdia ）

　　　吐卓虫属（Tuzoia ）

　　　奥戴雷虫属（Odaraia ）

　　　菲尔德虫属（Fieldia ）

　　　卡纳芬虫属（Canarvonia ）

　3.三叶虫亚纲（Trilobita）

　　　马尔三叶形虫属（Marrella ）

　　　那托斯特虫属（Nathorstia ）〔锯形拟油栉虫（Olenoides serratus ）〕

　　　莫利森虫属（Mollisonia ）

　　　通托虫属（Tontoia ）

　4.肢口亚纲（Merostomata）

　　　臼齿山虫属（Molaria ）

　　　哈贝尔虫属（Habelia ）

　　　翡翠湖虫属（Emeraldella ）

　　　西德尼虫属（Sidneyia ）

沃尔科特1912年分类列表的最终结局，是整个伯吉斯故事的生动缩影。他拟定的22属，只有两属属于原先归置的类群。一属为那托斯特虫属〔Nathorstia ，即现在的锯形拟油栉虫（Olenoides serratus ）〕，它是一类三叶虫，毫无争议（Whittington，1975b）。另一属为膜虾属〔Hymenocaris ，即现在的加拿大盾虫属（Canadaspis ）〕，确为软甲类一支的甲壳动物（见第三幕）。有三个属〔赫德虾属（Hurdia ）、吐卓虫属（Tuzoia ）、卡纳芬虫属（Carnavonia ）〕属于双瓣壳类，其软体结构不存，只有壳保存下来。我们无法将其归置到节肢动物门的已知类群，时至今日，其分类地位依旧未明。另有三属，分类地位未知，可能是无机质。而且，它们的名字不出现在伯吉斯节肢动物的故事中——通托虫属（Tontoia ）来自大峡谷（Grand Canyon），并非采自伯吉斯页岩；二叉山虫（Bidentia ）是个无效的命名，其标本的分类地位为林乔利虫属（Leanchoilia ）；菲尔德虫（Fieldia ）是一种曳鳃动物门的蠕虫，沃尔科特鉴定有误，把它当成了节肢动物。

剩下14属，有两属（欧巴宾海蝎属和奇虾属）被分到相应的独特门类之下，它们与现代类群没有明确的亲缘关系 [6] 。这两属动物和至少12属分类地位情况类似的其他动物（多数被沃尔科特认定为环节类蠕虫），就是我讲的这个故事的核心。另有11个属，沃尔科特为它们指定的分类地位不再是其归宿，经重新分类，被认为是解剖学结构独特的节肢动物，既不同于现代类群，也不同于其他化石类群。只有娜罗虫属属于已知类群，但沃尔科特没有把类群选对。他认为那是一种鳃足类甲壳动物，但实际上是一类十分特别的三叶虫（Whittington，1977）。

在惠廷顿和他的同事重新描述伯吉斯页岩动物之前，无人挑战“沃氏鞋拔”。我这样说，并不是指所有古生物学家都接受了沃尔科特的归类。虽说伯吉斯动物群地位的重要性为全体古生物学家所公认，但从沃尔科特的描述论文到惠廷顿首篇有关专论的发表，60年间，关于伯吉斯生物的论文寥寥无几 [7] 。不过，也有少数论文提出了一些与沃尔科特截然不同的分类方案。

这些例外互有不同，但都未放弃固守沃尔科特的大前提——化石的分类归属，必局限于现有为数不多的较大熟知类群，生命的历史，大致朝着更复杂、多样性更加丰富的方向推进，这也是古生物学家一直没有挑明的一个共识。

利夫·斯特默在参与编撰的《古无脊椎动物学大纲》中负责三叶虫部分。成书篇幅颇巨，其中也包括他对大多数伯吉斯节肢动物的重新表述。斯特默的解决方案与沃尔科特的截然不同。他没有使伯吉斯节肢动物的分类地位遍布整个节肢动物门，而是把其中大多数归入了三叶虫类。当然，他不可能声称，所有这些种类多样、形态与三叶虫完全不同的动物，的的确确属于狭义的三叶虫纲。不过，他通过一个妙招（但是错误的），“解决”了伯吉斯节肢动物差异度较大的难题。他把主要的属全部聚为一个理应合乎逻辑的自洽进化类群，且分类地位与狭义的三叶虫纲并行。他把自己界定的这一类群称作“类三叶虫纲”（Trilobitoidea，字面义为“像三叶虫的”）。

这一解决方案可能看似过于草率，或者说过于武断，让人难以置信。但斯特默的做法有其理由（根据分类学理论的进展，我们会看到，这种理由并不成立）。他当然也承认，伯吉斯节肢动物的形态十分多样。他新拟一个分类学类群，是因为他觉得，在这些节肢动物头部之后的体节上，都着生有同一种“原始”附肢，就是那种双枝型，或者说二叉型——鳃枝在上，足枝在下的组成结构（见此处插页）。因此，他认为，既然三叶虫也具有这种组成结构的附肢，那么，狭义三叶虫纲就可以和这个类三叶虫纲一起组成更大的一级分类阶元，称为三叶虫亚门。斯特默给出的理由如下：

三叶虫亚门的界定，基于组成阶元的附肢基本结构似有共同之处的事实。既然三叶虫虫肢是一个特征显著且保守的组成结构，那么，化石中的这些节肢动物虽形态不同而亲缘关系却相近的原因，就可以得到解释。因为，那些动物都具有这种结构。

斯特默的“类三叶虫纲”分类如表3.2所示，其中16个属，除了两属以外〔前文已提到过，通托虫属来自大峡谷；另一属龟形虫属（Cheloniellon ），则是来自德国的洪斯利克页岩泥盆纪化石堆积库〕，全都为伯吉斯页岩所特有。斯特默把来自伯吉斯的属分到三个类群中：（1）马尔三叶形虫单独为一个类群；（2）被沃尔科特归在肢口亚纲（或“鲎类群”）的动物，斯特默认同它们有一定的相似之处，将其归作类肢口亚纲（Merostomoidea，字面义为“像肢口类动物的”）；（3）被沃尔科特归在甲壳纲鳃足亚纲背甲目的属，也被斯特默归到一起〔它们之间存在的些许相似之处也得到了斯特默的认同，被命名作伪背甲亚纲（Pseudonotostraca）〕。把所有伯吉斯节肢动物轻易地归入类三叶虫纲，斯特默或许试过，但他做不到。他对四个属一筹莫展，于是，将它们全部补充到分类表最末的“未明之亚纲”（subclass Uncertain）。这种解决方法，既不雅致，也没用拉丁文命名。

表3.2　1959年斯特默的三叶虫纲分类

三叶虫亚门（Trilobitomorpha subphylum）　　　　　　　　

　三叶虫纲（Trilobita）

　类三叶虫纲（Trilobitoidea）

　　1.马尔三叶形虫亚纲（Marrellomorpha）

　　　　马尔三叶形虫属（Marrella ）

　　2.肢口亚纲（Merostomoidea）

　　　　西德尼虫属（Sidneyia ）

　　　　阿米虫属（Amiella ）

　　　　翡翠湖虫属（Emeraldella ）

　　　　娜罗虫属（Naraoia ）

　　　　臼齿山虫属（Molaria ）

　　　　哈贝尔虫属（Habelia ）

　　　　林乔利虫属（Leanchoilia ）

　　3.伪背甲亚纲（Pseudonotostraca）

　　　　伯吉斯虫属（Burgessia ）

　　　　瓦普塔虾属（Waptia ）

　　4.未明之亚纲（subclass Uncertain）

　　　　欧巴宾海蝎属（Opabinia ）

　　　　龟形虫属（Cheloniellon ）

　　　　幽鹤虫属（Yohoia ）

　　　　赫尔梅蒂虫属（Helmetia ）

　　　　莫利森虫（Mollisonia ）

　　　　通托虫属（Tontoia ）

之所以在此对斯特默的分类系统与沃尔科特最初的方案做详细比较，我有两个原因：第一，要展示“鞋拔”的威力，可以通过阐明这样一个道理来达到。那就是，所有的分类方案，无论在细节上的差异有多么繁杂，都万变不离其宗。无论是沃尔科特把这些动物分散到众多现成类群里，还是斯特默把它们全都集中到他的类三叶虫纲中，无不依循“鞋拔”的规则——伯吉斯动物所在的所有属，都属于现成类群。第二，当惠廷顿启动他的项目时，斯特默的诠释是最新、最标准的伯吉斯节肢动物分类方案，它发表在集中国际共识的主流大全类志书上。惠廷顿关于马尔三叶形虫的专论工作，就是在斯特默类三叶虫纲的背景下展开的。

马尔三叶形虫：疑云初现

读哈利·惠廷顿最初对马尔三叶形虫的专论，如果是草草一瞥，并不会觉得其行文有什么革命意味。专论正文之前，是Y.O.福捷 [8] 所写的引言。福捷是加拿大地质调查局的局长，他这篇引言的开篇段落，即是对“沃氏鞋拔”及多样性不断丰富的圆锥等传统假定前提的复读：

位于不列颠哥伦比亚幽鹤国家公园的伯吉斯页岩举世闻名，独一无二。就是从那儿富含化石的寒武纪地层里，查尔斯·D.沃尔科特……采集到……一组引人注目、类群相当丰富的化石，并对其加以描述。这些化石代表了节肢动物几近所有纲，以及其他动物门类的始祖。 [9]

惠廷顿的专论标题，也未给出任何暗示，从中看不出论文是否将要掀起何等风浪。标题遵循有关论文的标准范式，交代了地点、年代和分类阶元，就如我以前一个学生沃伦·奥尔曼（Warren Allmon）对它的称谓——“产自不Z地的Y时期X”。他甚至采纳了斯特默类三叶虫纲的分类，标题就叫作“产自不列颠哥伦比亚伯吉斯页岩中的寒武世丽马尔三叶形虫（类三叶虫纲）之重新描述”。尽管这一分类地位惠廷顿只用过这么一次，在后来，他还是对自己曾经的举动后悔不已。

图3.12　马尔三叶形虫侧面观。〔玛丽安娜·柯林斯（Marianne Collins ）绘图〕

马尔三叶形虫是一类小型精致动物（见图3.12），它完全配得上沃尔科特为之特地挑选的名字——Marrella splendens [10] 。标本长度从2.5到19毫米不等（不及1英寸）。头盾（head shield）形狭，并向后延伸成两对刺状结构（见图3.13与图3.14），格外醒目。头后是体部，由24～26节组成，每节着生一对双枝型附肢（各肢分为两叉，见图3.15），下方一枝是步行足，在上方一枝上，生有长而纤细的鳃（沃尔科特对这一物种的昵称“蕾丝花边蟹”即源于此）。体部末端是一个细微的扣状结构，称为尾节。有些标本保留有肠道的痕迹。在与化石相邻的岩石表面上，常可见到特征明显的暗渍。它可能是动物死亡之后渗出外骨骼的内脏残迹。

图3.13　惠廷顿复原的马尔三叶形虫顶视图（Whittington，1971）。可见头部的两对附肢以及头盾上的两对刺状结构。第二对刺状结构向后长及动物整体。图中动物的左侧鳃枝和右侧的足枝分别被略去，这一处理更便于清楚地展示，也是科学示图的标准做法。不过，若对该传统并无了解，这样的图难免令人不知所云。

图3.14　马尔三叶形虫的正面观，图中的主角好似向读者迎面走来（Whittington，1971）。

图3.15　马尔三叶形虫的一对双枝型附肢。两侧上方的为鳃枝，下方的为足枝。（Whittington，1971）。

哈利·惠廷顿在马尔三叶形虫的研究上花了四年半时间，从标本的制备、解剖，到绘制好几十幅不同身体朝向的标本图，都由他一个人完成。这样的工作，通常应是交代给助理去完成的。但惠廷顿深知，他研究的，是关于伯吉斯化石的保存及其难题，如果要使研究成果显得有权威的“气场”，并获得认可，这些反反复复的基础工作，他必须亲力亲为。这些工作在实施时难免枯燥、重复，但也能提供令人兴奋的机会，足以激发研究人员持之以恒的毅力。哈利跟我讲过，为何会决定一人承担所有的工作，奉献宝贵的年月，专注这项研究：

我想这一点很重要。的确，那十分耗时，往往是一连数个小时。不过，你能亲眼看到一切。而且，不少现象显露出成效，是一个逐步的过程。我喜欢制备 [11] 。发现隐藏的东西，是件十分令人兴奋的事，让一种隐藏的化石结构从岩石中显露出来，会让人有一种无与伦比的激动。

惠廷顿及其团队的伯吉斯研究，多数是订正，而非对新发现物种的首次描述。因此，这些工作是在原有诠释的语境下开展的，是对之前研究进行评价。沃尔科特把马尔三叶形虫称作三叶虫，或者，至少可以说——方向没错，因为前者也具有后者的部分解剖学特征。斯特默把马尔三叶形虫当作他“类三叶虫纲”的“旗舰”生物，而这一纲又与三叶虫纲是姐妹群 [12] ，同属于三叶虫亚门。所以，惠廷顿研究马尔三叶形虫的主要背景，就在于它与三叶虫的关系，而三叶虫研究正是他毕生所长。

惠廷顿断言，马尔三叶形虫的基本构型与三叶虫鲜有相似之处。头盾数量为一，并有两对醒目的刺状结构，体节数量众多，形态单一，且大小向后逐渐递减，直至成为一个扣状结构——马尔三叶形虫的这些特征，让人很难联想到“标准的”三叶虫。三叶虫的外骨骼通常为阔椭圆形，由三个基本部分组成——头、胸、尾（对于无视术语的读者，知道它们分别指脑壳、身板和尾巴就行了）。

但是，认为马尔三叶形虫与三叶虫有亲缘关系的观点，无一以虫体的大致形态为依据。斯特默提出类三叶虫纲的概念时，给出的理由，是这些动物的体部都有相似的双枝型附肢。然而，惠廷顿研究了数百件标本，在这一过程中，他逐渐开始意识到，马尔三叶形虫不同于任何已知三叶虫种类。这些差异表现一致，而且可能是两者的根本差异。惠廷顿也承认，两者在基本结构上并非完全不同。这一大致相似的说法从未被怀疑过，即使是惠廷顿，也引述了斯特默的原话，用来强调这一观点——“这些附肢有分节的步行足和着生纤毛状结构的鳃枝，从广义上讲，它们‘多少与三叶虫的附肢相似’（Størmer，1959，26页）”（Whittington，1971，21页）。不过，那些不同之处开始让惠廷顿有更深的印象。马尔三叶形虫的步行足分为六节，末节上有刺（见图3.15），比三叶虫的分节少一到两节，而三叶虫步行足分节的标准数目很少有变。惠廷顿得出结论：“无论哪一枝都与已知三叶虫的不相像，其步行足比三叶虫的少一（或两）个分节，着生纤毛的一枝在结构上也与之不同。”（Whittington，1971，7页）

把马尔三叶形虫归于三叶虫的类群，沃尔科特对头盾及其附肢的诠释可作为强有力的证据（Walcott，1912；1931）。三叶虫（见前文插页）头部附肢的着生方式特征明显，几近刻板——一对（触角）生于口前，三对生于口后（早前的研究也提出过四对口后附肢的说法，但后来的研究，尤其是惠廷顿在1975年发表的有关产自伯吉斯的三叶虫的专论，认为三对的可能性更大）。沃尔科特重构的马尔三叶形虫头部与三叶虫的构型完全一致——有一对触角，并把接着的三对分别称为上颚（mandible）、第一小颚（maxillula） [13] 、下颚（maxilla）（Walcott，1931，31页）。沃尔科特甚至打算发表照片（Walcott，1931，图版22），旨在清晰全面地展现这一着生方式的细节。这一重构就成为他将马尔三叶形虫和三叶虫联系起来的重要原因。

不过，惠廷顿心中疑云顿生。在研究那几百件标本的过程当中，这种怀疑逐渐发展成反证。沃尔科特之后的作者们并未接受他的理由。（比方说斯特默，他肯定马尔三叶形虫与三叶虫之间的联系，但也拒绝沃尔科特对前者头部的重构，他的依据是两者体部附肢的相似性）是惠廷顿首次发现，沃尔科特展示的示意照片，是照片修描者技艺的产物，而非岩石结构的忠实写照。在专论的第13页，惠廷顿解释为何自己对沃尔科特采集标本的手工绘图，与沃尔科特在1931年发表的照片有所不同：“从标本本身可见，他的示意照片曾经过大量的修描。”这种克制的评价一直持续到第20页，在这一页，惠廷顿少有的尖刻评价跃然纸上：“一些照片修描过度，已经到了捏造某些特征的程度，所谓上颚、第一小颚与下颚，就是这一行为突出的体现。”（Whittington，1971）

在马尔三叶形虫的头部，惠廷顿只发现有两对附肢，都是口前类型，也就是说，在口部之前。一对是较长的第一触角（相当于沃尔科特所言的“触角”，换谁都会如是诠释），分节数多，一对是相对粗短的第二触角（沃尔科特所言的“上颚”），由六节组成，有些覆有刚毛或毛状结构。惠廷顿没有发现沃尔科特所言下颚及第一小颚的任何踪迹，他的结论是，沃尔科特将压碎或脱节的第一体节足枝误当成头盾的组成结构。沃尔科特自己也承认过，他没能在大多数标本中观察到这些所谓的附肢：“第一小颚与下颚过于纤细，通常缺失，或因撕扯脱落所致，或被挤压破碎于强壮的上颚 [14] 和胸部附肢之间。”（Walcott，1931，31—32页）

但是，确认马尔三叶形虫头盾有两对口前（第一、二触角）附肢，无口后附肢，并不能完全解决解剖学方面的问题。这两对附肢的潜在联系不止一种，而两者关系到底如何，是从分类学角度确定亲缘关系的依据。惠廷顿面对的主要选项有三种，都是前人已提出的，且引申各有不同。第一种，是两对触角或许代表了一对祖先附肢的内外两枝——第一触角由外侧的鳃枝进化而成（虽然失去了纤毛，但分节多数的纤细主干得以保留），粗短的第二触角由内侧的步行肢进化而成。第二种，是两对触角自祖先起就是完全分离的，最初分别着生于两个体节之上，在进化的过程中分化成当前的结构。第三种，第二触角与步行足如此形似，或许实际上属于头后的第一体节，根本不着生于头盾之上。若果真如此，头部可能只着生有一对附肢，也就是第一触角。

要解析马尔三叶形虫的解剖学结构，惠廷顿需要解开不少难题。上述问题是重中之重，十分棘手。此外，他还面临一个技术性障碍。因为，头部附肢与头盾之间的关键连接点显露在外的标本少之又少，几近不存。（远端，即最远一端的术语称谓，是指附肢上与虫体相接处相反的一端。附肢的远端远远地伸向虫体的中轴之外，通常保存得完好易见。但附肢与虫体相接的一端，也就是近端，即最近的一端，位于中轴之内，与虫体中心区域的解剖学结构混为一团，难以分辨，因此很少能被解析清楚。）

为了解开这个难题，惠廷顿用尽自己所有的分析技巧。他从头盾向内解剖，寻找附肢与虫体的相接处。他还找来身体朝向非同寻常的标本，看附肢的近端是否显露在外。图3.16呈现的，是一张显微（投影）描绘图。它描绘的关键标本，最终导致惠廷顿对马尔三叶形虫重新诠释的形成——这是两对相互独立的触角，皆着生于头盾之上。这是唯一一件清晰显示出各对触角近端，且分别相接于头盾之内的标本。

图3.16　马尔三叶形虫头部的显微（投影）描绘图。所示标本，为解开解剖学结构复原主要难题的关键，只有这件标本显示出两对附肢（标为a1 和a2 ）分别与头盾相接的特征。

想想看，惠廷顿着手撰写马尔三叶形虫专论时，所面对的情形，是何等进退两难。在他心中，旧的观点理所当然，即化石全部属于现有的主要类群，生命的历史朝着更加复杂和多样的方向发展。可是，马尔三叶形虫在现有类群中似乎无类可归。惠廷顿发现，这类动物体部的足与三叶虫相似，但相似程度并不足以使前者归入后者之中。他确认，头部附肢为两对口前型，无口后型，既不同于三叶虫的一对口前型、三对口后型的序列，也从未见于节肢动物的类群中。他该拿马尔三叶形虫怎么办？

如今，若遇到这种情形，已不会有任何问题。哈利会一笑而过，对自己说——哦，又一类不属于现代类群的节肢动物，又一种差异度在开始时就达到顶峰的表现，也是随后的历史是一个有关构型抽灭而非递增故事的另一证据。不过，这种诠释在1971年还闻所未闻。这一概念的车不会去推拉它的那匹领头马，何况车还没造出来。

1971年，哈利仍困于这样一个概念——既然伯吉斯化石的年代久远，那里的物种必然是原始的，或为各大类群的基础成员，将来在其基础上特化出更多构型，或为更遥远的先辈，集众多类群的特征于一身，因而是所有这些类群的祖先。如此一来，他草草抛出这样一种观点，马尔三叶形虫或是三叶虫类和甲壳类的某种共同祖先——为三叶虫的祖先，是因为足的结构相似，为甲壳类的祖先，是因为头盾着生有两对口前附肢。（这一论据中的事实都显得比较勉强，惠廷顿在文中已详细列举了马尔三叶形虫与三叶虫在足结构特征方面的显著不同，且甲壳类的头盾着生有三对口后附肢，而马尔三叶形虫一对也没有）即便如此，惠廷顿依旧站在有关原始性的大众说辞一边，这是他能对马尔三叶形虫做出的唯一判断。他写道：“马尔三叶形虫的化石表明，存在着这样一种早期节肢动物，以体节形态连续一致、足肢与三叶虫大体相似为特征……且无颚结构，这一特征与取食颗粒和碎屑的习性相符合。”

但惠廷顿还须列出马尔三叶形虫属的分类地位。这一下，他又陷入两难。马尔三叶形虫的独特特征与节肢动物各个类群的基本特征都不相符。哈利已经处于思想转变的边缘，但这一次，他还是有所顾忌，选择站在传统一边——就如在专论标题中见到的，他把马尔三叶形虫属归入斯特默拟定的“类三叶虫纲”。可是，如此为之以后，他为背叛自己更好的判断而备感痛苦。他告诉我：“我不得不加上它的归属，于是我把‘类三叶虫纲’加了上去。”但是，在论文投稿和收到出版印刷的白纸黑字之间的日子，惠廷顿已经意识到，他本来可以将“类三叶虫纲”作为一个人为定义的类群弃之不用。在那个“废纸篓”里，埋没着最精彩的节肢动物进化故事。他对我说：“当我见到标题中马尔三叶形虫与‘类三叶虫纲’印在一起时，我就知道搞砸了。”不过，事实上，马尔三叶形虫只是一个大爆发的开端，对这次解剖学构型大爆发的记录很快就要改变我们的生命观。

幽鹤虫：疑上心头

惠廷顿的伯吉斯节肢动物修订之旅谨慎细微，他本打算按标本数量的顺序依次研究。加拿大盾虫的标本数量仅次于马尔三叶形虫，但哈利希望让一名研究生来负责所有双瓣壳节肢动物研究（正如在第三幕中会看到的，德里克·布里格斯将把这一工作完成得十分出色）。再接着，是伯吉斯虫和瓦普塔虾，斯特默曾将它们归到他的伪背甲亚纲。不过，惠廷顿将这些属分配给他的同事克里斯·休斯（他对伯吉斯虫的研究成果发表于1975年，在此书的撰写过程中，有关瓦普塔虾的研究尚未完成）。就这样，惠廷顿选择了标本数量排在下一位的节肢动物（大约有400件）——幽鹤虫属（Yohoia ），这个有趣的属类以伯吉斯页岩所在的国家公园命名。

惠廷顿的第二篇专论，即是在1974年发表的幽鹤虫研究。它标志着惠廷顿思想发生了细微但又有趣的变化，朝着重大转变的方向迈出的必要一步。惠廷顿在研究马尔三叶形虫属时并不轻松，但他的实证得出正确的结论——这一伯吉斯最常见的属类，不属于任一已知节肢动物类群。但是，当时没有这种概念框架，惠廷顿除了把伯吉斯生物看作原始或祖先类型，没有别的选择。当然，他也无意仅凭可能不够典型的孤例，就去建立一柱新的标杆。不过，一例为奇，两例则不然，会有普遍潜在可能。研究幽鹤虫，让惠廷顿往全新生物观的方向迈出了明确的第一步。

幽鹤虫是一类非常奇特的动物。一眼望去，可见体部细长，头盾简单，没有奇怪的刺状结构，也没有突起，看起来十分“原始”，结构也不算复杂（图3.17）。沃尔科特把这一属归为鳃足动物，斯特默认为它归属不明，塞到类三叶虫纲的最后。而当惠廷顿研究时，他感到越来越疑惑。幽鹤虫与任何已知类群的特征都不相符合。

图3.17　惠廷顿的幽鹤虫复原图（Whittington，1974）。可见与头相接的大附肢（标为rga和lga）。

以伯吉斯标本的标准，幽鹤虫的保存算不上好。这让惠廷顿难以解析附肢的次序和排列方式，那可是节肢动物分类的关键因素。他最终认定，幽鹤虫的头部可能着生有三对单枝型步行足。这并非有何特别之处，它符合标准的三叶虫模式，与斯特默将其归入类三叶虫纲的处理别无二致。但最令人好奇的非同寻常之处，就位于虫体前端——一对大的擒握附肢，各肢由基部粗短的两节和端部的四根刺组成。这一独特的结构在节肢动物中独一无二，在现有的众多术语中，惠廷顿也找不出合适的名字来称呼它。于是，他选了个雅致朴素的俗名，称其为“大附肢”（great appendage） [15] 。

图3.18　幽鹤虫。（玛丽安娜·柯林斯绘图）

除了“大附肢”，幽鹤虫的头盾没有着生其他附肢——无触角 [16] ，无取食结构（昆虫及其他动物所谓的颚与口器都是特化的足，电影里巨大的昆虫进食画面会让我们感到诡异和不适，这一事实即是罪魁祸首）。头后的前十体节上有叶状的附肢，附肢末端生有流苏状的刚毛，或毛发状延伸结构（见图3.18及图3.17）。第1体节的附肢可能是双枝型，有步行足，但由于标本保存状况不佳，惠廷顿无法获得满意的解析结果。第11～13体节为圆筒状，皆不着生附肢，而末节，即第14体节形成扁平的尾节（或尾巴）。体节和附肢的这种特征，与标准的三叶虫模式有很大的不同。标准的三叶虫模式，是各体节皆着生一对双枝型附肢。有“大附肢”在前，奇怪的附肢特征在后，幽鹤虫成为节肢动物中的一个“孤儿”。

惠廷顿（在1988年4月8日的采访中）回忆，研究幽鹤虫是他的思想转折点。在此之前，尽管他认识到马尔三叶形虫的独特性，但还是将它纳入主流思想的“双P”阵营——认为它是原始的（primitive），且为后来类群的前体（precursor）。而此时，对幽鹤虫的研究结果，已迫使他产生了一种不同的见解。幽鹤虫是一类简单细长的动物，有很多体节，从一些角度看，它的确有某种原始的外观。他写道：“这类动物的消化道贯穿整个虫体，与斯诺德格拉斯 [17] 假想的原始节肢动物相似。”（Whittington，1974，1页）惠廷顿也未回避其独特性，尤其是那对“大附肢”的组成形式。他曾试图还原幽鹤虫的生活习性，解释那些着生流苏状刚毛的叶状体节附肢如何用以游弋、（作为鳃）呼吸、转运食物碎屑；解释它如何操起那对“大附肢”，往前，用刺尖捕获猎物，再向后折回，正好将食物送入口中。

所有这些，都是独一无二的解剖学性状。或许正因为如此，才使幽鹤虫得以很好地适应其独特的生活习性。这类动物不是某一类群有着奇特性状的祖先，它自成一体，不过是同时拥有原始性状和衍生性状。惠廷顿写道：“显然，外骨骼和附肢的特征，是纤柔幽鹤虫（Yohoia tenuis ）习性与众不同的原因。”（Whittington，1974，1页）

图3.19　决定性的第一次公开存疑。惠廷顿仍将幽鹤虫属置于“类三叶虫纲”，但对斯特默拟定的这一类群的地位是否合理表示怀疑（Whittington ，1974，4页）。【图中英文分别为：系统描述，类三叶虫纲？幽鹤虫科、幽鹤虫属——译者注】

就这样，在至关重要的1975年即将到来之际，惠廷顿已有两篇关于伯吉斯节肢动物的专论问世，研究结果的古怪亦如出一辙。在现有的节肢动物类群当中，马尔三叶形虫和幽鹤虫无以归属。它们并非生命曙光到来之际的一些仅具基础特征的简单生物，它们是特征专化的动物。具有那些独一无二的特征，表明它们显然活得很好，而非像一些简单生物，在将来有更复杂、更具竞争力的后代可取而代之。

惠廷顿顾忌依旧，没有因这些疑点而改写幽鹤虫的正式分类地位。他依然将幽鹤虫属置于“类三叶虫纲”，不过这是最后一次，而且，处理也与之前有两处关键的不同：第一，在专论的标题中，没有出现斯特默拟定的这一类群名。第二，在正式分类表中，这一类群名之后，多了一个决定性的问号（Whittington，1974，4页）。这两个不同之举，是对旧有秩序的首次公开挑战（图3.19）。惠廷顿写道：“我对幽鹤虫是否应置于类三叶虫纲存疑。”（Whittington，1974，2页）问号在概念上显现出的威力，永远不要加以怀疑。

第二幕　1975：新观念生根——向欧巴宾海蝎致敬

图3.20　惠廷顿复原的欧巴宾海蝎（Whittington ，1975a）。（A）顶视图，可见头背面的五只眼。（B）侧视图，背面朝右，可见尾鳍的朝向与身体的相对位置。

哈利·惠廷顿在1975年欧巴宾海蝎专论的开篇语，应当作为最非同寻常的表态之一载入科学史册。“本文图82 [18] 的早期版本在牛津召开的一次古生物学协会会议上亮相时，曾被敬以热烈的笑声，那应当是向这种动物奇异之相的致敬。”（Whittington，1975a，1页）您是否会为我的断言感到困惑？这一不得罪人的句子有什么特别之处？它甚至未放弃科技写作中传统的被动语调。好吧，您如果了解哈利·惠廷顿，并沉浸于科技专论的行文传统风格之中，就不会这么问了。我已说过多次，哈利是一个保守的人 [19] 。我怀疑，在他多达数千页的著作中，是否曾有过个性化的表态，更别说是对某一透明事件的戏说。（即使在这次，他也只允许自己以被动的语调道出）那么，是什么竟然说服了哈利·惠廷顿，在发表于《伦敦皇家学会哲学学报》的专论上，以这种个人化的幽默开头？对于惠廷顿而言，这样的开头就好比卡里姆·阿布杜尔—贾巴尔 [20] 到了小人国。一定是发生了什么不同寻常的事。

图3.21　欧巴宾海蝎，可见末端有爪的前端长鼻状结构、头部的五只眼、朝上一面着生鳃的体部，以及分为三节的尾节。（玛丽安娜·柯林斯绘图）

沃尔科特在1912年描述欧巴宾海蝎属时，也是将其当作一种鳃足类甲壳动物。欧巴宾海蝎前端有怪异的长鼻状结构（图3.21），这一特征使其在伯吉斯动物中显得最引人注目。多年来，对其复原的尝试不止一次，但论文的作者们无不在节肢动物的某个主要类群中为其觅一归属。欧巴宾海蝎是伯吉斯节肢动物中最令人疑惑的一员，对于惠廷顿而言，它既是挑战，从逻辑上讲，也是下一个研究目标。毕竟，在此之前的三篇相关专论，有两篇是关于在伯吉斯常见的属（马尔三叶形虫属与幽鹤虫属），一篇有关三叶虫足肢的结构研究。

研究甫始，对于欧巴宾海蝎节肢动物的身份，惠廷顿没有丝毫怀疑。而且，之前研究马尔三叶形虫与幽鹤虫的经历，应该让他有了见怪不怪的心理准备。但很快，他便遇到有生以来的最大意外，之前见识之怪已是小巫见大巫。1972年在牛津召开的古生物学协会（Palaeontological Association [21] ）年会上，惠廷顿报告了自己对欧巴宾海蝎的首轮复原成果。

笑声是人类最模棱两可的表达方式，因为它所体现的，可以是相互矛盾的两种意味。同行们在牛津发出的笑声，惠廷顿认为是出于困惑，而非奚落。尽管如此，他还是受到很大的震动。他的两位高徒，西蒙·康维·莫里斯和德里克·布里格斯一致认为，那次在牛津的听众反应，是哈利的伯吉斯页岩研究发生转折的标志。他的动机很简单，他必须解决这个问题，平息那始料未及、格格不入的笑声。他必须征服同行们，因此，对欧巴宾海蝎的复原必须无可辩驳，这样，它所有的奇异之处才能作为事实被广为接受，再也不会让科学殿堂的清净为身负弥尔顿 [22] 《快乐的人》的灵魂所扰：

小仙女儿，你快快来，

带上风趣，还有年轻的欢快……

被老朽谨慎讥讽的嘲笑，

还有两手叉着腰的大笑。

虽然欧巴宾海蝎是一种罕见的动物，只有10件品相较好的标本（沃尔科特发现九件，加拿大地质调查局在20世纪60年代的工作中又发现一件），但沃尔科特将它作为对伯吉斯动物群诠释的中心，其重要地位随之确立。沃尔科特给予欧巴宾海蝎的重视，体现在排位上。在他对伯吉斯节肢动物的描述文字中，该属排在首位；在他的分类表中，该属亦排在最前（见表3.1）。因为他认为，有体部细长、体节较多且无明显复杂附肢等特征，“十分容易产生联想，它就是环节动物的祖先”（Walcott，1912，163页）。环节动物门（Annelida）由体节较多的蠕虫（包括陆生的蚯蚓和海洋多毛类动物）组成，被认为是节肢动物门的姐妹群。既然如此，一种集合两个门类动物特征的动物，应该与两者各自祖先的关系都很近，而且可以是联系这两大无脊椎动物类群的一环。对于沃尔科特而言，欧巴宾海蝎就是最原始的伯吉斯节肢动物，是将来所有类群真正祖先的最佳之选。

但是，沃尔科特认为欧巴宾海蝎有哪些节肢动物特征？他不会在意头部，在那儿，他未发现有附肢着生。前端的“长鼻”可以被诠释为合二为一的触角，眼的构型也与节肢动物一致（沃尔科特只注意到两只眼，但惠廷顿发现了五只，由两对和位居其中的一只组成）。沃尔科特坦言：“没有一件标本的头部……有第二触角、第一触角、上颚或下颚的着生痕迹。如果这些附肢较大，它们便已脱落，如果较小，就有可能被挤压扁碎的头后部区域遮住。”（Walcott，1912，168页）我认为这一表述显然是无意识地先入为主的一个实例，虽然看起来有趣，但在科学领域里，却是一种偏见。沃尔科特“早就知道”欧巴宾海蝎是一类节肢动物——是节肢动物，其头部必着生有附肢。既然他没有发现任何附肢，就必须给出理由——要么过大，因而总是断掉；要么过小，因而藏于头下。他甚至未提及显而易见的第三种可能——没见到，是因为它们并不存在。

（顺便提一句，在下一段可以见到，沃尔科特还犯了另一个错误。这一错误，或许仅仅是显得有些好笑，或者说有些离题，但也突出说明了一个严重问题。那就是，我们带着成见去观察，将结论局限于已知的范畴，因而对显而易见的真实视而不见。促使惠廷顿及其同事对伯吉斯动物加以订正的动因，可能是他们观察到一系列异常特征。但正如我们将要看到的，在1975—1978年间，全新观念的概念框架逐渐成形。它营造了新的语境，才使更多的观察研究得以实现。我不是在鼓吹相对主义 [23] ，因为伯吉斯动物是客观的存在，不会因我们而改变。但是，概念可以遮住我们的双眼，而对一般性特征的鉴定再精确，也不能保证对特有解剖学结构的认识一定正确。不过，概念一定能牵引我们的感知，在硕果累累的康庄大道上行进。）

抱着我们自古以来便有的性别偏见，沃尔科特发现了两件不见前端长鼻状结构的标本。（沃尔科特以为这些标本确实不曾有“长鼻”，但惠廷顿在后来解剖其中一件标本时，发现了参差不齐的断裂点，从而证明，“长鼻”并非不曾有，而是脱落了）在一件标本本应着生“长鼻”的位置，沃尔科特发现了一个纤细的二叉状结构。（这实际是一类不相关的蠕虫的局部碎片，但沃尔科特把它诠释作欧巴宾海蝎自身的结构，就在其他标本着生长鼻状结构的位置）于是，沃尔科特便得出结论，自己发现欧巴宾海蝎具有雌雄异形现象。粗壮的“长鼻”（自然）属于雄性，那纤细结构则属于更纤弱的雌性。他在论文中写道，这些所谓雌性“不同于雄性之处，在于前端的附肢纤细，呈二叉状，而非如雄性那般强壮”。他甚至把主动和被动的老套强加到他想象的区别中，说“长鼻”“可能为雄性抱握雌性之用”（Walcott，1912，169页）。

沃尔科特认定欧巴宾海蝎是节肢动物，其主要理由，在于对成对体节的诠释。他将这些翼状的结构解读为原始双枝型附肢的鳃枝。根据自己的观察，他以为在每翼基部有两或三个“长度较短的强壮关节”（Walcott，1912，168页），鳃就着生在与关节相接的阔叶状结构上。他希望也能发现内侧的足枝，但始终没取得能使自己信服的发现。他最后的结论是，步行足可能以“无关紧要或痕迹性状 [24] ”的形式存在。

显然，沃尔科特认为，欧巴宾海蝎与节肢动物有亲缘关系的铁证未能保存下来。为此，他感到困扰。他甚至找来一些现代无甲类动物，将它们放到玻璃板之间挤压，以此模拟伯吉斯化石形成的环境。这是有意造成伤害的行为，但结果让他多少有所慰藉。因为，采用这种实验处理，所有纤弱附肢存在的证据会毁于无形。他写道：“在实验中，将鳃泳虫属（Branchinecta [25] ）和鳃足虫属（Branchipus ）标本放到玻璃板之间压扁。通过研究实验结果，我发现，如果化石中附肢结构的特征保存得清晰可见，那会令人十分吃惊。”（Walcott，1912，169页）沃尔科特施展其半路出家行当的专业技能——行政管理，用最好的一面遮住不利的方面。这样，欧巴宾海蝎仍是节肢动物。

在后来的有些重构中，欧巴宾海蝎被赋予越来越多的节肢动物特征。与下面这些越发“不知耻”的重构相比，沃尔科特的工作绝对算得上谨慎细微、面面俱到。1931年，伟大的生态学家G.伊夫林·哈钦森跨界古生物学。无甲类动物偏好的生活环境如何从寒武纪的海洋，变化到现代的淡水池塘，这个问题令人着迷。为了弄清这个问题，他也对欧巴宾海蝎进行了重构。他对重构的呈现，是无甲类动物游弋时标准的背部朝下姿势（图3.22）。两侧的翼状结构被重构成刃状的附肢，正好着生在节肢动物壳的侧面。

图3.22　哈钦森按无甲类动物重构的欧巴宾海蝎，以前者现代类群游弋时背部朝下的姿势呈现。（Hutchinson ，1931）

这种自由想象传统的高潮，是西蒙内塔（Simonetta）发表于1970年的重构 [26] 。这一重构有其美学上可爱的一面，但也富有幻想，欧巴宾海蝎成了一种理想的节肢动物（图3.23）。其前端长鼻状结构多出一条纵向的缝隙 [27] （完全出于想象），表明那本是一对触角，现在合二为一了。西蒙内塔在头部还“发现”了另两对较短的节肢动物附肢，但实际上一对是眼，一对是壳上的突起。在重构图中，西蒙内塔为体部每节加上了强壮的附肢。这些附肢是典型的双枝型，刃状的鳃枝在上，虽小但结实的足枝在下。当惠廷顿着手研究那十件欧巴宾海蝎标本时，所面对的，就是这种未曾被挑战过的传统。

图3.23　西蒙内塔按节肢动物重构的欧巴宾海蝎（Simonetta，1970），虽迷人，但又是错误的。（A）顶视图，（B）侧视图。西蒙内塔向大家展示，前端长鼻状结构，是由触角合二为一而成。在体部各节的两侧，还绘有双枝型附肢。

我现在就要呈现本书的支柱内容。在接下来的一两页里，我本想用大写，或时髦的字体，或红色——但出于对图书美学传统的尊重，我最终打消了这个念头。我的克制还有其他原因，那就是我不愿为传奇故事拾柴添薪（伯吉斯页岩的发现传奇已广为流传）。我心中百感交集——这出戏的关键时刻即将到来。不过，我的讲述会恪守历史的原则——“关键时刻”在现实中并不存在，至少不像那些我们熟悉的传奇中说的那样。

“关键时刻”纯属小孩儿胡闹。您想，像这个故事，涉及那么多缠身于复杂智力攻关的人物，如何能宣称某一时刻就是唯一的焦点，或者说某一时刻最为重要？我好不容易掌握了所有的细节，并将它们以应有的次序整理妥当，走到现在，怎么能让这一切努力都挥霍于“Eureka——我发现了”的迷思？一个人可以在某一时刻发现某一物件，比如说“希望钻石” [28] ，但即便是这样一件单纯的事件，事前也不可避免地牵扯到一系列因素，包括地质学经验的积累、政治阴谋、个人关系，以及好的运气。何况，我讲述的是生物观和历史意义的转变，它不仅影响深远，而且是抽象的。这样一个复杂的变化，在它发生的前后之间，如何可能存在一个关键的时刻？自然选择学说、自由放任经济学、结构主义，还有圣母无染原罪 [29] 令教众可信的理由，或者其他复杂的道德或智识制高点，难道它们的形成都要归结到单个人、具体地点或日期吗 [30] ？

虽说如此，就像奥威尔讲的，在他那个暗喻苏联的农场里，有些动物就是比另一些动物更平等 [31] 。我们需要英雄的代表和关键的时刻来吸引我们的注意力——比如说砸到牛顿的苹果，还有伽利略没有从比萨斜塔上丢下过的东西 [32] 。就如鼓点的节奏一如既往地敲下去，尽管听起来差不多，我们或许还是能从其中辨别出高潮之所在。

我相信，在有关伯吉斯页岩的变革当中，确有某种一去不可回头的节点，一个分割之前和之后的关键发现，至少是在象征意义上。

现在，我们回到哈利·惠廷顿，全世界所有的欧巴宾海蝎标本就摆在他面前。在此之前，对这类动物的鉴定结果，从来都是节肢动物，但谁也没有发现它成其为节肢动物的铁证，即具有分成数节的附肢。不过，话说回来，在惠廷顿之前，谁也没有能从外壳之下觅得附肢的技术。就在几年前，哈利已经在核心方法上有所发现。来自伯吉斯页岩的化石（尽管是压平的，但）保留有立体结构，从上往下逐层解剖，就能揭示藏于顶层之下的结构。在研究欧巴宾海蝎之前，哈利已经用这种方法解析了马尔三叶形虫、幽鹤虫，以及一些三叶虫。

采用这种新的技术来完成这一重要的实验，几乎让欧巴宾海蝎“尖声抗议”。那是因为，若要寻找体部的附肢及着生处，须从壳表面一直解剖下去，而要找到前端的头部附肢，必须在头盾处向内一直解剖。哈利信心十足地去解剖，他坚信会发现具有关节的节肢动物附肢。剖开后，哈利发现壳下什么都没有。

欧巴宾海蝎不是一类节肢动物。而且，谁也说不出它属于哪一类已知的动物类群，这一点毋庸置疑。细细寻思，我们会发现，采自伯吉斯页岩的化石标本，实际上没有哪一类能纳入现代类群。虽说马尔三叶形虫属和幽鹤虫属在一大门类里孤孤单单，但至少它们还是节肢动物，可欧巴宾海蝎是什么动物呢？

惠廷顿的结论可能曾令人迷惑，但同时也有一些解脱的意味。欧巴宾海蝎不必符合节肢动物的要求，也无须与其他构型的动物相符。身为古生物学家，惠廷顿尽可能地做到了帕西法尔 [33] 那般难以企及的完美——做一个完美的傻子，有一颗纯洁的心，不抱有任何先入之见。他可以单纯地如实描述之所见，无论所见有多么奇怪。

欧巴宾海蝎的确特别，但并非难以了解。和其他动物一样，它两侧对称，有头有尾，有眼睛，也有从前至后贯穿全身的肠道。在急切的科学家眼里，它是一类理想的生物——诡异十足，令富有好奇心的人兴奋不已，又不至于难以理喻，令人发狂。

惠廷顿在专论开头批评之前那些研究的作者，认为他们的依据拘泥于节肢动物的构型，从不加以怀疑。因此，在研究过程中，他们对标本符合构型的期待，远胜过对标本本身的观察。惠廷顿写道：“欧巴宾海蝎的热度持续不断，但对其严谨的研究还有所缺乏。因此，我们对这种动物的理解仍出于想象，而非基于事实。本研究旨在提供更合理的依据，为进一步思考打下稳固的基础。”接下来，惠廷顿以（其能写入英伦范式的个人倾向的）低调的风格写道：“我对形态学特征做出的结论，使得这一复原在许多重要的方面异于前人成果。”（Whittington，1975a，3页）

这类动物体长只有43～70毫米（最长不及3英寸），如果将其扩大到远超实际大小的尺寸，那些“许多重要的方面”会让它在科幻电影的场景中十分抢眼。看看惠廷顿复原的主要特征吧：

1.欧巴宾海蝎没有“双眼”，不过，数数看——是五只眼！其中，四只成对地着生于短柄之上，第五只或许无柄，位于中线之上（见图3.20）。

2.前端长鼻状结构既不是伸缩自如的吻突 [34] ，也不是触角合二为一的产物（此为符合节肢动物特征的诠释中十分受欢迎的两种）。它生于头部前缘的下方，是一种柔韧的器官，长筒状，有纹路——看起来简直就像吸尘器的软管，或许也依相同的机理弯曲。其顶端纵裂，一分为二，之上各有一列长刺，朝向前后皆有。管体内或有充满液体的腔道贯穿其中。如此一来，成就一种很好的装备，既满足坚硬的质地，也能保证足够的柔韧性。

图3.24　一件欧巴宾海蝎常见朝向标本的显微（投影）描绘图，为视角自上而下的顶视图。两侧的鳃（标为g）与叶状结构（标为l）清晰可辨，肠道的轨迹沿中线贯穿。有两对眼可见，“长鼻”自前端向前延伸。

3.其肠道仅为一管，位于体内中央，前后贯穿，达及身体全长的大部（见图3.24）。然而，在头部，肠道180度回转，形成一个U形弯曲。急转后，向外开口，形成方向朝后的口部。有趣的是，前端长鼻状结构的长度恰好使其能及至口部。该结构可以柔韧地弯曲，将食物转运到口中。惠廷顿提出，欧巴宾海蝎的取食方式，主要是以该结构前端长刺形成的“钳子”捕获食物，然后，“鼻管”向后弯曲，将食物送往口边。

4.身体主干分为15节，每节着生一对薄质叶状结构，位于中线两侧，每侧各一。这些叶状结构相互重叠，朝外向下伸展（见图3.20）。

5.除第一对以外，在每一叶状结构（朝上的）背面的基部，着生有一片桨状的鳃。尽管叶状结构的腹面是平的，但背面形成一组薄片状结构，薄片之间相互重叠，就像平摊开来的一副牌。

6.体干的最后三节各有一对薄质的叶状刃形结构，向上朝外，形成“尾”（见图3.20）。

从凿开标本逐步解剖，兼顾不同身体朝向的标本，到将正模与负模作为一个研究整体，惠廷顿动用了自己所有的特殊手段，才将这类独特动物的形态特征解析清楚。他还发现，如果不采用这些手段，其结果，会利于得出节肢动物的结论。沃尔科特就是混淆了一件重要标本的正模和负模。他以为自己看到的是动物的腹面，实际上，他那时正以从上往下的方向，看着背面。帕西·雷蒙德 [35] 接受了这种方向颠倒的诠释，所以得出一个完美合理的推断——欧巴宾海蝎的鳃就位于外壳之下，如同节肢动物的标准构成方式，作为双枝型附肢靠上的肢节，鳃枝就在壳下。但是，当身体朝向正确时，欧巴宾海蝎的鳃位于体部叶状结构之上，其朝向也与节肢动物的完全不同。

图3.24至图3.26，这三张惊艳的示意图，体现了惠廷顿所动用手段的威力。他这些显微（投影）描绘图展现的三件标本，身体朝向各不相同，每一张都集合了同一标本在正模和负模上的特征。图3.24提供了一个自上而下的视角（所见为背面），可见眼睛和“长鼻”的位置，侧生叶状结构的全部，以及叶状结构上面的鳃。在图中，肠道呈管状，自上而下，贯穿于身体中央。图3.25是一张侧视图，可见许多从上往下看不到的特征。在图中，可见“长鼻”的着生位置，我们会注意到肠道开口处的“U”形弯曲，如何形成方向朝后的口部。（在顶视图里，弯曲以及回折的部分都落在一条线上，完全无法分辨）顶视图也无法告诉我们侧生叶状结构与尾鳍的相对位置。但从如图3.25所示的侧面观，可见侧生叶状结构的指向朝下，往外远离身体的方向，尾鳍向上高高耸起，两者恰好分别处于橹和舵的位置。

图3.25　以非同寻常的侧面身体朝向保存的一件欧巴宾海蝎标本。可见左右两侧的叶状结构和鳃已经混为一团，难以分辨。但是，通过它，可以了解到许多在如图3.24所示的常见朝向标本中不可见的特征，如尾鳍（标为Rf.1～Rf.3）相对侧面叶状结构的朝向、“长鼻”着生处，以及肠道前端的回折弯曲。

图3.26　第三件欧巴宾海蝎的标本，仍是常见身体朝向。一些在其他标本中不明显的特征可见于其中，如位于右上方的第五只眼（标为m，指代“中间的眼”）。我们可以注意到，“长鼻”能弯曲至口部附近。

图3.24与图3.25展示了两个基本的身体朝向，但有些问题的答案仍不能从其中找到，还需要更多的标本。例如两张图中都未能展示全部五只眼（它们过于纤弱，常被挤到一起，碎成一团）。图3.26弥补了一些关键缺口，五只眼分得很开，清晰可见，前端长鼻结构向后弯曲，直达口边。

对马尔三叶形虫属和幽鹤虫属的订正，都对“沃氏鞋拔”构成挑战，但这两属不过是在节肢动物门内找不到归属。而在订正了欧巴宾海蝎属之后，这场游戏升级到另一个层次，规则从此改变，再也没变回去。欧巴宾海蝎不属于地球上现有或曾有的任何动物类群。如果惠廷顿选择确立其正式分类地位，将其置于某一类群之内（他幸好明智地未如此选择），就不得不为此单一属新拟一个门类。五只眼、前端一管“长鼻”，生于侧生叶状结构上的鳃！——“沃氏鞋拔”断裂了。惠廷顿以其简约的风格，用被动的语调写道：“欧巴宾海蝎不能被认为是一种具有三叶虫形态的节肢动物，也不能被认为是一种环节动物。”（Whittington，1975a，2页）惠廷顿是个慎重的人，但他知道欧巴宾海蝎对于伯吉斯动物群的其他成员意味着什么。他简洁地评论道：“伯吉斯页岩还含有其他未描述的亲缘关系不能确定的分节动物。”（Whittington，1975a，41页）

我相信，惠廷顿1975年对欧巴宾海蝎复原的专论，将成为人类知识积累历史上的伟大文献之一。有多少实证研究曾直接导致生命历史观的根本改变？暴龙（Tyrannosaurus ）使我们充满敬畏，始祖鸟的羽毛让我们感到惊奇，在非洲发现的每一块人类骨骼化石碎片，都让我们欣喜若狂。但是，所有这些，没有哪一种能像那个叫欧巴宾海蝎的两英寸小小寒武纪“奇葩”那样，留给我们如此之多的有关进化本质的信息。

第三幕　1975—1978：订正铺开——团队的成就

制定探索普遍性的策略

英国传统民谣里的累积歌，第一句通常没有什么意义，比如说“一只山鹑，就在梨树上”，或者“一纸大头针”。《灯芯草绿油油》开头唱得最绝——“一是唯一，永远是一” [36] 。

欧巴宾海蝎承载了伯吉斯页岩赋予新生命观的所有启示。它同伯吉斯页岩的其他生物一样，形态特征怪异，完全不同于现在的生物，但“一是唯一，永远是一”。化石记录里也有其他零星的怪异条目，比如说马宗溪的“塔利怪物”（见前文此处）。彼时，欧巴宾海蝎的真相只是一个孤例。娓娓道来，让人双肩一耸，仅此而已，它还不算具有普遍意义的生命发现。仅凭这个案例，还不能建立起一种无可辩驳的新诠释。相反，它不过是暗示了一种值得探索的可能性——尤其是之前马尔三叶形虫和幽鹤虫的研究已经表明，它们所代表的（在节肢动物门以下无从归属）现象在伯吉斯节肢动物中可谓泛滥——在该背景下，这一暗示显得尤为明显。

自然历史上所有有趣的争议，都是相对频次的问题，无关孤例。在丰富多样的自然当中，什么事都会发生一次。但当不合理论的现象一再不期而至，我们就会期待它再次出现，最终，原有的理论就这样被推翻了。尽管欧巴宾海蝎分类地位的独特性在后来的生物圈中极其罕见，但在伯吉斯页岩动物群里，却是十分寻常。要等到我们认识到这一启示，才能为欧巴宾海蝎赢得新生命观发端或旗舰的地位。

若估测“奇葩”在整个伯吉斯动物群出现的相对频次，就得有更多的基础案例。对更多案例的需求，可以成就英雄的迷思，就是B级西部片风格那种。不过，那样显然不符合这个故事的原则。哈利·惠廷顿不是一名独行的执法官，单枪匹马，从一个酒馆到另一个酒馆，降伏所有的恶棍。研究马尔三叶形虫属，已耗费了他四年多的光阴。而仅把伯吉斯的节肢动物研究一遍，就得花上几辈子的时间。惠廷顿是像一辆沮丧的奔驰车那样哀叹——“行人太多，时间太少” [37] ，还是找来一车队奔驰？他选择了后者，无论怎样，科学是一项集体合力的事业。

惠廷顿先选好自己将要专注研究的属，然后，把剩下的节肢动物分成三组，每一组都能作为一个适于深入研究的项目，可由一位合作者负责完成。此外，在确定欧巴宾海蝎与众不同，不属于任何已知门类之后，形势正变得越来越棘手，且越来越关键。但是，还有一些被沃尔科特归为环节类蠕虫的属类，尚未有人问津（Walcott，1911c）。如果“沃氏鞋拔”蒙蔽的一般性主题是分类的独特性，那么，这个故事从环节动物源起（若非爆出），或许较之从节肢动物要更加明晰。节肢动物有明确具体的定义特征，沃尔科特或许像用鞋拔一样，将他所认为的节肢动物一股脑儿强塞进该门类下的常见类群里。但是，它们中的大多数，至少确为货真价实的节肢动物（欧巴宾海蝎以及后面要讲的奇虾除外）。可是，任意身体柔软且有分节的两侧对称动物，都可以被称作蠕虫。所以，在沃尔科特的“环节动物”里，“奇葩”可能要多得多。

对于这三组节肢动物，各组是否为自洽的分类集合，惠廷顿抱有怀疑，不怎么相信。每一组都有一些表面上相似的特征，但马尔三叶形虫和幽鹤虫的教训在前——对外表要小心。尽管如此，如是分组是为研究之便，而分组是否自洽，就成为验证的中心问题。（后来的结果表明，这三组全是异质的——这一点结论很重要，它证实伯吉斯节肢动物的分类地位与后来的动物群完全不同）

这三组作为类群的分类地位，是曾被沃尔科特和斯特默认可的。它们分别为：（1）双瓣壳节肢动物，这是很大一个集合，此前一直被认为是软甲类甲壳动物；（2）“类肢口类”物种，通常有卵圆形的体形，头盾大且不连续，看起来让人联想到一大类群——板足鲎类化石及其尚存的同辈鲎；（3）壳简单、未一分为二或两瓣、看起来像甲壳类的动物。

图3.27　休斯复原的伯吉斯虫（Hughes，1975）。

当惠廷顿在20世纪60年代晚期开始这项工作时，有两位年轻的同事同意承担这份名单上较小的项目。奥斯陆大学（University of Oslo）的大卫·布鲁顿分到了“类肢口类”（在本章早前的小节中介绍有关技术时，我已讨论过他对西德尼虫的研究。在后文第五幕里，我将以正确的时序展现其研究结论）。剑桥大学的克里斯·休斯挑战的是伯吉斯虫属与瓦普塔虾属，它们分别是伯吉斯第三和第四常见节肢动物，壳都很简单。在撰写本书之时，有关瓦普塔虾属的专论尚未问世，但休斯已于1975年发表了对伯吉斯虫属的研究结果。早先在马尔三叶形虫属与幽鹤虫属结论显现出的模式正不断壮大，在这一研究结果中也得到了重要的确认。伯吉斯虫有卵圆形的壳、长的尾剑（几乎是体部长度的两倍），它并非沃尔科特所认为的背甲类鳃足动物，而是另一类具备独特构型的节肢动物“孤儿”（图3.27）。休斯没有确立伯吉斯虫属的正式分类地位，他认为这一属就像一类特别的“什锦袋”，结合了众多特征，而这些特征分别属于不同的节肢动物类群。他做出如下结论：

当前对所有伯吉斯页岩节肢动物的重新研究，正揭示出这样一个事实——这些构型动物的具体形态学特征与之前的猜测有别。既然如此，笔者认为，对伯吉斯虫属的亲缘关系做进一步讨论，时机尚未成熟……本研究表明，伯吉斯虫属混合有多种特征……其中许多都能在现代节肢动物的不同类群中找到。（Hughes，1975，434页）

节肢动物的故事正变得越来越不可名状。

导师与学生

传统师徒传承体系里的行当，幸存至今者，寥寥无几。在大学授予博士学位的专业里，就保留了其中之一。想起来，这该有多么反常。——从幼儿园到大学，您耗尽整个接受教育的生涯，终于逐步从老师的个人权利之下独立出来（在一年级时得罪了老师，您可能这一年都如生活在地狱当中；上大学时惹怒一位教授，最坏的结果，也不过是仅仅一门课挂科）。现在，您已长大成人，决定继续接受教育的生涯，攻读博士学位。那么您该怎么做？您得找到一个所从事研究让您着迷的人（如果他愿意接受，并将资助您），跟他达成协议，让自己成为团队的一部分。

在有些领域，尤其是那些配备有宽敞空间、昂贵器材的实验室，致力于解决某一问题的领域，您若想进入，就得彻底抛弃独立于老师的指望。然后，埋首于指定题目的毕业论文工作中（选择研究题目是将来博士后工作时才有的一种奢侈）。若在研究气氛更友好、更个人化的领域，如古生物学，可供挑选专题的范围很宽，挑选的结果或许会发展为您自己的项目。但无论进入哪一个领域，您毕竟是一名学徒，生活在导师的指尖之下。这种关系，比自小学低年级以来任何时候都要牢靠。如果您跟他不和，您可以撂挑子，或者卷铺盖走人，投到他人麾下。如果你们相处融洽，导师的学术地位稳固，您将取得您的学位。不仅如此，凭着他的影响，加上您已得到认可的造诣，您第一份体面的工作就到手了。

这是一个奇怪的体系，可以批评的地方很多，但它以其奇怪的方式运转自如。有时，通过课堂与书本已经不能让您进步时，您就得和研究做得好的人打成一片。（每天得随时随刻待命，准备学艺。要学习如何区分正模和负模，不能只是在每周四下午两点上课时才来一下）这一体系确实也有其恐怖之处——有精于剥削的教授，将他人年轻的才干和热情改道，流进自己干涸的枯井，什么回报也不给。但当这一体系正常运转时（尽管缺少研究经费，但这种情况比怀疑者想象的更频繁），我想象不到更好的训练方法。

许多学生并不了解这一体系。在申请攻读研究生学位时，他们选择一所学校，往往是因为它有较高的综合声誉，或者是出于对学校所在城市的喜爱。这样就错了，完完全全错了，您申请的是与某一具体的人共同工作。导师与学生，就如在旧时同业工会的师徒传承体系，受到相互责任的约束，可不是单向负责。导师的重中之重，是获得经费，为学生提供资助。（学术指导固然是根本，不过，在这个竞技场里，那简直是一种享受。真正的战斗，是寻求经费支持，许多顶尖的教授将至少一半的时间花费在为学生筹集奖学金上。）导师会有什么收获？这一回报更加微妙，不是我们这个圈子里的人，是理解不了的。答案是——对门户的忠心，这听起来也许有些奇怪，但的确如此。

因为我们通过师徒系谱来追溯学术传承，所以，研究生的工作结果永远是导师名声的一部分。我是诺曼·纽厄尔 [38] 的学生，在我有生之年，我所有的工作成果都会被解读为对其精神遗产的传承。（如果我搞砸了，他也会受些牵连，但不至于对他的名望造成实质性的伤害。这是因为我们认同必要的不对称性——错误归自己，成果归师门）对于这一传统，我欣然接受，并誓忠于斯。这一选择，不是出于想得到抽象的认可，而是因为，在这一古老的师徒传承体系里，已轮到我从下一代收获利益了。在哈佛大学的20年里，我最大的喜悦，是曾招收到数位才华横溢的学生。他们为我带来的最大收获，是当时为实验室营造的令人兴奋的工作氛围。但我也不会对传统无动于衷，我知道，他们在将来的成功，也会被解读为我的成功，即便是占很小的比重。

（顺便讲个话题。如今，在不少大型的研究型大学里，本科教学的形势令人担忧。造成这一局面，师徒传承体系难辞其咎。学生传承的是研究生导师的谱系，非属本科授课老师门下。研究人员只要留意过自己的名声，就知道本科教学经历不会为自己增添任何优势。导师向本科生授课并无不妥，但不过是出于对讲课的热爱，或是尽职尽责罢了。研究生是导师的臂膀，导师的名望与其教授的本科生无关。我希望这种状况能得以改变，但我甚至连一条建议都提不出来。）

这种体系在英国体现得更为夸张。在美国，您通过院系的渠道，申请与将来的导师共同工作。在英国，您直接向潜在的导师申请，然后，导师获取经费——这些经费几乎总是与具体的项目有关。哈利·惠廷顿深知，伯吉斯项目的最终成功有赖研究生的支持，不仅仅要对一些怪异的动物进行具体的描述研究，还得扩展到对整个动物群的理解。这里，有两个元素。惠廷顿可以影响其一——获取经费。至于另一个——优秀学生对这一项目的兴趣，他就只有向“幸运女神”祈祷了。

在第一个元素方面，哈利尽到了自己的责任。他有两个大（outstanding，确实，两个意思都有，既“重要”，也“有待完成”）的项目——对双瓣壳节肢动物及“蠕虫”的研究。他为两个学生争取到的资金，一份来自政府资助，另一份来自由其所在的西德尼·苏塞克斯学院 [39] 管理的私人捐助。在第二个元素方面，他获得“幸运女神”的眷顾（哈利自己在学术方面的成功也提供了助力，因为，导师若有令人兴奋的研究，就会受到学生的关注，并使其向自己靠拢）。优秀学生不是招收不到，只是每五年才会来一个（既然研究生学习研究的跨度通常为五年，在相当长的时间内，导师都不会同时有不止一个优秀学生）——这是我宝贵的经验——“学术间隔假说”。然而，1972年，正当伯吉斯研究进展到一个重要阶段时，所发生的事推翻了我的“假说”——哈利·惠廷顿，这个幸运的人儿，竟然同时收到了两名优秀学生的申请：一份来自德里克·布里格斯，一个刚从都柏林三一学院 [40] 本科毕业的爱尔兰人；另一份来自伦敦人西蒙·康维·莫里斯，他刚从布里斯托大学获得一等学位 [41] （恰好哈利是该校的校外监审员 [42] ，对康维·莫里斯的毕业论文的审查，也经过其手）。从此以后，伯吉斯研究成为他们共同努力的对象——尽管他们日常接触的机会有限，工作风格各不相同，因而难以形成一个有凝聚力的研究团体。在这一过程中，他们之间的差距越来越小，很快就成为平等的研究伙伴——布里格斯、康维·莫里斯、惠廷顿（以不加评判的字母为序），三个人怀有的意图相同，采用的技术手段相同，但年龄的差距很大，而且，在科学研究方面采用的策略，以及对生活的态度，都大不相同。

哈利·惠廷顿知道该怎么做，对结果也胸有成竹。在我们的谈话中，他重点强调，没有丝毫故作谦虚的意味——当他将布里格斯和康维·莫里斯收入麾下时，对伯吉斯动物群的订正就成为一个完整连贯的项目，而不仅仅是一系列专论工作。在那时，他就可以打造一个能在有生之年完成的目标，而不像中世纪大教堂的建筑师，只能绘制好蓝图，打好基础，从不指望看到建筑完工。

康维·莫里斯在沃尔科特标本柜的“野外工作季”：迹象成常态，变革正深化

性格相冲突的搭档已成为戏剧和喜剧的常客。有品位的保守派知识分子通常乐意接受生活方式稀奇古怪的激进学生，因为他们能察觉到才华横溢的光辉，至于其他方面如何，就显得无足轻重了。伯尼·库梅尔 [43] 在1970年时威胁激进的学生们，说要用高压水龙头将他们驱散。他还对稀奇古怪的行为和奇装异服恨之入骨（且有所畏惧）。他却疼爱鲍勃·巴克 [44] （当时是我们的学生，现在是恐龙研究新思想的先锋），视如己出，尽管后者发长及肩，对所有一切都抱有激进的看法。（伯尼的判断并不是一直都很准。曾几何时，他和哈利·惠廷顿同是哈佛大学古生物研究组的主心骨。但他认为哈利太传统，当哈利选择离开，远走剑桥大学时，他感到高兴。随后，伯尼雇我补缺。我当时那么年轻，这可不是一桩划算的买卖）

西蒙·康维·莫里斯告诉我，那时自己处处与人作对，就像一个十几岁的青少年，还常有反社会的冲动。沃尔科特的“蠕虫”是伯吉斯动物中最疯狂的挑战，当得知这个学生是该研究的最佳人选时，惠廷顿感到惊讶。西蒙在布里斯托大学的老师们曾向哈利如此描述这个学生——他是一个“披着斗篷，在图书馆角落里看书”的人。哈利回忆自己在当时的第一反应：“无政府主义者，我还以为……哦，主啊！”但哈利也察觉到才华横溢的闪光——就如我刚说过的——其他方面如何就显得无足轻重了。

彼时，有关欧巴宾海蝎的研究已盖棺论定，项目需要大张旗鼓地寻找“奇葩”。对于项目而言，蠕虫蕴含着最大的希望，也最令人头疼。那是因为，如果“奇葩”确为大量存在，这些看起来与什么都不像的动物，在过去大多会被研究者扔进古老的“蠕形动物纲”（Vermes [45] ）——也就是“蠕虫”之下。这一“阶元”是分类学里的经典垃圾桶——就好比您想把室外的庭院绿化得井井有条，而有些零碎（西蒙称它们为“杂碎”）无以归属，但又必须移走，就把它们扔进的那个污物桶。早在林奈分门别类的时候，“蠕虫”就已扮演了这一角色。他将大量差别极大的生物塞进其定义的“蠕形动物纲”，那些动物来自多个不同类群，体形多为细长，且两侧对称。也就是，如果您看到一种生物符合这两个条件，又不知其为何物，就管它叫“蠕虫”。

哈利是一个十分和善的人，将一项棘手的项目指派给一个不懂拒绝的新手，这样的想法令他不安，担心会把学生的大好前程毁在开端。虽然虚惊一场，最终得到极好的结果，但时至今日，当他回忆起自己当时的决定时，仍几乎因不安而失态。他向我回忆道：“满怀恐惧和惊惶，我建议西蒙选取这个题目……让研究生从一开始就承担如此可怕的任务，我于心不安。天哪！对别人做出这样的事，我是怎么下得了手的？尽管如此，冥冥之中，我仍觉得他可以胜任。”

西蒙乐于接受这一任务，从此一直干到现在。其项目的核心成果是两篇关于蠕虫的专论。这两种蠕虫实际上属于已知的现代门类，分别为曳鳃动物（详见Conway Morris，1977d）和（大多数属于环节动物门的）多毛类（详见Conway Morris，1979）。我在后面会对这些工作依次进行讨论，不过西蒙的工作并不是从这些常见的研究对象开始的。对于这样一个身披斗篷，连早咖啡时间的传统社交都不参与的人，您能指望他的工作有个传统的开端吗？

1973年春季，惠廷顿将布里格斯和康维·莫里斯一同遣往华盛顿（史密森尼），派他们手绘沃尔科特的“模式标本”（最初用于对物种正式描述的标本，无不标有沃尔科特的大名），并挑选一些借到剑桥大学。就如巴斯德说过的一句老话，“机遇偏爱有准备的人” [46] ，西蒙就很有想法，他选择在哈利手下工作，为接受蠕虫作为研究项目的主题而感到欣喜，是因为他察觉到，伯吉斯可能给我们更大的启示。要揭示它，就得以对“奇葩”们的记录工作为中心。需要记录的信息，不仅包括“奇葩”的解剖学特征，还包括“奇葩”出现的相对频次。注意到欧巴宾海蝎的与众不同，对于哈利而言，是被动的。而西蒙完全相反，他是主动去寻找伯吉斯“奇葩”。西蒙告诉我：“我天生倾向强调与众不同，发现一种产自北爱尔兰的新腕足动物，完全无法与发现一个新门类相比。”

想象一下当时的情形和机遇吧。西蒙所面对的，是沃尔科特采集的8万多件标本。它们当中大多从未被描述过，甚至未被端详过。在他之前，未曾有人抱着无类可归的“奇葩”比比皆是的预期，前去检视过这一宝藏。于是，西蒙采取了概念简单且显而易见的策略。这一策略与前人研究伯吉斯的方法大不相同，因此，西蒙如此决策勇气可嘉。——他就像前往一次悠长的钓鱼之旅，延长了自己在史密森尼逗留的时间，埋首翻弄存放伯吉斯材料的众多抽屉柜。他打开每一个标本柜，查看每一件石板，目标明确——就是要搜寻他认为最为罕见、最为特别的物事。回报可观，收获几近令人眩晕。起初，某一新的发现会令人雀跃，当如此发现一再发生时，人也会对之麻木。待到发现齿谜虫（见后文此处）时，他的反应不过是独自念叨一句：“我晕，又一个新门类。”

惠廷顿与康维·莫里斯的行为方式太过不同，令我无法想象有什么反差较之更大（因而也为戏剧冲突埋下了更好的种子）。一边是年纪较长的保守系统分类学家哈利，他要启动的，是毕生最庞大的项目。另一边，是初来乍到的激进学生西蒙，他一心想着的，是如何推翻现有的观点。哈利在研究之初极为谨慎，选择的研究对象是在伯吉斯最常见的动物。他发表的，是一系列单属专论，从马尔三叶形虫属（Whittington，1971）、幽鹤虫属（Whittington，1974）、三叶虫的足肢（Whittington，1975b）到欧巴宾海蝎属（Whittington，1975a），还有在后文将要看到的娜罗虫属（Whittington，1977）和埃谢栉蚕属（Whittington，1978），每一篇都是他花费数年时间准备的结果。他将研究对象局限于节肢动物（或最初以为如此），因为那是自己最熟悉的类群。起初，他对伯吉斯生物分类的观点与传统没有两样，只是新的证据不期而至，使其意识受到冲击，这才改变了看法。与之相反，西蒙内心单纯如珠，技能也有待长足的提高 [47] ，却满怀着穆罕默德·阿里一如年轻的卡休斯·克莱 [48] 时的自信，为了能对伯吉斯动物的解剖学构型加以最激进的诠释，大张旗鼓地寻找证据。越少越好——西蒙发现的不少“怪异奇观”，便是基于对单一标本的复原。在1976—1977年的两年时间里，康维·莫里斯以五篇篇幅相对较短的论文 [49] ，分别描述了五类解剖学构型独特、分属不同新门类的伯吉斯生物，从此开启了自己的职业生涯。 [50]

如此反差应会滋生意见上的分歧，并演变为正面冲突，但这些全都未曾发生。不错，这是一出理性之戏，一场最有戏剧性的理性思辨，但其中并无大动干戈的刺激故事。不过，德里克·布里格斯的确记得哈利曾咕哝过——有的人还没学会走就开始跑。还有一些私人感受，可能至今未曾对人提起。一个博士生在取得学位之前就发表了五篇短论文，不时基于单个标本开立新的门类。我问哈利对此有何感受，可他回答说：“我让开大路，站到一边，微微一笑。我哪能打击学生研究的积极性，我做梦时都不敢。”

我知道接下来的评语是老生常谈，不过，陈词滥调通常也基于显而易见的事实——伯吉斯的变革最终促成于两种完全不同的工作方式的有趣配合。这两种方式，或是经过漫长的过程，逐渐面世的一系列描述性专论，或是在短期内迸发，一篇接一篇发表，有着激进主张的短论文——无论以哪种方式进行诠释，最终或许都会得到相同的结果。但是，没有什么能胜过左右夹击的组合拳，一边是耗时费力的长篇描述，步步设防，让人找不出破绽；另一边是不加掩饰的主张，它们如此少见，与传统的分歧如此之大，只会激起愤怒——因而引人注目。我知道，世间有些人事的发展轨迹毫无规律可言，也不可预见，这种组合出现其间，可谓“纯属巧合”。但上天若有司掌凡间认知进步之神，欲以最好、最明确的意图行事，也无非如此——将年轻与老练、慎重与无畏组合到一起，使之相互配合。

在此之前（介绍欧巴宾海蝎时），为了宣告一个关键时刻的到来，我曾将讲述暂停过一次，对某一特别的构型加以强调。在后文中（介绍奇虾时），我还将暂停一次。在我阅读那些伯吉斯论文时，发现这个故事有三个重要的转折点，西蒙在史密森尼埋首标本柜的“野外工作季”，就是其中的第二个。西蒙开始研究之时，欧巴宾海蝎的研究结果已暗示出一种奇怪的现象，但这一现象的广度如何，本质为何，没有人知道。我相信，当时的哈利仍倾向于接受“奇葩”为干群 [51] 的解读，认为它们集合了多种特征，在后来分散到不同的现存门类中，而非解释为生命早期独特的多细胞生物构型尝试的结果，是没有为后世留下“子嗣”的独立谱系。在西蒙满怀着好奇心，将五篇系列论文发表之后，最初那一与众不同、尚不明朗的奇怪现象便豁然开朗，成为伯吉斯动物群中的常态。那些“奇葩”也不再被习惯性地看作是“原始形式”和“前体祖先”，取而代之的看法，是它们有不同于现代生物的解剖学构型，是各自独立的谱系。渐渐地，西蒙的发现让惠廷顿有所触动。他在回忆当时的情景时说：“整个气氛都变了。我们所研究的，不仅仅是已知类群的祖先。事实的真相开始还原成形。”

西蒙发现的五个“奇葩”，在解剖学构型和生活习性方面都有很大的不同。它们的共同主题只有一点——与众不同。

1.泳虾（Nectocaris ）。沃尔科特的确注意到这一与众不同的动物，并对负模缺失的唯一标本拍了照。康维·莫里斯发现了这张照片，它与那件标本收藏在一起。照片如沃尔科特的其他拍照一样，曾经过修描，标本本身也曾经过精心制备。但沃尔科特并没有为此发表过论文，也没有留下任何说明。尽管信息极其有限，康维·莫里斯还是决定发表相关的研究论文，他的解释是——“这一独特的标本保存完好，解剖学构型也与众不同，必然会引人注目”（Conway Morris，1976a，705页）。

图3.28　令人费解的泳虾，看前部大致像是节肢动物，而后部像是有尾鳍的脊索动物。（玛丽安娜·柯林斯绘图）

从“颈部”前方的结构看，泳虾大致像是一种节肢动物（图3.28）。头部着生有一或两对向前伸的短小附肢，但显然没有关节（因而不像节肢动物的附肢）。往后，紧接着的，有一对较大的眼，可能分别着生于眼柄之上。头后部由扁平的卵圆形外壳所围，可能还是双瓣壳。但身体的其余部分没有一点特征能让人联想起节肢动物，散发出奇特的气质更像是属于脊索动物——我们人类所属的门类。动物体部两侧扁平，由40余节组成（节肢动物以及包括我们所在门类在内的其他一些门类的共有特征）。节肢动物的定义特征是具有关节的附肢，康维·莫里斯没有在标本中找到该特征的一丝迹象。他发现的特征，是背腹两面（顶部和底部）都着生有一种连续的结构。至少从表面上看，它像是脊索动物中由鳍条 [52] 支撑的鳍呢！（由于只有一件标本，研究只能止步于标本的表面，所以，这一关键问题几乎可以被认为是尚未解决）

泳虾不是节肢动物而更像脊索动物，可以通过鳍与鳍条的三项特征来证明：第一，这一质薄的连续结构在岩石上已成为一层颜色较深的膜，看似与一系列平行的短小坚硬的鳍条状结构相连。与之相反，节肢动物的肢是离散的。第二，背腹两面通体的鳍符合早期脊索动物的特征，而节肢动物的附肢着生于身体两侧。第三，泳虾体部各节具三根鳍条，而节肢动物的另一定义特征，即是各体节最初具一对附肢。（虽然体段划分，或节肢动物体节并合的特征之一，即为每体段的附肢不止一对，但泳虾体部分节过多，每节过短，难以将其解释为原始体段的融合）

看前部大致像是节肢动物（尽管没有具关节的附肢），而后部与脊索动物（或者是一类构型未知的生物）大致相像——该拿这个杂合体怎么办？当标本仅有一件时，没什么可办的。于是，康维·莫里斯写了一篇篇幅较短、具有挑衅意味的论文，将泳虾属扔进了分类学的大收纳箱——不明门类。分类学论文的标题通常会包含所述动物的大致所属类群名称，但康维·莫里斯显然有意规避这一传统，他的标题为《一种产自不列颠哥伦比亚伯吉斯页岩的中寒武世新生物——翼泳虾（Nectocaris pteryx ）》。对于这类动物独一无二的分类地位，论文结尾没表现出一丝惊讶，而是向读者暗示，这种情况会越来越多，成为常态——“该生物的分类地位无法定论，这并不令人感到意外。本研究的后续进展显示，有许多采自伯吉斯页岩的物种皆无法归入任一现存门类”（Conway Morris，1976a，712页）。 [53]

2.齿谜虫（Odontognphus ）。康维·莫里斯在1976年发表了他的第二件宝贝，这让他沿着证据之梯往上又升一级。尽管在这一次，他不仅找到了正模，也找到了负模，但它依然是件孤本标本。沃尔科特好歹看中过泳虾，将它分出来，加以拍照，以显其之重要。而对于齿谜虫，没有任何信息标注，正模和负模在沃尔科特的收藏中分置各处，这一次是实实在在地被发现了。康维·莫里斯为其所起之名恰如其分，意思是“有齿之谜”。文章开篇，康维·莫里斯用的仍是传统的被动语调，但这种风格掩盖不了他个人的骄傲和激情。

在浩如烟海的伯吉斯化石收藏里搜寻的过程中……一片被锯过的石板被我注意到，本文描述的标本就在其上。于是，这片石板被分出来，以便进一步研究。不久以后，其负模在收藏的另一处被发现。这件标本显然未曾被其他研究人员留意到，也未曾有同类的其他标本被发现过。（Conway Morris，1976b，199页）

齿谜虫化石保存得并不好，能分辨出的结构很少，但这些很少的结构着实让人感到陌生。这类动物的身体极为扁平细长，呈卵圆形，体长约2.5英寸，从前端区域往后，有一系列间隔约1毫米的横向平行刻线。康维·莫里斯认为这些刻线是一种环纹，并不是真正分节的间隔。他没有发现附肢，也未发现有硬化的部位，因而认为齿谜虫是胶质的。

图3.29　扁平的游弋动物齿谜虫。可见被触手所围的口部，以及头部底面的一对须。（玛丽安娜·柯林斯绘图）

可以被解析出的虫体结构只有两处，都位于头部腹面（图3.29）。一处是位于前方两角的一对“须”（可能是感受器官）。它们是向内略微凹陷的圆形结构，由六层与身体平行的盘状组织组成。另一处特征更有吸引力，它位于“须”正前方的中线上，可能是口，周缘有一圈类似取食器官的结构。这一结构呈扁“U”状，“U”的开口朝前。在这一结构上，康维·莫里斯发现约25枚长不及半毫米的尖锥状“牙齿”。由于这些齿状结构个体过小、过于脆弱，不能用以咀嚼或撕咬。康维·莫里斯推测，在口的周缘，本有一圈用于揽取食物的触手，这些齿状结构就是支撑触手的基座。

触手环成一圈的特征与一种结构十分相似，那就是触手冠。触手冠是一种进食结构，见于一些现代门类，尤其是苔藓虫类（bryozoan）和腕足类动物。于是，康维·莫里斯将齿谜虫属暂时与所谓触手冠动物（lophophorate）的一些门类归到一起 [54] 。但是，现代触手冠并无用于支撑触手的内部齿状结构。而且，除了这一结构之外，齿谜虫并不能让人联想到任一类触手冠动物的构型或组成结构。“有齿之谜”仍是名副其实。

采取高风险策略，会带来成功，也会产生错误。在享受胜利喜悦的同时，若有错误，也得接受它带来的尴尬。西蒙做出发表罕见奇异标本的决定，并加以范围宽泛的诠释，几乎注定了重大错误的发生。不过，凡事有其利难免其弊，如此犯错也不会让人戴上耻辱的徽章。西蒙试图对齿谜虫进行更广义的解读，就像我们美国佬说的那样，对它进行“美容”。他显然注意到这种“牙齿”多少和牙形石（conodont）有些相似。在当时，牙形石是化石记录中最令人费解的一类。它是一类齿状结构，通常比较复杂，在从寒武纪到三叠纪漫长的地质年代（见表2.1）里都有形成，因而大量存在于相应的地层里。在用于校正地质年代的化石中，它们是最为重要的类型之一。但长期以来，其动物分类学属性不为人所知，所以，在所有古生物学谜团中，它们也最为著名，久久未能被解开。显然，牙形石是某种软体构型动物的硬体结构。但是，它们的主人在过去从未被发现过，您又能从脱节的牙齿那儿了解到多少东西？

康维·莫里斯以为齿谜虫的“牙齿”应该是牙形石。或许，他以为自己发现了踪影难觅的牙形动物。他甚至为此冒险一试，将他的“有齿之谜”放到牙形纲（Conodotophorida [55] ）里。发现隐藏得最深的秘密，平息一个世纪的争辩，对于一个初来乍到的小子而言，无异于潜在的夺权举动。但西蒙没有成功，他的猜测并不正确。软体构型的牙形动物在后来重见天日，牙形石无一不位于动物肠道前端的开口处。这类动物也是从博物馆的抽屉柜里发现的，那些化石收藏采集于20世纪20年代，来自苏格兰一处被称为格兰顿砂岩（Granton Sandstone）的石炭纪化石堆积库。现在的观点认为，牙形动物的年代晚于伯吉斯页岩，虽也属“奇葩”之列，但与齿谜虫没有一丝相似之处。第一件软体构型牙形动物是德里克·布里格斯参与描述的，他认为（尽管不能使我确信），牙形动物是一种脊索动物，与我们人类同在一个门类（Briggs，Clarkson，and Aldridge，1983）。 [56]

3.足杯虫（Dinomischus ）。康维·莫里斯的第三类神秘动物将他往证据之梯上又送了一级。对于这种动物，沃尔科特也曾从收藏中分出，拍摄过照片，而且仍是未为此发表论文，也未留下说明。不过，对于康维·莫里斯而言，这一次就好比置身证据的海洋，他获得三件标本——沃尔科特在华盛顿的一件、收藏在我们哈佛的一件，以及皇家安大略博物馆1975年在沃尔科特采石场的岩屑坡上采集到的一件。

我们前面讨论过的所有动物，皆为运动的两侧对称动物，而足杯虫代表另一大功能构型——固着（固定不移动）的辐射对称生物。这种构型让动物如同海绵、珊瑚虫、有柄的海百合一般，适合从各个方向接收食物。足杯虫的整体长度不及一英寸，形态犹如与细长柄相连的杯子，长柄另一端有球根状的附着器，可以将动物锚定在底质之上（图3.30）。

杯状的部分称作萼。萼的周缘着生有20枚苞片，它们是两侧平行的刃状细长结构。萼顶部的表面中央和边缘各有一开口，参考形态相似的现代生物的同功器官 [57] ，它们可能分别为口和肛门（图3.31）。萼内有膨大的胃，两头分别通往两个开口，形成U形的肠道。萼的内表面与从胃辐射出的线状结构相连，这些结构有可能是肌束，或是悬吊（肠道的）纤维组织。

图3.30　康维·莫里斯绘制的足杯虫原始复原图（Conway Morris，1977a）。图中萼的局部被剖开，以示生物内部解剖学结构。可见连接口部（标为M.）和肛门（标为An.）的肠道，以及将肠道悬吊于萼内壁的肌束（标为Sub.fb.，为“suspensory fibers”的缩写，意为悬吊纤维组织）。
图3.31　三件有柄动物足杯虫的标本。其中一件朝我们的方向弯曲，以示同位于萼顶部的口与肛门开口。（玛丽安娜·柯林斯绘图）

从不同的现代动物身上，我们或许可以找到表面上与足杯虫相似的零星特征，但它们不过是功能构型相似的广义同功结构（如鸟类的翼与昆虫的翅互为同功结构），而非能构建系谱、有具体联系的同源结构。康维·莫里斯找到一个关系相对最近的小门类——内肛动物门（Entoprocta，在旧分类系统中与苔藓虫类归为一类），但足杯虫基本上是自成一体的异类。所以，在发表描述论文时，康维·莫里斯有所犹豫（Conway Morris，1977a，843页），但他现在的最新观点十分明确：“足杯虫与后生动物没有明显的亲缘关系，可能属于某一已灭绝的门类。”（Briggs and Conway Morris，1986，172页）

4.阿米斯克毛颚虫（Amiskwia ）。研究到阿米斯克毛颚虫，尽管标本极为稀少，但西蒙总算是遇上了一种主流伯吉斯生物。不仅已发现的标本数量达到五件，沃尔科特也已于1911年对该属进行过正式描述，将它当作一类毛颚动物（箭虫）。阿米斯克毛颚虫曾引发过一些争议，产生过一些相关的论文，但无一不在现代门类的共识框架之内。两篇发表于20世纪60年代的论文建议，将其分类地位从毛颚动物更换为纽形动物（nemertean）。两者皆非家喻户晓的名字，但同是现代分类学框架内的主要门类。

阿米斯克毛颚虫虫体扁平，可能为胶质，无外壳，确实摊平在伯吉斯岩石的表面。所以，这些化石恰好符合沃尔科特原本错误的预想——他曾认为，伯吉斯化石普遍以一层扁平薄片的形式保存。惠廷顿得以解析那些节肢动物，西蒙得以确认“奇葩”的独特地位，都是因为标本保存有立体结构。但是，阿米斯克毛颚虫没有，所以它没多少可解析的解剖学特征。不过，这些特征足以使其被拒于任一现代门类之外。

阿米斯克毛颚虫头部有一对触手，着生于腹面靠前的位置（图3.32）。体干两侧和尾部各有一片水平的鳍，但既无鳍条，也无其他坚硬组织（支撑）。（毛颚动物通常在大致位置有鳍，所以沃尔科特如此归类。但是，毛颚动物的头部另有齿、钩等结构，还有可以将头部包住的褶皱，而且没有触手。但阿米斯克毛颚虫除了有鳍，并无其他能暗示与毛颚动物有亲缘关系的特征。即便有大致相似的鳍，也不过代表因相似的游泳功能而独立进化出的相似结果）被泥石流吞噬的伯吉斯动物大多属于生活在水体底部的群落，而阿米斯克毛颚虫可能是少有的不属于该群落的动物之一。它可能是一类大洋（或游弋型的）生物 [58] ，生活在滞流盆地之上的开阔水域，而那一滞流盆地正好接收了伯吉斯泥石流。生活在与伯吉斯群落主体相离较远的开阔水域，恰好又处于该群落未来坟墓的上方，这种不同的生活模式或许可以解释，为何阿米斯克毛颚虫、齿谜虫及其他一些生活方式与之相同的生物在伯吉斯化石中的数量如此之少。泥石流泄入滞流盆地，形成一层沉积物，整个过程历经的时间很短。在坟墓上方水柱的动物，死亡并沉积到水底的，在数量上不会有很多。

动物头的内部有一双裂片状器官，它或许可以代表脑神经节。肠道笔直，呈管状，向前方追溯可至头内部膨大的区域，往后直通体部末端的肛门（图3.33）。纽形动物头部的显著特征为吻突，其中是充满液体且有肌肉内壁的空腔。阿米斯克毛颚虫头部并无这一特征，形态完全不像纽形动物，而尾鳍也只是在表面上相像而已（纽形动物的尾鳍呈双裂片状，肛门在体部的末梢）。此时的康维·莫里斯，面对具有新的解剖类型的动物，已经习惯了它们在高级别的分类地位与众不同的想法。他做出结论：

图3.32　扁平的游弋动物阿米斯克毛颚虫，头部有一对触手，体后有侧鳍和尾鳍。（玛丽安娜·柯林斯绘图）
图3.33　康维·莫里斯复原的阿米斯克毛颚虫（Conway Morris ，1977b）。（A）底视图：可见触手（标为Tt.）和口部（标为Mo）的着生位置、肠道（标为Int.）通往肛门（标为An.）的走向，以及被解读为脑神经节的结构（标为Ce.Ga.）。（B）侧面观。

可以肯定，箭形阿米斯克毛颚虫（Amiskwia sagittiformis ）不是毛颚动物……也不能将这种蠕虫置于纽形动物之列。与（纽形动物）的相似之处仅停留在表面，不过是平行进化 [59] 的结果。相比之下，箭形阿米斯克毛颚虫也不与其他已知门类亲缘关系更近。（Conway Morris，1977b，281页）

5.怪诞虫（Hallucigenia ）。在现代多细胞生命的历史长河中，如此之早，如此之快，就产生了数量众多的独特解剖学构型，达到高得惊人的差异度，这是伯吉斯页岩留给我们的启示。而伯吉斯的生物多样性太丰富，我们记不过来，得挑出有代表性的。如果必须从中选出一种，让它承载这一启示，怪诞虫属肯定能从化石爱好者那儿获得压倒性多数的选票（尽管我更倾向于欧巴宾海蝎或奇虾）。这一属赢得最多选票的原因有二：首先，拉丁学名借用了时下的语汇，这一举动显得很怪。其次，当我们言及符号时，如何称呼很重要。而西蒙为自己最奇异的发现取的名字的确非同寻常，也十分有趣。他将之称作怪诞虫，是承认“这类动物奇幻似梦的外表”，或许不只如此，这一命名还有可能是为了纪念那个无人惋惜、充斥着社会实验的年代 [60] 。

加拿大虫属（Canadia ）是沃尔科特定义的主要多毛类属类，有七种伯吉斯物种被他归于其中。（多毛类动物属于环节动物门，是分节的蠕虫，陆生蚯蚓的海洋同类，也是在所有动物类群中最为多样和成功的一类。）据康维·莫里斯后来发表的文献（Conway Morris，1979）显示，沃尔科特对该属的定义，就好比让差异度极高的一些动物一同躲到一把撑得过开的伞下。根据康维·莫里斯最终的鉴定，沃尔科特定义的这七个“物种”，除了有分属三个属别的多毛类动物，还有一类是属于不同门类的蠕虫〔已重命名为瓶刷虫属（Lecythioscopa ）的曳鳃动物〕，以及怪诞虫属动物。沃尔科特把伯吉斯最奇怪的动物误当成一种普通的蠕虫，将该“奇葩”命名为稀毛加拿大盾虫（Canadia sparsa ）。

面对一种动物，如果甚至连上下和前后朝向都分不清楚，该如何去描述它。怪诞虫最大的标本长约一英寸，和大多数运动动物一样，为两侧对称。它也与许多门类动物的标准构型相似，具有重复的组成结构。我们识别完怪诞虫的这些特征，就好比经过字迹不能再模糊的熟悉路标，被推进一个迷失的世界（图3.34）。看大致的轮廓，怪诞虫有一个球根状的“头”，位于端部。这一结构在所有（约30件）标本中保存得都不好，因而无法被很好地解析。我们甚至不能确定这一结构是否能代表动物的前方朝向，称其为“头”只是为了方便起见。与这个“头”（图3.35）相接的躯干长而狭，大致呈圆筒状。

图3.34　怪诞虫，由七对撑架支撑，立于海底。（玛丽安娜·柯林斯绘图）
图3.35　康维·莫里斯绘制的怪诞虫原始复原图（Conway Morris ，1977c）。

在躯干两侧近底部的表面，生有七对尖锐的刺，下伸呈撑架状。这些刺不像节肢动物的附肢那样由数个关节连接而成，也无关节与体部相接。它们是坚硬的整体结构，基部似乎嵌于由体壁延伸而成的短鞘之中。在体部背面的中线上，生有七只触手，与底部的刺正对。触手方向朝上，末端二叉呈钳状。七只触手与七对刺着生的相对位置，以一种古怪而又一致的方式错开——（与“头”最近的）第一只触手下方没有相对应的刺，接下来的六只触手，都分别生于一对刺正对的上方位置，最后一对刺的上方没有相应的触手。另有六只长度短很多的触手集成一簇（或以三对的形式），着生于七只主干触手之后。躯干末端渐狭呈管状，并向上弯曲，回折朝前。

面对这种构型，分类学家该如何加以诠释？西蒙决定，必须先把动物的生活方式琢磨清楚，才能获得更多解剖学结构的线索。西蒙从同功器官入手，发现一些现代动物利用身体近底部的刺栖息或运动。例如“三足鱼” [61] 能以侧刺和尾刺支撑身体，立于平面。有一类奇特的深海海参——平足海参 [62] ，能以底部细长的刺状管形足运动（Briggs and Conway Morris，1986，173页）。而怪诞虫每对刺两刺之间的夹角约70度，一系列这样的刺，形成的撑架十分适于身体的平稳支撑。这让康维·莫里斯认为，这七对刺可以使怪诞虫在淤泥底质栖息。这一假定既定义了生活模式，也确定了动物的身体朝向。康维·莫里斯写道：“刺嵌入的是水底沉积物，根据这一假定，腹面和背面的方向即可得以确定。”（Conway Morris，1977c，625页）

进行到此，情况还算不错，怪诞虫可以十分平稳地立于水底。但动物总不能像一尊雕塑立在那儿永远不动，而有头有尾的两侧对称动物几乎总是处于运动当中。它们的感受器官集中在前，肛门在后，因为它们需要知道去往何处，还得远离自己的排泄物。怪诞虫究竟是如何驾驭一套固死在体壁的钉子来行动的？康维·莫里斯的确提出了一种可信的模型——在动物体壁的内表面与刺的基部之间，系有呈条状或带状的肌肉组织，肌肉以不同程度伸张和收缩，使刺得以前后活动。七对刺相协调地运动，尽管看起来有些笨拙，但可以将动物整体向前推动。这种运动模式并不能让他满意，他因而提出：“稀毛怪诞虫（Hallucigenia sparsa ）可能无法在岩石或淤泥表面快速运动，或许大多数时候处于静止的状态。”（Conway Morris，1977c，634页）

如果对这些刺进行诠释都如此之难，那么，在其上方的触手又如何加以解读？何况，较之前者，寻找其现代同功结构，希望更渺茫。触手末端的钳状结构或许能抓住食物，但触手本身并不能到达头部。所以，若通过触手自后往前传递食物，就不能指望有效地进食。考虑到中空的管状触手内部可能与躯干内的肠道相连（尽管两者保存得都不好，难以激发如此联想），康维·莫里斯给出另一种十分吸引人的解释——或许怪诞虫根本就没有位于前方的口部结构。或许每只触手独立揽取食物，再通过各自的食管，将收集的颗粒分别送入与之相连的肠道中——面对如此之怪的动物，不得不考虑古怪的解决方案。

怪诞虫是那么特别，如何成其为一种生活自如的动物，是那么难以想象，我们才不得不考虑一种不同于以往的解决方案。或许怪诞虫不是一种完整的动物，而是一种个体更大生物的复杂附肢，只是其他部位尚未被发现。怪诞虫化石的“头”端不过是难以辨认的暗色印迹，所有已知标本都是如此。可能那根本不是头部，而是一个断裂点，是附肢（被我们称作怪诞虫的东西）从（尚未被发现的）个体更大的主体脱落而形成。这看起来或许令人失望——而怪诞虫本身构成的动物是多么奇妙。因此，我还是支持康维·莫里斯的诠释（但如果必须打赌的话，我会把赌注压在“附肢理论”那边）。不过，怪诞虫只是一只附肢的解释或许更有吸引力。那是因为，如果动物整体能被发现，而且得以诠释，其结果或许比现在对怪诞虫的解读还特别。这种情况以前在伯吉斯发生过。奇虾（的一部分）（见第五幕）就曾被看作是一类完整的节肢动物，被当成节肢动物之下一类十分无趣的甲壳动物。后来惠廷顿和布里格斯将它解析为取食附肢，而它的主人在伯吉斯动物中的奇异程度仅次于怪诞虫（Whittington and Briggs，1985）。我们显然尚未发现最后的伯吉斯惊奇，那可能还是最大的一个。 [63]

德里克·布里格斯与双瓣壳节肢动物：不那么炫目但不可或缺的告一段落

我必须向德里克·布里格斯道歉，以此作为这一部分的开篇内容。是我的无知和轻率，无形中使他受到冷落。我在最初计划以时序讲述本书核心部分之时，也就是在详细阅读专论之前，犯了一个巨大的错误。我将伯吉斯变革的发生看作哈利·惠廷顿和西蒙·康维·莫里斯之间戏剧性的互动，一边是启动该研究的保守系统学家，而另一边是有想法的激进年轻人，一心想进行革命性的诠释，还把其他所有人都拖下水。我在前面已经指出，按照传统剧本的套路解读这一互动是错误的。

我还要坦白另一个错误，一个本不该犯的错误。对于缺乏日常研究工作的直觉，但又要从事科学写作的人而言，这是易犯的经典错误。可是，那些从事日常研究的人员，本该有更好的认识。新闻行业的传统让新奇和炫目的发现受到追捧，认为它们易于报道，有新闻价值。如此一来，就形成了一种面向大众的标准陈述，但这种陈述不仅略过了科学的日常工作活动，而且，更不幸的是，形成了一种针对科研动力的错误印象。 [64]

像伯吉斯修订这样的项目，有炫目的潜力，也注定不那么引人注目。这两点都很好理解。常规记者会传达时新的想法、耸人听闻的事实，所以怪诞虫会受到青睐，而伯吉斯的三叶虫备受冷落。即使是伯吉斯的“奇葩”们，当化整为零时，也没有多少新闻价值。但作为动物群整体出现时，即具备了一般记者乐见的那些常规元素，它所暗示的，就是一个全新的生命观。所以，即使记录的是一般生物，也要以爱待之，勤勤恳恳，因为它们（与不一般的生物）对于揭示真相的全部同等重要。

德里克抽到的研究主题是双瓣壳节肢动物，那显然是伯吉斯动物群中最普通的一个类群。他完成了一系列有关这些动物的细致专论工作，有一些意料之外的发现，也确认了一些意料之中的预期。以前，我不认为布里格斯有关双瓣壳节肢动物的工作在伯吉斯变革中扮演什么重要的角色。当我阅读德里克的专论时，便意识到自己的错误，并为之感到羞愧。我逐渐可以理解，哈利、德里克和西蒙是贡献相当的三人集体，每个人在整出戏中扮演的角色互不相同，也不可或缺。

在此之前，沃尔科特及其他一些研究者已经描述了约12个具有双瓣壳（通常将头的整体以及体部靠前的部分覆盖）的节肢动物属类。其中一些属的标本只有壳的部分，软体结构不存，所以分类地位难以确定。其他的属，所受“待遇”与所有具双瓣壳的现代节肢动物相同，都被鉴定为甲壳动物，当事研究者没有一丝迟疑。德里克·布里格斯在开始工作时也没有怀疑：“当时需要开展一些重新描述的工作，我想，自己要研究的，是一堆甲壳动物。”

在第一篇有关伯吉斯页岩双瓣壳节肢动物的专论中，布里格斯描述了两项重要发现。加上西蒙的那些“奇葩”和哈利的那些节肢动物“孤儿”，到1978年，对于多细胞动物的生命如何进化的问题，已经有了清楚的全新叙述。

1.鳃虾虫（Branchiocaris ）——第一项发现。甲壳动物是一个种类繁多、多样性丰富的类群，小如全身被双瓣壳包得像蛤壳的介形虫，几乎借用显微镜才能看到，大如巨型的螃蟹，足展开后，整体宽达数英尺。它们都基于一个固有的基本构型，有明确的头部结构特征。甲壳动物的头由五节原始的分节以及眼组成，因而有五对附肢。这五对附肢的着生方式固定，两对在口前（通常是触角），三对在口后（通常为口器组成部分） [65] 。既然现代双瓣壳节肢动物都属于甲壳类，布里格斯以为可以在自己的伯吉斯研究对象上发现这些头部特征，但伯吉斯很快就要显露出另一个意外。

早在1929年，沃尔科特在史密森尼的得意干将查尔斯·E.莱塞尔曾描述过一件伯吉斯标本，并将其命名为珍原虾（Protocaris pretiosa ）。原虾属（Protocaris ）初拟于1884年，拟定人，即是远在去伯吉斯采集之前的查尔斯·都利特·沃尔科特，相应的标本来自美国佛蒙特州的帕克板岩（Parker Slate），是一种寒武纪节肢动物。莱塞尔认为来自伯吉斯的这类动物也属于该属，而布里格斯不这么认为，并为其新拟一属，即鳃虾虫属。

布里格斯一共调用了五件标本——莱塞尔描述用的那一件、沃尔科特采集的另外三件，以及雷蒙德在1930年找到的第五件。正如在本章早些时候已讲过的暖心故事，最后那件标本的负模一直遗落在岩屑坡中，直到1975年，才在由皇家安大略博物馆领导的考察中被发现。鳃虾虫的双瓣壳覆盖了整个头部和体部前三分之二（图3.36）。动物体部由46节短小的分节组成，其后是二叉呈钳状的尾节。在数量有限的标本中，附肢难以辨认，但可能属于双枝型——一枝较短，分为数节（可能与大多数双肢类节肢动物的步行足同源，但鳃虾虫的这一功能已相当退化）；另一枝较大，延伸呈刃状，可能为在近海底处游弋之用。

图3.36　布里格斯复原的鳃虾虫（Briggs，1976）。（A）侧面观。（B）底视图，可见两片壳所围的腹面。注意成对的单枝型附肢，独一无二的“主附肢”（标为lpa和rpa），另注意头部口后的方位无附肢着生，这种组织方式不见于任一现代节肢动物类群。

意外出现在头部，而且非常之大。头部有两对明显可见的短小附肢。这两对附肢呈触角状，指向朝前，第一对的形态相对平常，单枝型，分为多节；第二对的形态要特别得多，粗壮，分节不多，末端或有爪状或钳状结构。布里格斯将第二对称为“主附肢”（principle appendage），这一处理，与惠廷顿之前的做法相似。那时，面对幽鹤虫的同功结构，惠廷顿疑惑不解，遂将其命名为“大附肢”。

两对附肢着生于头上部近侧面的位置。如果是甲壳动物，在头的腹面，应该另有三对附肢位于口部之后。然而，布里格斯一无所获。头的腹面，除了口，空空如也。既然头部只有两对附肢，鳃虾虫就不是一类甲壳动物。布里格斯做出结论：“它不符合节肢动物任一现代类群的分类特征。”（Briggs，1976，13页）

所以，这里的双瓣壳节肢动物看似最有可能成为合理的自然进化类群，但实际上仍是一个人为定义的归类，其成员的解剖学结构有着意想不到的差异度。伯吉斯节肢动物构型的构成遵循的到底是一种什么样的规则？每一类的特征都是那么混杂，就好像从装有所有节肢动物特征的“什锦袋”中随机抓出一些，随心所欲拼凑而成。但三叶虫型的双枝型附肢是否能生在任一节肢动物上？双瓣壳是否能将任意解剖学结构覆于其下？规则何在，何以相宜。

2.加拿大盾虫（Canadaspis ）——第二项发现。看看伯吉斯节肢动物的故事在1976年结束时是个什么样子吧。马尔三叶形虫，本以为是三叶虫的亲戚，结果被发现是个“孤儿”。幽鹤虫，因为长了一对“大附肢”而与众不同，举目无亲，也不是谁的前体形式。伯吉斯虫，虽然名字随这一动物群，但亦是个“孤儿”。即便是鳃虾虫，铁定要当甲壳动物，谁知在双瓣壳之下有着一身独一无二的解剖学结构。而且，这四名“孤儿”的独特之处也各有不同，它们没有集合成一类的趋势。沃尔科特抄起他的“鞋拔”，把伯吉斯的节肢动物一股脑儿强塞进不同的现代类群，但它们是否会接受这一安排呢？

加拿大盾虫是在伯吉斯页岩第二常见的动物。在伯吉斯动物中，它的个头算是很大的（长可达三英寸），保存下来的标本略带醒目的红色。它有保存完好的双瓣壳，但布里格斯很快发现，在双瓣壳之下的解剖学结构与鳃虾虫完全不同。

布里格斯曾在1977年发表过一篇篇幅较短的论文。在论文中，他将两种双瓣壳节肢动物归入新拟的锐目虾属（Perspicaris ）。他的重构虽然有令人兴奋之处，但限于标本数量稀少、保存质量不佳，并不能得出什么确切的结论。他无法证明这些动物的具体归属，不过，这两个物种无疑是甲壳亚门的动物。难道终于在伯吉斯标本中找到了一类能代表现代类群的动物？

布里格斯在1978年就回答了这个问题，不仅姿态优雅，而且是盖棺论定。他对保存完好的海量完美加拿大盾虫（Canadaspis perfecta ）加以专论，终于将一类伯吉斯生物归入某个成功的现代类群。加拿大盾虫不仅是一种甲壳动物，在甲壳亚门下的具体地位也能确定。它是一类早期的软甲类甲壳动物，因而代表了后来蟹、虾及龙虾所处的一大类群。布里格斯在加拿大盾虫的解剖学结构中找到了属于软甲类的全部固有元素——分为五节、有眼和五对附肢的头部；分为八节的胸部（身体的中部）；分为七节的腹部，外加一尾节（身体的后部）。此外，头部附肢的着生方式也是那么正确——两对较短的单枝型触角位于口的前方，三对在腹面的附肢位于口的后方 [66] 。动物的腹节无附肢，但胸部各节均着生有一对标准的双枝型附肢，足枝靠内，较阔的鳃枝在外（图3.37、图3.38）。

图3.37　布里格斯复原的加拿大盾虫（Briggs，1978）。这一动物具有软甲类甲壳动物的典型结构——口前方两对附肢（标为an1和an2），口后方三对附肢（标为ma、mx1及mx2），胸部分为八节（从标为t1的一节开始），腹部分为七节（标为ab1～ab7）。每一胸节着生有一对双枝型附肢。

图3.38　加拿大盾虫是一种真正的甲壳动物。分为五节的头部着生有两对触角和三对口后附肢，后两对与体部的双枝型附肢相邻，形态上亦与之相似。（玛丽安娜·柯林斯绘图）

上述描述虽短，但无损加拿大盾虫属在伯吉斯修订中的重要地位。古怪的动物需要更多篇幅才能使其独特性得到解释，而对于熟悉的生物，只须归纳为“跟无人不知的某某一样”即可。但是，在伯吉斯故事里，加拿大盾虫既是一个关键，也是一根支柱，和西蒙发现的那些古怪奇观同等重要。假使每一种伯吉斯动物都是生活在某个被遗忘的世界里的古怪者，那么，我们会将它们看成一个什么样的整体？——那会是一个失败的实验，百无一是；会是在后来现代动物群重建的过程中被完全回避的最初尝试，因而与后来生物的起源没有联系，提供不了任何相关的线索。但是，如果有了加拿大盾虫，加上具有现代解剖学构型的其他生物，所暗示出的，就是一个完全不同，更富有启发性的观念。伯吉斯动物群的确也包括现代类群的原型，因而成其为一个普通的寒武纪动物群。但要揭示生命早期历史的模型哪一种最为重要，可能还得通过研究那些已大规模消失的构型来决定。

在德里克解析加拿大盾虫之时，西蒙已经完成他那旋风般的奇观发现，回到自己研究的主要对象——伯吉斯动物中真正的蠕虫，随后发表了两篇专论（Conway Morris，1977；1979）。他研究的结果完美地证实了加拿大盾虫复原结果所留下的启示。一些伯吉斯生物，甚至是动物群中具有软体结构的动物，竟也能很好地归到现代类群中。如此一来，“奇葩”作为常见类群补充的重要性得以凸显。1977年，康维·莫里斯从沃尔科特分散在三个门类（多毛动物、甲壳动物、棘皮动物）的标本中识别出六七个属类的曳鳃类蠕虫。曳鳃动物门的成员生活于海洋之中，是一个只有十余属的小门类，但在伯吉斯页岩的蠕虫中却占据有绝对的优势（伯吉斯曳鳃动物是我这个故事第五章的主要内容之一）。

1979年，康维·莫里斯已经归置好沃尔科特最为混乱的一类——伯吉斯多毛类蠕虫。沃尔科特曾把多毛纲（Polychaeta，环节动物门的海洋类群，是分为多节的蠕虫）当成“倾倒”不少伯吉斯奇异动物的垃圾场。在沃尔科特的多毛类里，康维·莫里斯发现了两属曳鳃动物，还有四属“怪异奇观”。不过，沃尔科特也鉴定出不少真正的多毛类动物。这一在现今海洋里优势如此之大的类群，在伯吉斯动物的时代，势头却远在曳鳃动物之下。但是，这两个类群显示出的基本启示相同——伯吉斯动物群中既有一般性的解剖学构型，也有独一无二的解剖学构型，而且都达到了相当的数量。

第四幕　1977—1978：娜罗虫和埃谢栉蚕——一个论证观点的完备与成为定式

在漫长的第三幕结束后，我们需要一幕简短的第四幕，摆出一个几乎仅有象征性意味的观点。在这一幕里，将要解析两个重要的伯吉斯属类，它们的出众不仅仅在于名字十分拗口，元音成串。

这出戏一开始，哈利·惠廷顿便让以前人人都以为属于已知类群的一些节肢动物成了该门类的“孤儿”（第一幕）。他变本加厉，向大家展示，欧巴宾海蝎根本不是节肢动物，而是一类构型独一无二的奇特动物（第二幕）。他的学生和同事从整个动物群里记录到相同的模式，使这些异常成为伯吉斯及其时代的常态（第三幕）。当哈利·惠廷顿终于接受了新的诠释，开始将伯吉斯动物的解剖学结构别具一格作为优先假设，而非不得已的最后方案——这个故事在逻辑上就到头了，伯吉斯的变革也业已完成（第四幕）。从概念上看，剩下的可能就是收尾了，但这出戏里最好的故事要留到最后才讲（第五幕）。

图3.39　一件出色的娜罗虫标本的显微（投影）描绘图（Whittington，1977）。两瓣壳将整个软体结构覆于其下，只可见撑到壳之外的附肢末梢。

在新观点的逻辑结构中，娜罗虫贡献了重要环节的最后一扣。这个我已提过好几次的伯吉斯物种，被沃尔科特描述成一类鳃足类甲壳动物。娜罗虫的壳由两片扁平光滑的卵圆形瓣片组成，两瓣一前一后，相接处呈直线状。在大多数化石中，这两瓣相互分离，闪闪发光，使得娜罗虫在伯吉斯生物中最为夺目，最具魅力，但也成为诠释工作的严重障碍。它们将整个软体结构覆于其下，大多数标本只可见撑到壳边缘之外的附肢远端末梢（图3.39）。可附肢（不可见）的近端特征才是主要分类依据，由它决定动物属于节肢动物的哪一类群。这些特征包括附肢的类型及其与身体的对接方式，没有这些信息，就无从对娜罗虫进行很好的诠释。

惠廷顿已发现伯吉斯化石保存有立体结构，对于他而言，上述两难境地随即得以化解。他意识到，可以凿开坚硬的壳，向下解剖，直至附肢的近端和着生的位置暴露出来。凿开娜罗虫的壳（图3.40），他观察到足够的附肢特征，确定了附肢的分节数，解析了附肢近端包括颚基和取食沟在内的特征。此外，惠廷顿还收获了职业生涯的一大惊喜。他发现，自己正在观察的足枝，恰好来自自己最熟悉的动物——三叶虫。娜罗虫的大致轮廓与三叶虫确有些微相似，但它那（前后）两瓣壳与三叶虫的外骨骼却几无共性。大多数三叶虫的虫体分为三部分——头、胸、尾。〔与普遍以为的不同，这一从头到尾的划分不是“三叶虫”或“三裂片状”命名的来源。三叶虫的“三叶”（trilobation）是指纵向二分为三，形成由一中轴（轴叶）和被称为肋部（pleura，肋叶）的两侧组成的三个并排区域。〕

图3.40　通过解剖确定娜罗虫属的分类地位。（A）解剖前的完整标本。（B）已被解剖的同一件标本，可见足在体部的着生处。（C）已被解剖标本的显微（投影）描绘图。足为典型的三叶虫型，娜罗虫因而成为已知最早的双瓣壳三叶虫。

惠廷顿发现娜罗虫还具有三叶虫的一些其他重要特征。其中，又以头部分节为甚，符合三叶虫的定义。除此之外，头部口前有一对单枝型触角，腹面有三对口后型附肢。娜罗虫的外壳虽然奇怪，但它的确是一类三叶虫。由此，惠廷顿描述娜罗虫属时，在三叶虫纲下新拟一类，将之归入其中。他难掩喜悦之情，行文不同于平日的风格。为什么不呢？哈利可是世界级三叶虫专家，这是他的心肝宝贝，他刚向世界宣布了一个与众不同的炫目孩子的到来。

首次凿到……既令人吃惊，也激动人心……重新重构的动物形态与沃尔科特及其他人的复原差别甚大……其特征符合三叶虫的程度高于先前预期。我确实可以做出以下结论，娜罗虫是一类不具胸部的三叶虫。为此，我将其置于该纲之下一独立新目。（Whittington，1977，411页）

分类地位从一个熟知类群移到另一个熟知类群，变化看起来或许不大，所以，在随伯吉斯重新研究而来的剧烈震荡和大量发现中，这似乎只是一个在概念上影响很小的事件。若如此认为，那就错了。娜罗虫分类地位的确定，就像是完成拼图游戏的最后一块满意的拼板，它证实了伯吉斯的基本模式——当时解剖学构型的差异度远甚于后来，在每一分类级别都是如此。西蒙发现“怪异奇观”，是在动物的最基础构型、分类地位最高的门类级别鉴证了这个模式。惠廷顿之前发表的专论，是在较门类低一个水平的级别讲述同一个故事——节肢动物门下独立于现代动物的一个又一个类群，无不表明伯吉斯节肢动物的解剖学构型差异度之大远甚于后来，即便是后来节肢动物的种类大为扩增，仅昆虫一类，已被描述过的就有约100万种。这一次，哈利·惠廷顿是在门类之下（已知）主要类群之内的级别，一个差异度本是最低的级别，再一次证明了相同的模式。他发现的是一类在语义上明显自相矛盾的动物——具有两瓣硬壳的软体构型三叶虫。〔他在1985年还将描述第二种软体构型三叶虫——巨瓦皮盾虫（Tegopelte gigas ），它是伯吉斯个体较大的动物之一，长达近一英尺（约30厘米）。所以，娜罗虫在三叶虫类中不再是独树一帜。〕就像有些景象，无论仰首用望远镜遥望，还是俯首用显微镜细观，视野中的情形都一样，伯吉斯模型似乎在不同分类水平中都展示出这种恒定的“分形” [67] 特征——在伯吉斯的时代，曾有很高的差异度，但紧随其后的是抽灭，以及在少数幸存类群之内发生的分化。

对于惠廷顿而言，有关娜罗虫的专论是一个概念上的分水岭。他终于正式废除了（斯特默的）“类三叶虫纲”，那不过是一个人为定义的垃圾篓，无关进化。他也终于放下顾虑，将伯吉斯的节肢动物看作一个构型独一无二、差异度水平远超后来类群的集合。

类三叶虫纲（Trilobitoidea Størmer，1959）为方便起见而立，便于将主要产自伯吉斯页岩、被认为形似三叶虫的不同节肢动物归为一类，与三叶虫纲同一级别。最近已发表的研究结果及在当前进展中获得的初步结果产生了大量信息，尤其是有关附肢的信息……类三叶虫纲不能继续被当作一个可用的概念。评价这些动物之间关系的新基础正在形成。（Whittington，1977，440页）

哈利下一篇专论的主题是埃谢栉蚕。专论一开始，他就表达了对新观点的认同，而且十分高调：“这一动物群落包括的节肢动物类型多得惊人。此外，还有一些具有奇异的构型，如作者和康维·莫里斯描述的那些动物。它们和埃谢栉蚕一样，不能轻易被归入高级别的现代分类阶元。”（Whittington，1978，166—167页）埃谢栉蚕可能是最著名的伯吉斯生物，有关研究也最多。原因有些可笑，因为它属于“双P”阵营（见前文此处），被认为是原始的前体类群。沃尔科特将埃谢栉蚕描述成一种环节动物（Walcott，1911c），但很快，同行们便激动地指出，这类生物至少在外观上与有爪动物几乎没有区别。有爪动物是现代无脊椎动物中的一个小类群，主要以名字可爱的栉蚕属（Peripatus ）为代表。有爪动物集合了环节动物和节肢动物的一些特征，不少科学家认为它是连接这两个门类的罕见中间构型（若您愿意，也可以称之为“未能缺失的环节”）。不过，现代有爪动物为陆生，而从环节动物到节肢动物的实际过渡，或从一个共同祖先类群衍生出这两个门类，都必然发生在海洋之中。此外，自那个所谓中间构型的时代算起，现代有爪动物已历经5.5亿多年进化，不可能被看作是一个过渡的模型。若有来自寒武纪的海洋有爪动物，它就会被赋予至高无上的进化意义——埃谢栉蚕被如此诠释（Hutchinson，1931），便成了伯吉斯的英雄。伟大的生态学家G.伊夫林·哈钦森完成过南非栉蚕属分类的重要工作，（1988年4月的访谈中）他在80多岁时回顾自己漫长的学术生涯，依然把自己的埃谢栉蚕研究看得最重。他曾写道：

有埃谢栉蚕，我们就有了一类生活在与现代物种所处生态环境完全不同的有爪动物。它存在的年代虽然久远，但外部形态一定与其现代代表极为相似。（Hutchinson，1931，18页）

图3.41　埃谢栉蚕可能是一类有爪动物。（玛丽安娜·柯林斯绘图）

埃谢栉蚕躯干呈圆筒状，有环纹，在两侧靠底部的位置上，着生有10对有环纹的肢，方向朝下，应为运动之用（图3.41、图3.42）。前端与后方无间割，不形成明显的头部。前端仅着生有一对附肢，形态和环纹与后方附肢一致，但在两侧着生的位置偏高，方向朝外。口在前端最末（正好在头端部表面正中间的位置），为六七个乳突所围。前端附肢末梢有三枚刺状分枝，前缘另有三枚刺。体肢末端较钝，生有最多达七枚的一组弧形小爪。体肢除了第一对以外，表面亦有刺，在第2～8对上朝前，在第9～10对上朝后。

惠廷顿综合这些解剖学特征和其他数据，还原出埃谢栉蚕非同平常的生活习性。19件埃谢栉蚕标本中，有6件包含海绵的残余。这种联系几乎从未见于其他伯吉斯动物，惠廷顿猜测，埃谢栉蚕或许应以海绵为食，并生活于其间，以求庇护（图3.43）。体肢末梢的爪在淤泥中或许难以发挥作用，但应便于攀爬海绵，并固着其上。前端附肢或许难以将食物直接扫入口中，但之上的刺应能用来撕破海绵，以便吮食有营养的汁液和软组织。躯体后部体肢上方向朝后的爪刺应为固定之用，即使动物以奇怪的角度置身于海绵，也能固着其上。

图3.42　惠廷顿复原的埃谢栉蚕（Whittington，1978）。（A）顶视图。（B）侧面观：在图中顶部可见前端最末环围口部的触手（乳突），背面朝右。
图3.43　惠廷顿的重构图（Whittington，1978），可见埃谢栉蚕在海绵上生活、取食。

但埃谢栉蚕是一种有爪动物吗？惠廷顿认为，两者的相似之处，在于前端附肢、末梢有爪的单枝型体肢，以及躯干与足有环纹等特征。但他也列举出一些不同之处，如无颚（而现代有爪动物有），虫体后端最末为一对体肢（而现代有爪动物的体部延伸到了末对体肢之后）。

这些不同之处令人对埃谢栉蚕在当时的分类地位有所怀疑。依惠廷顿的判断，这些怀疑足以将其从有爪动物门移除。在最终确定归属之前，他暂时将其看作一属独特的独立类群。他提到其他属类的先例：“因此，如同欧巴宾海蝎属、怪诞虫属、足杯虫属等其他采自伯吉斯页岩的动物，埃谢栉蚕属不能被轻易归入高级别的现存分类阶元。”（Whittington，1978，195页）

我认为这句话至关重要——（它至少标志着）伯吉斯的变革业已完成。我如是表态有些讽刺的意味，因为，我认为这一次哈利可能把埃谢栉蚕看错了。我相信，若对上述证据进行权衡，会得出埃谢栉蚕应留在有爪动物门的结论。那些相似之处令人印象深刻，在解剖学特征方面相当有说服力，而不同之处流于肤浅，与进化没有很大的因果关系。颚的缺失是哈利指出的两处主要不同之一。不过，颚可能要到后来才会进化出来。因为，对于某一组成结构而言，只要它没有被某一生物祖先类群的解剖学构型排除在外，就可以在生物的进化过程中形成。这一现象至少在伯吉斯的一个重要类群中发生过。（寒武纪的）伯吉斯多毛动物没有颚，但在奥陶纪就会进化出来，之后再也未有缺失。至于体部应延伸至末对体肢之后，我觉得该特征的获得，不过是一种简单的进化所致。对于如有爪动物门那般繁杂的类群，特征会发生如此变化，完全是在合理范围之内。美国古生物学家理查德·罗比森（Richard Robison）列出的埃谢栉蚕与现代有爪动物的特征区别，比前人的要多得多。虽然如此，他还是认为埃谢栉蚕应属于该类群。他在论文中提及惠廷顿列出的第二处不同之处时写道：

陆生有爪动物身体突出至末对叶（状假）足（体肢）之后。这一特征不过代表一个较小的改变，将肛门略加移位，使卫生条件得以改善。对于生活在水中的动物而言，这一身体结构形式并不那么重要，因为，水流有助于有毒的排泄物远离身体。所以，身体后部的形状更多反映了动物对生境的适应，而非进化发育的关系远近。（Robison，1985，227页）

为什么惠廷顿将埃谢栉蚕从有爪动物门分离出来，断言其分类地位独一无二呢？多年来，惠廷顿一直抵抗着将伯吉斯生物从熟知类群分离出来的诱惑，即使要分离，也是为证据所迫。因此，我们自然会以为，是直接来自埃谢栉蚕的新数据，促使他不情愿地下此结论。但细读惠廷顿发表于1978的专论，会发现他并未推翻哈钦森 [68] 对埃谢栉蚕的任何基本陈述。哈利罗列并讨论的不同之处与哈钦森所言相同，他的确展示出更多、更细致的细节，但实际上也肯定了哈钦森的杰出工作。但是，基于相同的数据，哈钦森将埃谢栉蚕归入有爪动物，而在后来，惠廷顿却做出了相反的结论。

那么，如果不是埃谢栉蚕的形态特征，究竟是什么促使惠廷顿扭转自己的看法？我们在此见证的，好比是一个对照设置得当的心理学实验。数据未变，结论的观点变了，这只能说明在实验之前预设的前提发生了变化。这个前提，即对伯吉斯生物分类归属的优先假定。显然，惠廷顿不仅接受了伯吉斯动物分类地位独一无二的观念，而且更垂青于此。他的转变就此完成。

还有很多迷人的属类要去描述，进程甚至尚未及半。但惠廷顿1978年的埃谢栉蚕属专论标志着新生命观已成为定式。1975—1978年这几年的进展令人眩晕——先是发现欧巴宾海蝎既非节肢动物亦非其他已知类群，令人不安，后来有西蒙发现的一系列“怪异奇观”，到最后，伯吉斯动物分类地位独特作为优先假设被完全接受。三年虽短，迎来的却是一个不同的世界。

第五幕　1979—世界末日（不知何时）：埃谢栉蚕之后的研究——一项研究项目结果成熟

从马尔三叶形虫（1971）到埃谢栉蚕（1978），研究方向在短短七年之间发生了巨大的转变。一个旨在对归于节肢动物已知类群动物重新描述的项目，转变为树立有关伯吉斯页岩和生命史的新概念。

转变的路途并非平坦，亦非笔直，无不经历对证据的权衡，以及对论证的逻辑考量。智识的变革从来不是那么简单。诠释有如艰难行进的涓涓细流，时而曲折，时而迂回，也会暂时困于沼泽，缠身于终将被抛弃的各样假设（例如认为伯吉斯“奇葩”是已知类群的原始形式）。但最终，它还是会冲破一切，奔向结论——伯吉斯动物构型差异度之大有如大爆发。

到1978年，以惠廷顿对埃谢栉蚕的诠释为标志，新的观念已经定型。从此，大家对伯吉斯动物群的基本定位充满信心，便进入一个平静的新阶段，一直延续至今，我这出戏的第五幕即是讲述其间发生的故事。在这最后一幕里，情况不会急转直下，新的观念一直未变。因为信心有极为实用的价值，让人不再时时对基本原则有所顾忌，得以朝着既定方向勇往直前。因此，在第五幕里看到的，将是对大量伯吉斯生物解析的成果。古老的谜团被一一破解，就像在游戏中，让对方的玩具士兵成建制地倒下。（继续借用这个比喻）尽管没有儿戏那么容易，但有了坚实的基本框架加以引导，齐心协力，工作效率会高得多。在过去10年中，不少最为奇怪、最令人兴奋的伯吉斯生物得以复原，这让我迫不及待地想读第六幕（如果有可能的话）。

伯吉斯节肢动物的未完史诗

“孤儿”与特化构型

时至1978年底，软体构型节肢动物的“较量结果”已彰显了独特性和差异度的胜利。马尔三叶形虫属、幽鹤虫属、伯吉斯虫属、鳃虾虫属等四个属类成了节肢动物“孤儿”，不能归入该门类下任一现代类群。可以归入的，仅有加拿大盾虫属（或许还有锐目虾属）。娜罗虫被重新归入三叶虫类，但在该类群里独树一帜，极不寻常，是一个新目类的原始类型。欧巴宾海蝎被逐出节肢动物门，而埃谢栉蚕何去何从尚无定论。这个开局不错，但数目还不够分量。就如我在前文所说的，自然历史“重大”问题的解决，在于它出现的相对频次。所以还需要更多的数据，且须接近全体伯吉斯节肢动物的规模。现在，第五幕即在最大限度上满足了这一需求，修正的模式也经受住了考验。

1981年，德里克·布里格斯的研究结果使更多双瓣壳节肢动物成为无以归类的类群（这让加拿大盾虫有如独秉孤烛，在伯吉斯独为真正甲壳动物的可能性越来越大）。奥戴雷虫是伯吉斯页岩体形最大的双瓣壳节肢动物（长可达六英寸），为了确定其归属，布里格斯研究了全部29件标本。奥戴雷虫的眼位于头正面，延伸至壳之外，在伯吉斯节肢动物中亦属最大（图3.44）。除此之外，布里格斯在头部仅找到一个组成结构——一对生于腹面口后的短小附肢。（这种没有触角、仅有一对口后附肢的组织方式独一无二，仅凭此，奥戴雷虫即可成为节肢动物中的“孤儿”。但是，覆于硬壳之下的头部保存得并不完好，布里格斯不敢肯定已解析出所有结构。）躯干全长的三分之二都包被于壳之下。躯干本身由45节组成，各节着生有一对体肢，除了前两对以外，皆为双枝型。

奥戴雷虫还显示出两处独一无二的特殊性状。首先，这种动物生有三叉状的尾（图3.45），两侧各有一尾叶，中间一叶生在背面。这种奇怪的结构会让人联想起鲨或鲸，而非龙虾，在节肢动物的其他类群中也没有相似的结构。其次，两瓣壳不为扁平状，而呈管状。此外，布里格斯认为相对较短的附肢无法伸出壳外。不仅如此，两瓣壳形成的管状结构（在腹面）的敞开程度，可能也不足以使附肢从腹面方向伸出。显然，奥戴雷虫不会行走于海底。布里格斯写道：“实际呈管状的壳、生有较大的尾叶，兼具这两项特征的生物，在节肢动物中独一无二。”（Briggs，1981a，542页）

图3.44　布里格斯复原的节肢动物奥戴雷虫（Briggs，1981a）。（A）顶视图，将两瓣壳作透明处理，以示覆于其下的软体结构。可见眼凸出于壳的前方，以及体后三叉状尾的着生方式。（B）侧面观。
图3.45　游弋时背面朝下的奥戴雷虫。透过管状的壳，可见数目众多的双枝型附肢。另可见前方的一对大眼、体后奇异的三叉状尾，以及口后方的一对取食附肢。（玛丽安娜·柯林斯绘图）

布里格斯对奥戴雷虫的功能进行了研究，通过结合两处特殊的性状，对其生活模式做出推测。他认为，奥戴雷虫游弋时背面朝下，以三叉形的尾部平衡和导向，而壳充当捕食的过滤腔。水从壳的一端进，附肢可以捕获水流中的食物颗粒，并将水流从壳的另一端导出。

布里格斯再次证明，伯吉斯节肢动物的标签是“独一无二的特化”，绝非“原始般的简单”。德里克写信给我，如是评价自己1981年发表的专论：“原来，奥戴雷虫不仅分类地位特别，而且，在我看来，更重要的是，其功能也在节肢动物中独一无二。”

也是在1981年，大卫·布鲁顿发表了关于西德尼虫的专论。我们在前文参见此处已就此做过讨论。对西德尼虫的解析，是伯吉斯节肢动物研究的一个重要里程碑，原因有两个。其一，长久以来，西德尼虫是该动物群被关注的焦点或标志。沃尔科特认为这一属代表了伯吉斯最大的节肢动物（我现在知道，软体构型的三叶虫类瓦皮盾虫，以及另外一两种双瓣壳节肢动物，其实比它更大），除此之外，他还另发现一边缘带刺的附肢，误以为是西德尼虫头的一部分（因为他不知还有其他哪类节肢动物大到足以着生如此附肢）。如此处理之后，西德尼虫不仅最大，而且最为凶猛。（我的一位心理学家朋友为我解释，为何我们这个社会对恐龙如此迷恋。他列出的原因很简练——“庞大、凶猛、绝种”。这三点，沃尔科特重构的西德尼虫全都符合）在布鲁顿的修订中，西德尼虫仍是一类捕食动物，但（沃尔科特发现的）那对肢是奇虾的。西德尼虫的头部并无取食结构。

其次，在伯吉斯节肢动物最后一组潜在合乎逻辑的自洽类群——“类肢口动物”（merostomoid）中，西德尼虫是第一个被重新描述的动物。将伯吉斯原来的主要集群置于现代类群，当然已毫无希望可言，但“类肢口动物”是保持传统归类不变的最后一次机会，最后一线希望。肢口类是一类海洋节肢动物，包括现代的鲎，以及已成化石的板足鲎。它们与蜘蛛、蝎子及螨类聚为节肢动物的四大类群之一——螯肢亚门。板足鲎较鲎更能体现肢口类的基本体形结构——具有一顶坚实的头盾；躯干体节有数节较阔，与头部等宽；有较狭的尾，通常呈刺状。包括西德尼虫在内的一些伯吉斯属类，便具有这一基本构型。

布鲁顿的研究结果对保持传统归类不变的最后一线希望造成了很大的冲击。结果表明，西德尼虫不可能是肢口类动物的近亲或祖先类群。这类动物虽具有“类肢口动物”的体形结构，但这一特征并不能使其成为自洽的进化类群。它们之间的差别很大，只是因为具有（用我专业术语称作的）共同祖征 [69] （或“共有的原始性状”），才被联系到一起。对于高级类群而言，共有的原始性状都属于祖先性状，因此，它不能被用来定义该类群下细分的亚类群。例如鼠、人，以及马的祖先不能因为都具有五趾，就聚为哺乳动物下的一个系谱类群（genealogical group）。具有五趾是所有哺乳纲动物都具有的一个祖先性状。有些生物保留着这一初始性状，而更多的其他生物在进化中发生了改变。具有“类肢口动物”的体形结构，是许多节肢动物类群的原始性状。相反，划分真正的系谱类群，根据的是共有的衍生特征，即自共同祖先分化形成的独特性状。

图3.46　两个方向的西德尼虫视图：上方视图，以仰视的视角显示体肢的构成形式，以及眼与触角的着生方式；下方为俯视图。（玛丽安娜·柯林斯绘图）

真正的螯肢亚门动物的头盾上生有六对附肢，无触角。在这个关键的方面，西德尼虫与之极为不符，其头部（图3.46）只有一对触角，无其他附肢。布鲁顿逐渐认识到，西德尼虫是一类杂糅了许多特征的奇异动物。其九节体节的前四节每节各着生一对单枝型步行足，符合肢口类的特征。但后五节上的是双枝型附肢，各肢分别由鳃枝和步行足组成。“尾节”由圆筒状的三节和一片扇状的尾组成，较之肢口类，外观更像甲壳类。布鲁顿在西德尼虫的肠道里发现介形虫、软舌螺以及小型的三叶虫，因此将其诠释为一类底栖的肉食动物。但西德尼虫的头部无取食附肢，而足间又有齿状取食沟，由此，可以推测，其进食方式与许多节肢动物类群无异，将食物自后往前传送，而非自前方觅食，从前擒握。

对于伯吉斯节肢动物而言，1981年是关键的一年，剩下的那些“类肢口动物”保留原有分类地位的最后一丝希望完全破灭。在这一年，除了有关奥戴雷虫和西德尼虫的专论，惠廷顿的“收尾”专论《产自不列颠哥伦比亚伯吉斯页岩的罕见中寒武世节肢动物》（Whittington，1981a）也得以发表。这些（罕见的中寒武世节肢）动物在过去大多被归入“类肢口动物”（或符合归入的要求，只是未被发现）。但惠廷顿无法将它们中的任一成员重构成螯肢亚门的动物。它们全部成了“孤儿”，在节肢动物门内的分类地位独一无二，各不相同。

臼齿山虫（Molaria ）的头盾背腹方向纵深较大，形如半个半球。躯干分为八节，尺寸向后逐渐递减，末节与圆筒状的尾节相接。尾节后生有一具关节的长刺，向后伸展的长度超过体部（图3.47）。这一构型确属“类肢口动物”无误，但其头部只有一对短触角，以及三对双枝型附肢。

图3.47　臼齿山虫，一类独特的“类肢口动物”型节肢动物（Whittington，1981a）。

哈贝尔虫（Habelia ）的基本体形与臼齿山虫相同，但惠廷顿还描述了一系列相当明显的不同特征，有一些对其归属有重要的影响。例如覆于壳表的瘤状突起，虽为表面特征，但使其在外观上格外与众不同（图3.48）。躯干由12节组成，但其后并无尾节。后伸的尾剑上有钩状结构、脊状突起，不分节，但在往后三分之二处有一关节。头部有一对触角，除此之外，仅在腹面有两对附肢。躯干前六节着生有双枝型附肢，但后六节可能只生有鳃枝（而臼齿山虫体部八节皆着生有双枝型附肢）。

图3.48　身覆瘤状突起的哈贝尔虫。（玛丽安娜·柯林斯绘图）

惠廷顿还发现一属新的节肢动物。它的结构复杂，但个体细小，长不及半英寸（图3.49）。这一被命名为帚尾虫（Sarotrocercus ）的独特动物有一头盾，其后紧接九节体节，体末有一尾剑，末梢生有一簇刺。头盾腹面前缘有一对较大的眼，着生于眼柄上（而臼齿山虫与哈贝尔虫无眼）。除此之外，头部还生有一对粗壮的附肢，末节二叉呈钳状。惠廷顿还观察到另10对非常不同的附肢（一对位于头部，九节体节每节各一）。它们是呈长梳状的结构，可能为鳃枝，没有一丝足枝的明显痕迹。惠廷顿将帚尾虫复原为一类游弋时背面朝下的大洋动物，可能与阿米斯克毛颚虫、齿谜虫等少数伯吉斯动物的情况相似，生活在接受泥石流的滞流盆地之上的水柱中。

图3.49　细小的节肢动物帚尾虫，游弋时背部朝下。可见一对大眼、粗壮的取食附肢，以及头后各体节上的鳃枝，可能用于游弋。（玛丽安娜·柯林斯绘图）

对阿克泰俄斯虫（Actaeus ）的重构基于一件长为两英寸的标本。阿克泰俄斯虫的眼叶 [70] 位于头盾边缘，头盾后紧接11节体节，末节后有一三角形的细长尾板（图3.50）。头部生有一对特别的附肢，基部一节粗壮，随后各节向下弯曲，并在末梢形成一组刺，由四枚组成。附肢末节内缘生有两根长鞭状的延伸结构，回折向后伸展。头部可能另有三对普通的双枝型附肢，位于这一结构之后。

图3.50　两类关系较近的节肢动物（Whittington，1981a）。（A）阿克泰俄斯虫。（B）始虫。

始虫（Alalcomenaeus ）的外观与附肢组织方式与阿克泰俄斯虫相似（见图3.50），两者或许有亲缘关系。其眼叶亦位于头盾边缘，头盾后紧接的体节为12节，末节后的尾板呈卵圆形。头部亦着生有一对较大的附肢，粗壮的基部一节之后即是细长的突出结构——虽然不如阿克泰俄斯虫复杂，但着生的方式和位置与之有相似之处。除此之外，头部另生有三对双枝型附肢。在一件标本的步行足内侧，还可见一组刺状结构，着生的位置适于其将食物（从后）转运至口部。惠廷顿写道：“这些醒目的附肢表明，（始虫）可能是一类底栖腐食性动物，可以把尸体紧紧抓住，并将其撕碎。”（Whittington，1981a，33页） [71]

除了阿克泰俄斯虫属与始虫属之间存在非常不确定的联系，其他五属的特征都很独特，结构组织方式各异，每一属动物皆呈现出高度特化的构型。惠廷顿做出的结论，已与我们现在熟知的伯吉斯故事相似：

很多意想不到的新特征得以揭示，（伯吉斯节肢动物）物种在形态方面的鸿沟由此被大大拉大。除了极少的例外，（这里描述的）每一种都集合了许多独有的特征。这些属丰富了节肢动物非三叶虫类群的形态特征类型，也使得独有特征的组合更加多样。（Whittington，1981a，331页）

“致命一击”在1983年由布鲁顿与惠廷顿共同发起。他们描述了个体较大的翡翠湖虫与林乔利虫，它们是伯吉斯节肢动物的最后两类，也是斯特默不可信的肢口亚纲中余下的最后两个成员。

翡翠湖虫（Emeraldella ）具有基本的“类肢口动物”构型，但同时另有一些独特的结构及组织方式。头盾十分典型，其上生有一对非常长的触角。触角朝上弯曲，并往后回折。触角后有五对头部附肢，第一对较短，为单枝型，后四对为双枝型（图3.51）。躯干前11节较阔，向后逐节渐狭，每节各着生有一对双枝型附肢；后两节呈圆筒状，末节后接一向后伸展的无关节长尾刺。

林乔利虫（Leanchoilia ）也有一些“类肢口动物”的基本外在特征。头盾呈三角形（前端略上翘，呈奇怪的“鼻”状），体节11节，第五节往后渐狭，弧度越来越大。尾刺较短，呈三角形，两侧边被有尖刺（图3.52）。林乔利虫有13对双枝型附肢，头盾后部两对，每体节各着生一对。

图3.51　翡翠湖虫的顶视图（A）和栖于底部的侧面观（B）。双枝型附肢的鳃枝非常小，由此可推测，这种动物可在海底行走。
图3.52　林乔利虫顶视图。可见头前大附肢上的三数鞭状延伸结构，以及体后的三角形尾刺。

但林乔利虫还具有伯吉斯节肢动物中最奇异、最吸引人的附肢。林乔利虫可能与阿克泰俄斯虫有亲缘关系，它的那对附肢好比后者头部正面结构的夸张版本。由于没有合适的术语，布鲁顿和惠廷顿借用幽鹤虫一处结构的名称，简单地将其称作“大附肢”。“大附肢”基部分为四节：第一节方向朝下，其后弯曲90度，方向朝前。第二节与第三节末端有长鞭状的延伸结构，该结构从中间至末端有环纹。第四节是一渐尖的杆状结构，端部背面是一组三数的爪，腹面延伸成第三根具环纹的鞭状结构。根据不同身体朝向的标本，可推断出这对大附肢的基部如同合页（图3.53），可以向前伸，便于动物栖于底质（图3.54），也可以向后折回，可能是为了在游弋时减少阻力。双枝型附肢的特征进一步证明了这种游弋的生活模式。与翡翠湖虫的长步行足与短鳃枝不同，林乔利虫薄片状的鳃枝很大，向外延伸，相互重叠，将较短的足枝完全覆于其下，像是一幕名副其实的帘子。

图3.53　两件林乔利虫标本的显微（投影）描绘图。“大附肢”标为Lga和Rga，其上的数字为各主要分节的序号。（A）大附肢向后折回，可能是游弋时的姿势；图中右侧一肢（Rga）平贴于身体，左侧一肢（Lga）方向朝下，可见肠道（或消化道，标为al）的痕迹，以及尾刺（tsp）。（B）“大附肢”向前伸展，为进食时的姿势。

图3.54　两个方向的林乔利虫视图：右边视图所示为游弋时的姿态，“大附肢”折回，鞭状触手结构向后伸展可延至身体之后；左边视图中，“大附肢”向前伸，便于动物栖于底部。（玛丽安娜·柯林斯绘图）

对“类肢口动物”所有属类的重新描述，促使布鲁顿和惠廷顿思量隐藏于相似外在构型之下的巨大差异——西德尼虫有一对触角，无其他附肢；翡翠湖虫也有一对口前触角，但在口后有五对附肢，一对单枝型，四对双枝型；林乔利虫无触角，生有非凡的“大附肢”，口后是两对双枝型附肢——多样程度仅从头部附肢的组织方式就可见一斑，而根据它可以推断出头部原有的分节模式，还有助于研究节肢动物的深层解剖学结构 [72] 。

伯吉斯曾历经的，是一个令人惊奇的实验尝试期。在那个时期，进化是那么灵活，从节肢动物“什锦袋”中抽取特征“把玩”的潜力如此之大，似乎所有可能的组合方式都可以拿来一试（并加以检验）。我们如今能识别区分明确的类群，是因为它们的形态之间存在着巨大的鸿沟。这些鸿沟的形成，正是因为那些实验尝试的大多数成果已经不复存在。“在后来，这些解决方案中的部分合并到一起，不再变化。而正因为如此，才使得现在的节肢动物可划分为我们所见的类群。” [73] （Bruton and Whittington，1983，577页）

一件来自“圣诞老爪”的礼物

被官僚系统牵绊固然令人沮丧，那种特有的滋味独一无二。但这种牵绊或许也会带来一个好处——人有时会被激怒，以至于另谋他路，反而在迂回中有所作为。就如古老的名言所训——莫为之失去理智，该寻思如何扯平 [74] 。迪斯·柯林斯曾对那种深深的牵绊报以最大的耐心，当得知到沃尔科特采石场发掘的许可申请最终还是被拒绝，仅获准在岩屑坡收集标本（且还有进一步的限制，手续几乎是没完没了的拖延）之时，他意识到，其实不必将兴趣死扣于伯吉斯，可以去他处 [75] 。

就这样，柯林斯开始在伯吉斯附近区域搜寻与之相似的地点，在那里，采集和挖掘是允许的。他的收获颇丰，在附近不止12处地方发现了软体构型动物的化石。大多数地点含有的物种也见于沃尔科特的采石场，但柯林斯也有一些十分出色的新发现。在沃尔科特采石场以南5英里（8公里）的一处地点（Collins，1985），柯林斯从低100英尺（约30米）的地层中收获了10年来最大的发现——一类头部有许多带刺附肢的大型节肢动物。柯林斯依野外工作的古老传统，为其取了一个昵称。就如沃尔科特管马尔三叶形虫叫“蕾丝花边蟹”，柯林斯管自己的发现叫“圣诞老爪”（Santa Claws）。他与德里克·布里格斯一道，在描述论文中为这一名称正名（Briggs and Collins，1988）。现在，“圣诞老爪”的正式命名为Sanctacaris （多须虫），差不多是一个意思 [76] 。

图3.55　多须虫。（玛丽安娜·柯林斯绘图）

多须虫的头盾形如球根，阔度大于长度，并向两边延伸为扁平的三角形侧突（图3.55）。其体部分为11节，前10节各着生一对双枝型附肢。体末是一叶阔而扁平的尾节。体部附肢具较大的薄片状鳃枝，体后有较阔的尾节——如此构型有助于身体的平衡，便于掌握方向。由此可以推测，多须虫可能更倾向于以游弋作为其行动方式，而非行走。

在多须虫头部，还有一套引人注目的头部附肢。前五对排列有序，协调一致，令人生畏。柯林斯为这一动物起的昵称，即源自这一特征激发的灵感。这些附肢为双枝型，各附肢外侧的一枝已退化成触角状的突起（无鳃的功能），内侧的一枝有关节，内缘生有一系列尖刺。这些在内侧的枝节集合到一起，在外观上便多了几分凶猛。它们是用于取食的枝节，第一对各枝分为四节，往后，长度逐渐递增，到第五对时，至少增为八节。第六对附肢与前五对十分不同，无论是从构成形式，还是从着生位置。它们着生在前五对之后较远的位置，而且生于两侧。尽管它们外侧的一枝在形式上也与触角相似，但较前五对取食附肢上的相应枝节要长出很多。内侧一枝较短，末端有一围呈辐射状的刺，令人印象深刻。这套附肢的鲜明特征表明，此类体形相对较大〔长可达4英寸（约10厘米）〕的伯吉斯节肢动物行主动捕食，为肉食性。

粗粗打量，可能会产生这样一个想法——哦，不过又一种“类肢口动物”，密生如林的头部附肢即是其独特的特化特征，就如哈贝尔虫有瘤状突起、西德尼虫有粗壮的步行足、林乔利虫有“大附肢”。想法虽然有点意思，但配不上我标榜的“10年来最大的发现”。

该想法并不正确，多须虫与众不同之处在于其分类学地位。这一概念令人震惊——多须虫似乎是一类真正的螯肢动物，且是这一支最早的成员，而这一支最终形成了鲎、蜘蛛、蝎子和螨类。多须虫具有这类动物所必需的六对头部附肢，但它们无一特化成独特的爪——螯肢。具有螯肢是该类群的定义特征，不过，某一类群在地质年代早期缺少某一结构，或许只意味着该特化结构还未形成，进化尚未发展到那一步。

除了头部附肢数目，布里格斯与柯林斯还指出其他几处属于螯肢类的衍生特征〔包括头部附肢与（螯肢类前）体部附肢的同源性，以及肛门的位置〕 [77] ，因而巩固了多须虫的分类地位。他们写道：

这些特征为螯肢动物所独有。然而，多须虫显然缺失所有螯肢动物都具有的高级特征——螯肢，除此之外，头部与躯干的附肢皆为原始的双枝型。这使得多须虫属在螯肢类中独立于其他所有类群之外，成为它们的原始姐妹群。（Briggs and Collins，1988）

现代螯肢动物的附肢为单枝型，头部附肢无外侧一枝（是的，蜘蛛的步行足全长在前体部，也就是头部），而躯干附肢无内侧一枝（不错，蜘蛛的鳃位于末体部，也就是身体部分）。在这一方面，多须虫包含了所有可能性，以待在后来特化谱系的形成过程中有选择地丧失，因而充当了这一大类群的结构前体。

但是，多须虫之所以令人兴奋，主要因为，在对伯吉斯节肢动物的根本性论证完结的过程中，它扮演了关键的角色。随着多须虫的发现，我们已在伯吉斯找到了节肢动物的四大类群——大量的三叶虫类、以加拿大盾虫为代表的甲壳类、以埃谢栉蚕为代表的单肢类 [78] （我也接受罗比森的诠释），以及以多须虫为代表的螯肢类。它们都在那儿，但那儿还有至少13支形态同样独特的其他谱系（或许还有更多有待描述）。在这13类中，有特化程度最高的伯吉斯节肢动物之一（如林乔利虫），也有最成功的动物（如马尔三叶形虫），至少在数量上如此。我就不信，任找一位古生物学家，若能让他回到那个地质年代的伯吉斯海洋，且不受现在已知结果的影响，他会认为娜罗虫、加拿大盾虫、埃谢栉蚕、多须虫将会成功，而认定死神会把马尔三叶形虫、奥戴雷虫、西德尼虫、林乔利虫带走。将生命的记录带倒回重演，结果是否会和我们已知的历史一样？

“怪异奇观”的未完乐章

在过去10年里，有关节肢动物的研究结果令人满意，同时，还有两类“怪异奇观”被解析出来。这两类的解剖学构型独一无二、各不相同，若我们不觉得赋予单一物种高级别的分类地位有何不妥，就值得为它们分别新拟独立的门类（Briggs and Conway Morris，1986，列有尚未研究的类似伯吉斯生物的名单）。在整个伯吉斯修订的宏大项目中，这两项研究或许最雅致、最有说服力。它们适合作为我这出戏的结尾，因为它们既符合理性和美学的要求，还能确保这出特别的戏有可以预见的结局。

威瓦西虫

我曾问西蒙·康维·莫里斯，为何选择威瓦西虫，并为研究这种复杂的古兽辛苦多年。他似乎乐意回答我的问题，坦诚地对我说，哈利·惠廷顿和德里克·布里格斯都推出了各自的“巨作”，他想证明，自己也有能力写出“秉承他人传统的严格意义上的专论”。（我认为他这番言语过于谦虚。西蒙在1977年和1979年分别发表的曳鳃动物和多毛类研究成果，都是内容详尽、货真价实的专论。但每一篇针对的都是多个属类，因而无法像惠廷顿对马尔三叶形虫那样，或像布里格斯对完美加拿大盾虫那样，针对某一物种展开详尽的探讨）而西蒙最开始选择的都是些“怪异奇观”，以至于只能分别加以论述，以篇幅短小的论文发表，或许这让他感到壮志未酬。无论如何，他对威瓦西虫的专论是一篇精美之作。它也是最初激起我写伯吉斯页岩（Gould，1985b）的兴趣来源。为此，西蒙，我再次向你致以最诚挚的谢意。

威瓦西虫是一种个体较小，扁平卵形（让人想起溪水中圆圆的鹅卵石）的生物，长约一英寸，最长可达两英寸。虫体结构简单，满覆被称为骨片（sclerite）的板片和棘刺，唯有腹面裸露在外，以便威瓦西虫在海底匍匐行进的间隙栖于底质。沃尔科特曾把威瓦西虫强塞进多毛类蠕虫的范畴，他误以为这些骨片在表面上与一些海洋蠕虫的结构相似。那是一种为人熟知的海洋蠕虫，学名Aphrodita （鳞沙蚕） [79] 和俗名sea mouse（“海老鼠”）给人的印象都与实物不同。但威瓦西虫身体不分节，也没有真正的刚毛（多毛类蠕虫的毛状突起），因而缺乏该类群的两大定义性状。它和不少伯吉斯动物一样，解剖学构型自成一体。由于标本在地层中处于被压扁的状态，使得骨片散布于岩石表面，乱作一团，这为重构威瓦西虫的工作带来非常大的困难。图3.56是最完整的一件标本的显微（投影）描绘图，以最佳身体朝向呈现，它表明那些难题已经被克服。西蒙对威瓦西虫的解析，是伯吉斯研究项目伟大的技术成就之一。

图3.56　（A）一件完整威瓦西虫标本的显微（投影）描绘图。可见被挤压扁平的骨片混成一团。图中字母为骨片的标签，例如R.d.sl1 （右上角标签）指背部右侧第一列骨片之一（sl代表骨片），L.sp.1 （左上角标签）指左侧的第一枚棘刺。（B）一枚格外有趣的骨片的放大图（在图A中位于左下方，与标签br.所指结构相邻）。一枚小的腕足动物（br.）附于骨片之上，在这只威瓦西虫生前即为如此。我们可以基于这一证据，重构出这一动物的生活模式。它不可能掘入底质，因为腕足动物不能在那种生活环境中存活。

威瓦西虫的骨片是重构的关键。它分为两种类型：一种是有平行脊纹的扁平鳞片，覆盖了身体的大部分；另一种是生于顶部表面的两列背棘，位于中轴两侧（图3.57、图3.58）。鳞片对称排列，井然有序，形式有三种：（1）顶部6～8列，大致平行且相互重叠。（图3.57A）；（2）侧面分为两个区域（图3.57B），在靠上区域的两列，各板片方向朝上，靠下的两列方向朝后；（3）每侧最底部的一列骨片呈新月状，构成被包裹的身体上部和裸露的腹部之间的边界。

图3.57　康维·莫里斯复原的威瓦西虫（Conway Morris ，1985）。（A）顶视图：两列棘刺的一列已被略去（可见颜色略暗的着生处），以便更好地展示骨片。（B）侧面观：左侧为动物前端。

在两侧最上一列骨片与顶面骨片边缘之间，各生有一列7～11枚细长的棘刺。棘刺方向朝上，一些标本上的还有断裂（发生于动物生前，而非被埋以后），由此可见，这一结构可能用于防避捕食者。

若推测动物活着时的身体朝向，可以根据近腹面的笔直肠道、裸露的腹面，以及背面向上撑出的刺来判定。除此之外，西蒙从内部解剖学结构方面找不出其他证据。但有一种内部结构，无论是对威瓦西虫的了解，还是对伯吉斯动物群的一般诠释，都十分关键。在离前端约5毫米处，康维·莫里斯发现了两个弧形的条状结构，各生有一列锥形的齿，齿形简单，齿尖朝后（图3.59）。靠前一条的两翼后缘各有七八枚齿，但前缘中间有一凹陷，后缘中央也没有齿状结构。靠后一条的弧度更大，前缘更平滑，后缘全是齿。这些结构或许与肠道底部相接，鉴于其形态以及处于动物前端的位置，将它们诠释为取食器官（如果您愿意，也可以将其称作颚部）似乎比较稳妥。

图3.58　威瓦西虫的运动方式应为在海底匍匐前行。（玛丽安娜·柯林斯绘图）
图3.59　威瓦西虫的颚部器官（Conway Morris，1985）。

为了收集所有证据并加以整合，康维·莫里斯把研究内容扩展到基本解剖学结构以外的范畴。他从生长、伤痕、生态环境、化石保存等各个方面提取宝贵的信息，从中寻找线索。个体较小标本的棘刺，或相对较小，或完全没有。因此，威瓦西虫就成为一个虫形随生长发生变化的例子，在伯吉斯极为罕见。有两件并置的标本，较小的一件呈皱缩状，被拉长，就好像大的个体刚刚爬出来，将旧皮——“空出来的外壳”留在身后。它们代表的似乎是一个个体的蜕皮行为，而非被泥石流叠加到一起的两个动物个体。在骨片上，偶尔会附有小型腕足动物的壳，这说明威瓦西虫曾匍匐于海底沉积物的表面，而非掘入其中，否则，它们身上那些搭永久便车的动物无法存活。从威瓦西虫棘刺的断裂方式可见，它曾遭遇捕食者，但有可能得以逃脱。小型棘刺偶尔也会出现在整齐一致的大型棘刺行列，说明棘刺在断裂后可以重生，或者有序地被替换（就如一些没有永久牙列的脊椎动物周期性地脱牙换齿）。威瓦西虫具有“颚”，表明它是通过刮挫海藻或在底质收集碎渣为食。

将所有的零碎线索拼合到一起，我们见到的威瓦西虫才成为一种完整的、生活自如的生物。它是一种植食动物，也有可能是杂食动物，在海底匍匐行进的过程中从沉积物表面收集的小型食物，以此为生。

但是，对于康维·莫里斯而言，那些信息可能引导他还原出威瓦西虫的生活模式，却没有让他从中发现说服力相当的类似线索，以表明威瓦西虫与其他类群生物有同源性。也就是说，不知其系谱关系如何。威瓦西虫既无刚毛 [80] ，身体亦无分节，所以既非节肢动物，亦非环节动物。有趣的是，颚与软体动物的一种叫齿舌（radula）的取食器官相似。但除此之外，威瓦西虫与蛤、蜗牛、章鱼以及其他现存或已灭绝的软体动物没有一丝相似之处 [81] 。若威瓦西虫的颚与软体动物的舌齿同源，那么，较之其他现代门类，软体动物门或许与威瓦西虫的关系最近，但可能也不会太近——威瓦西虫是伯吉斯另一“奇葩”。

奇虾

要展现伯吉斯订正的威力，没有哪个案例的故事比奇虾的研究历史更好了。这个故事里有幽默、犯错、挣扎、挫败，还有犯更多的错，最后发展到高潮，精彩绝伦的解析将来自三个“门类”的“零部件”组合到一起，重构出寒武纪最大、最凶猛的一种生物。

奇虾的拉丁学名是Anomalocaris ，意为“奇异的虾”。它是一种软体构型生物，但也具有足够坚硬的组成结构，因而能在普通的动物群中保存下来，这样的生物在伯吉斯为数不多（威瓦西虫的骨针 [82] 是另一个例子）。这也使得对奇虾的命名先于伯吉斯页岩的发现。第一件奇虾标本在1886年发现于著名的珓石虫三叶虫化石层，该地层就暴露在伯吉斯页岩旁边的山上。1892年，伟大的加拿大古生物学家J.F.怀特伊夫斯 [83] 在《加拿大科学记录》（Canadian Record of Science ）上发表了对奇虾的描述论文。他把这件标本当成一具头部缺失的躯干，属于一种类似虾的节肢动物。沃尔科特接受了这一标准观点，即该标本代表的是一类甲壳动物的后部，长轴为躯干，腹面的刺为附肢（图3.60）。查尔斯·R.奈特在其著名的伯吉斯动物群画作（见图1.1）里继承了这一传统，将奇虾与吐卓虫组合到一起，构建出一种复合生物。吐卓虫是一种双瓣壳节肢动物的壳，相应的软体结构缺失，因而成为替补奇虾未知头部的上佳之选。

但是，这件正式身负奇虾之名的权威标本，不过是我们这个故事的一部分。另有三部分皆由沃尔科特命名的结构，它们扮演的，才是这个复杂故事的中心角色。

1.西德尼虫是沃尔科特以其子西德尼命名的动物，是最先被正式描述的伯吉斯生物（Walcott，1911a）。这类节肢动物头部生有一对触角，无其他附肢。沃尔科特还发现了一件单独的节肢动物取食体肢，后来（Briggs，1979），德里克·布里格斯将之称作“F附肢”〔feeding（取食）的F〕（图3.61）。依沃尔科特的判断，西德尼虫是体形唯一大到能与这对附肢相配的伯吉斯生物。这一结构显现出的捕食特征，也十分符合沃尔科特对西德尼虫的概念期许——凶猛的肉食动物。就这样，沃尔科特在没有直接证据的情况下，就把“F附肢”与西德尼虫的头配到一起。布鲁顿在后来认定，西德尼虫的头盾没有足够的空间用来安置这一结构（Bruton，1981）。

图3.60　一种有分节的动物的局部，但在1886年，它被看作是奇虾（Briggs ，1979）。多年来，这件化石被认为是一种节肢动物的躯干和尾部，直到现在才被更正，它是寒武纪最大动物的一对取食附肢之一。
图3.61　布里格斯重构的“F附肢”（Briggs ，1979）。沃尔科特最初将其描述为西德尼虫的取食附肢，布里格斯的重新诠释认为它是一种巨大节肢动物的附肢，而根据最近的研究显示，“F附肢”实际上是寒武纪最大动物的一对取食器官之一。

2.沃尔科特第二篇论文（Walcott，1911b）的内容本与出自伯吉斯页岩的水母和海参纲动物（棘皮动物门的海参）有关，但他对这些生物的归类并不准确。他描述了五个属类。麦肯齐虫（Mackenzia ）可能是一类海葵，因而只是一类与水母同属一门的腔肠动物，但沃尔科特把这一属置于其他类群——海参。第二类实际上是类曳鳃类蠕虫（Conway Morris，1977d）。第三类，依尔东钵虫，在最新的重构中仍被当作一类特别的漂浮海参（Durham，1974），但我敢打赌，它最终还将是另一类伯吉斯“奇葩”。

沃尔科特把第四类命名为拉根虫（Laggania ），并根据单一标本，将之归为海参。他注意到口部的存在，并认为这一结构为一圈板片所围。该标本的保存状况不好，海参的显著特征已被抹尽。沃尔科特承认：“动物的身体已被完全压平，管足特征模糊，也不见腹面的鞋底状轮廓，同心环纹几乎被抹平。”（Walcott，1911b，52页）

3.最后被沃尔科特命名的第五属动物，是伯吉斯唯一的水母——皮托虫（Peytoia ）。他认为这一特别的生物由围绕着一个中心开口的32枚裂片组成。这一系列裂片可看作以四数排列，较大的裂片位于略呈方形的环形虫体的四角，相邻两角之间各有七枚较小的裂片。沃尔科特注意到，每瓣裂片朝开口中心方向有两个点状的突起，并将其解读为“口部附近结构（或为口腕 [84] ）的着生点”（Walcott，1911b，56页）。除了呈辐射对称，沃尔科特找不到水母的其他定义特征，既无触手，亦无同心的环形肌肉。皮托虫更像是一片菠萝，而非水母的伞盖体，有这些特征的水母一定是万分奇异的水母，但真正的水母无一有此特征。尽管如此，沃尔科特的诠释被广为接受。对伯吉斯动物群最著名的一次整体重构，是在惠廷顿及其同事的订正工作开始若干年后，发表于《科学美国人》杂志的一张想象图（Conway Morris and Whittington，1979）。皮托虫在其中的形象，似飞盘，似飞碟，也似菠萝片，从图的西侧游入场景（图3.62）。

图3.62　最为人熟知的伯吉斯页岩重构图，是康维·莫里斯与惠廷顿在1979年为《科学美国人》杂志撰文的配图。可见在掘洞的曳鳃类蠕虫，以及其他一些“奇葩”——包括足杯虫（17）、怪诞虫（18）、欧巴宾海蝎（19）、威瓦西虫（24）。其中存在一处重大错误，即从西边游入的两只像菠萝片形状的水母，它实为奇虾的口部结构。（选自西蒙·康维·莫里斯与H.B.惠廷顿文《伯吉斯页岩的动物》，1979年《科学美国人》公司版权所有，保留一切权利。）

现在，有谁想过，在一只虾的后部、西德尼虫的取食附肢、一只被擀平的海参，以及中间有一个洞的水母之间有什么联系，即使是在梦中？显然，谁也没有。把这四件物体拼成奇虾，完全是突如其来的震惊。这是一个有待改善的混乱局面，不是成功的解决方案。在成功之前，有过许多尝试，它们基本上都存在错误，但每一次都在故事发展过程中发挥了重要的连接作用。

奇虾曾是近来伯吉斯研究的攻关难点。在这一生物的秘密最终被揭示之前，西蒙·康维·莫里斯和德里克·布里格斯都在处理不同组成部分时犯过大错。一个人只要希望在科学领域获得重要或原创性的成果，就必须接受在工作过程中难免出现重大错误的现实。不过，以下三步，无论方向曾偏离过多远，都确实往成功的方向推进了少许。

1.1978年，康维·莫里斯采用惠廷顿析出立体结构的技术，对拉根虫进行了研究。现在，拉根虫不再是一类海参，它成了一类海绵。他用微型牙钻凿开这件独特标本的负模，在被沃尔科特鉴定为模糊不清的口部位置，发现了一“菠萝片”皮托虫。康维·莫里斯站在正确诠释的门槛上，但他做出了错误的估计。他也曾考虑过这种可能——这类被称作“海绵”的拉根虫并不是一种动物，而是皮托虫身体的一部分，这样，原来的皮托虫就成为一种奇怪水母的一个中心组成结构。但康维·莫里斯没有如此重构，因为他认为，几乎所有的伯吉斯生物都被完好地保存下来，不会处于支离破碎（组成结构分置于正、负模）的状态。他写道：“绝大多数伯吉斯页岩动物化石得以完好保存，因此，有理由做出以下结论——寒武纪拉根虫（Laggania cambria ）不是那托斯特皮托虫（Peytoia nathorsti ）的一部分，两者没有联系。在这里，我将它诠释为一类海绵。 [85] ”（Conway Morris，1978，130页）他认为两者合到一起，不过是伯吉斯泥石流后发生在沉积过程中的一起意外事故。他写道：“水母和海绵合到一起应是偶然发生的。叶足动物层由一系列浊积物沉积而成，有可能在位移停止后，两件标本沉积到一起。”（Conway Morris，1978，130页）

皮托虫和拉根虫之间的联系原出何因？康维·莫里斯对此做出了错误的估计。但他（名副其实地）牵上一线关键的联系，把构成奇虾的四件结构中的前两件联合到一起。

2.1982年，西蒙打算揭开皮托虫的神秘面纱。他把皮托虫称作“寒武纪最特别的水母之一”（Conway Morris and Robison，1982，116页），甚至在标题里用了“enigmatic”（神秘）的字眼。尽管西蒙对这一古兽的解析并不正确，但他对它与水母之间的亲缘关系产生了怀疑，所以，质疑的大门仍是敞开的。关于动物的中心开口，康维·莫里斯与罗比森做出如下结论：“这一特征不见于现存或已灭绝的刺胞动物，或许可以表明那托斯特皮托虫不是一种刺胞动物。它与其他门类的关系似乎更不明确。”（Conway Morris and Robison，1982，118页）

3.在“分摊”伯吉斯页岩任务之初，当时的奇虾，也就是怀特伊夫斯“原版”诠释的虾后部，是分配给德里克·布里格斯研究的。毕竟，它在当时被认为是双瓣壳节肢动物的体部。

1979年，布里格斯发表了这项任务的成果，重构结果的挑战意味十足。其中有两处重要发现，有助于对奇虾的最终解析。

第一，他发现“奇虾”是内缘有成对刺的一件附肢，而非腹面边缘着生有附肢的整个躯干。如果“奇虾”是一种生物的躯干，那么，在上百件标本中，总该有肠道的迹象；而且，至少在少许所谓的附肢上，应该有节肢动物的关节才对。

第二，他认为“奇虾”和F附肢（沃尔科特认为的西德尼虫的取食附肢）是同一基本结构的不同变形，或许就是一类。我们将看到，这一结论不那么正确，但布里格斯的辩词确实把与奇虾之谜有关的另两件结构集合到了一起。

布里格斯的重构虽然夺目，但除了这两点重要见解之外，基本上是错误的。他认为“奇虾”和F附肢皆为一类节肢动物的组成结构。据其猜测，“奇虾”为步行足，F附肢为取食结构，而动物本身体形巨大，体长可能不止3英尺（约1米）。他把论文的标题起作“奇虾，已知最大的寒武纪节肢动物”。

但是，这种重构甚至难以使布里格斯自己信服。还有很多谜团尚未揭开。没能找到能承载这些附肢的巨大体部，没有任何迹象，甚至连一丝痕迹都没有，为此他大伤脑筋。长达3英尺的结构会从软体构型动物群完全消失吗？布里格斯猜测，这些结构应以有机质薄片或薄膜的形式存在，但因缺乏可辨别的结构而被忽略。他写道：“加拿大奇虾（Anomalocaris canadensis ）体部表皮碎片在相当程度上无特征可言，它们个体较大，身份从未被确认过。但几乎可以肯定，它们就在斯蒂芬峰的碎石坡上，有待我们去发现。”（Briggs，1979，657页）布里格斯丝毫没有意识到，奇虾的体部早已被发现，在沃尔科特的时代就已被命名，只是身负拉根虫属“海参”之名，后来还被诠释为顶着水母的海绵。

在（惠廷顿参与的）加拿大地质调查局主导的考察中，有一件奇异的化石在雷蒙德的采石场中被发现，就位于沃尔科特的叶足动物层上方。这件巨大的标本身份不明，也可以说没有任何特征。惠廷顿将它收进抽屉，我想他大概是希望将之永久搁置，应和那句古老的陈词滥调——“眼不见，心不烦”。但他总惦记着这件特别的化石，它比伯吉斯页岩的其他生物大太多了。“我那时常打开抽屉，紧接着又关上。”惠廷顿如是向我解释。1981年的一天，他决定把这件化石凿开，希望能解析结构的一些细节。当凿入动物的一端时，他惊呆了，一件“奇虾”标本显然着生其上，明确无误（图3.63）。哈利把自己的发现告诉德里克·布里格斯，让德里克简直无法相信。凿开的对象确为奇虾，但是，西蒙曾做出水母（皮托虫）叠加于海绵（拉根虫）之上的诠释，或许这件标本也是泥石流将“奇虾”与其他什么动物缠到一起的意外结果。

图3.63　经哈利·惠廷顿解剖而显露出奇虾实质的标本。在这张显微（投影）描绘图顶部的中央（标为Pp），是口部，沃尔科特曾将它错当成水母——皮托虫。该结构上部的斜线（标为ve）表示岩石的裂痕。位于口部左边，中间一节标为j5的结构，在最初被称作“奇虾”，但实为可弯曲的取食附肢。图中还可见位于中央的肠道，或消化道（标为al）。

此后不久，惠廷顿与布里格斯对借自沃尔科特收藏的一系列标本进行了研究。这些石板上的模糊印迹和薄片，在相当程度上无特征可言，所以从未引起注意，即使标本包括顶有“皮托虫”的“拉根虫”体部。在研究期间，他们迎来关键时刻发生的一天。约10年前，曾有过另一个关键时刻，那是惠廷顿切开欧巴宾海蝎的头部（头盾）和（壳的）侧面没有发现任何（附肢）结构之时。这次就好像是那次的副本（counterpart，日常意思的副本，不是术语“负模”）——他们俩凿开标本，发现皮托虫和F附肢都是一种大型生物个体的器官。

他们从这伯吉斯最大的惊喜中平静下来，不断从其他石板上发现在一起的“皮托虫”和“F附肢”。哈利·惠廷顿和德里克·布里格斯逐渐意识到，他们通过一种生物解决了一众问题——皮托虫不是水母，而是一大古兽的口，着生于其腹面靠近前端的位置；F附肢不是一种节肢动物一系列重复的体肢中的一员，它们是单对取食器官的一部分。这对器官由两件“F附肢”组成，着生于这种新动物底部的前端，口部前方的位置。

但对于惠廷顿藏于英国的标本，在前方相应的位置着生的是（怀特伊夫斯的“原版”）“奇虾”，而不是“F附肢”（图3.63）。他进一步解剖这件标本，不仅发现了“皮托虫”的踪迹，还发现了另一只“奇虾”。这样，就形成了一对取食器官，着生位置与华盛顿标本的那对“F附肢”一致（图3.64）。

图3.64　经进一步解剖而显露出成对取食附肢的关键奇虾标本。这是另一块石板（正模），因而是如图3.63所示标本（负模）的镜像。可见口（标为p）和先前发现的一只附肢（标为j1-j14）。但现在发现了第二只附肢，这一结构在图中位于左下侧，在代表岩石裂痕的斜线之下。

所有拼板终于拼合到一起。四种反常的现象——一类没有头的甲壳动物、一对不合尺寸的取食附肢、一片中心有一孔的水母，还有一页被擀平的薄片，分类地位从一个门类变到另一个门类——它们被惠廷顿和布里格斯重构到一个属——奇虾属，成为两个物种。“拉根虫”就是那被擀平、扭曲的体部；“皮托虫”是由一圈有齿板片环围的口部，而非一系列有钩状结构的裂片；“奇虾”是一个物种（加拿大奇虾）的一对取食器官；F附肢是另一物种〔那托斯特奇虾（Anomalocaris nathorsti ），该名沿袭了那托斯特皮托虫的种加词〕的取食器官。生物命名的规则不容妥协，尊重最早的命名，所以Anomalocaris 仍为整个奇虾属的正式命名，肯定怀特伊夫斯1892年最初发表论文的贡献。不过，对于这个例子而言，强加的，是一个多么合适、多么有喜感的名字——“奇异的虾”，名副其实！

把原来叫“奇虾”的那件器官伸张开，长度即可达7英寸（约18厘米）。既然如此，整个动物的长度，会比伯吉斯页岩其他所有动物都要多出很多。据惠廷顿和布里格斯估计，最大的奇虾标本近2英尺（约0.6米）长，到目前为止，是最大的寒武纪动物。最近一张对整个动物群重构的图（Conway Morris and Whittington，1985），基本上可以作为1979年《科学美国人》版本（图3.62）的更新。在其中，原图里从西侧进入的形似菠萝片的皮托虫，被威猛的大型奇虾代替，而且被故意地安排从东侧进入（图3.65）。

图3.65　最近对伯吉斯页岩动物群的重构图（Conway Morris and Whittington，1985），可见新近诠释的奇虾（24），其体形远大于其他生物。还可见一些“怪异奇观”，如欧巴宾海蝎（8）、足杯虫（9）、威瓦西虫（23），以及一些节肢动物，如埃谢栉蚕（5）、林乔利虫（6）、幽鹤虫（11）、加拿大盾虫（12）、马尔三叶形虫（15）、伯吉斯虫（19）。

1985年，惠廷顿和布里格斯发表了对奇虾的专论。为20世纪古生物学最重要、最杰出的系列专论胜利地画上句号，这篇专论可谓般配。奇虾的头部呈长卵圆形，背面靠后两侧有一对大眼，生于略短的眼柄之上（图3.66），腹面靠前的位置有一对取食附肢，其后位于中线的位置，是口周缘的圈状结构（图3.67）。构成圈状结构的板片可以使口部有相当程度的开合，但无法使之完全闭拢（无论惠廷顿或布里格斯以何种方向重构，情况皆是如此），所以，口部可能是永久张开的，至少在一定程度上是。惠廷顿和布里格斯推测，奇虾的口或许如同坚果钳，待附肢将猎物送到开口（图3.68），便利用它将食物的结构钳碎。“皮托虫”口部圈状结构的板片内缘全部有齿，惠廷顿和布里格斯在一件标本中还发现了另外三排，它们叠在一起，与圈状结构上的齿平行。这三排齿状结构可能也与板片圈状结构相接，但也有可能是食道壁的延伸结构。如果是后一种情况，奇虾就好似配备了一套强有力的“武器”，在口和肠道前端皆有“部署”（图3.69）。

图3.66　已知的两种奇虾：位于左边的是那托斯特奇虾，从仰视的视角，可见曾被沃尔科特误当作水母的奇虾口部，以及一对取食附肢；位于右边的是加拿大奇虾，从俯视的视角，可见其游弋的姿态。（玛丽安娜·柯林斯绘图）
图3.67　奇虾底视图，显示取食附肢将食物送入口中的方式（Whittington and Briggs ，1985）。图中头部腹面左侧部分被略去，以显示着生于头部后三节之上的鳃。

图3.68　奇虾进食的可能模式。（A）那托斯特奇虾侧面观，上图为取食附肢伸展的姿态，下图为附肢卷曲，将食物送入口中的姿态。（B）同一姿态相应的正面观。（C）取食附肢卷曲，将食物送入口中的底视图，上图为那托斯特奇虾，下图为加拿大奇虾。

图3.69　被沃尔科特误当作水母皮托虫的奇虾口部。可见数排齿状结构从口中央延伸而出，它们可能是食道向前突出的结构。（A）标本照片。（B）同一标本的显微（投影）描绘图。

在头部腹面口后的位置，还生有三对高度重叠的叶状结构（见图3.67）。头后的躯干由11片叶状结构组成，各片大致呈三角形，顶角位于中线，方向朝后。该结构的尺寸以躯干中间的最大，并沿着前后两向逐渐递减。这些叶状结构的排列与头后方的三对相似，也是高度重叠。在每一结构顶面，生有若干层叠的片状结构，可能是鳃。躯干末尾短钝，无叶状结构，也无刺状结构。

没有体部附肢，就无法在底质行走或匍匐行进。惠廷顿与布里格斯重构的奇虾，是一类游弋能力很强的动物，但它并非“极速狂魔”，而是通过身体叶状结构协调的波浪状运动向前推进（图3.70）。因此，在功能上，重叠的侧面叶状结构与一些鱼类动物具有的大型单片侧鳍十分相似。现代蝠鲼（魔鬼鱼的一种）通过宽阔连续的鳍掀起波浪，使其在水中泳动，奇虾的运动方式可能与其相似。

图3.70　奇虾游弋姿态的重构侧面观（Whittington and Briggs，1985）。

人们可以对威瓦西虫和欧巴宾海蝎的行为方式做出合理的推测，对奇虾也不例外。毕竟，生物取食和运动的方式就是那么多种多样。但是，这种奇异的动物在系谱上的位置如何？它的取食附肢被当作节肢动物的组成部分，长达一个世纪。这对附肢有分节，也能让人联想到具关节足肢动物所属的巨大门类。奇虾的一系列叶状结构与取食附肢，是重复和分节等特征的体现。不过，这些特征并不局限于节肢动物，回想一下，环节动物、脊椎动物，甚至是软体动物活化石——新碟贝（Neopilina ），它们都有。而且，从奇虾的其他特征，也看不出它与节肢动物有什么联系——体部无分节的附肢，口部的结构更为独特，不仅不闭合，而且有板片环围而成的圈状结构，跟节肢动物门下哪一类都不像。即便是取食附肢，虽有分节的特征，但若细细比较，会发现它远远不同于节肢动物附肢的任一原型。惠廷顿与布里格斯在对奇虾的结论中写道，它是“一种有分节的动物，有一对具关节的附肢、一圈独特的颚板。我们不认为它是节肢动物，它代表的，是一个迄今未为人知的门类”（Whittington and Briggs，1985，571页） [86] 。

尾声

有关伯吉斯的研究工作还会继续进行下去，还有许多属类有待重新审视（不错，已有大量对节肢动物的专论，但那不过是已知“怪异奇观”的大致一半）。然而，出于种种原因，哈利、德里克，还有西蒙，他们都不再专注于这一主题的研究。上苍赋予我们从事某一职业的时间实在太短——如果从研究生攻读阶段开始算起，若身体保持健康，大概会有40年；如果走运的话，会达到50年。而魔鬼又夺取得过多——主要是政务缠身，除了处心积虑避而远之的人之外，谁也无法避免。（学术研究的世俗回报是加官晋爵，但同时也断绝了将来从事学术研究的一切可能）一个人也不会将整个生涯耗在一个项目上，无论它有多么重要、多么激动人心。哈利在古稀之年拾起他最初的兴趣，主持修订《古无脊椎动物学大纲》的三叶虫卷。西蒙在古生物学领域迅速崛起，他后来研究过一两个伯吉斯页岩的项目，但把主要兴趣推向更早的时期——寒武纪生命大爆发本身。德里克不断拓展的研究议题，则围绕着晚于伯吉斯时期的“怪异奇观”和软体构型动物群。

尽管科学时进时退、有盛有衰，但它毕竟是一项积累性的事业。这一代的伯吉斯页岩研究历程将由他人接着跑完。届时，会迎来带着新观点、配备新技术的下一代。布里格斯、康维·莫里斯、惠廷顿细致的工作显现出推动观念变革的巨大威力，正因为如此，只要人类最珍贵的传承——代代相传的智识血脉不断，他们的努力就会一直为后人纪念。

没有一种生物，或一句诠释，可以作为这出戏的收尾词，但我们必须对一个人某项工作的完结致以敬意。这出戏的收场白属于哈利·惠廷顿。言及伯吉斯专论，他在给我的信中，以其简洁直接的典型字句写道：“这些难免枯燥无味的论文或许流露出些许发现的兴奋之情——在标本制备的过程中，不时有新结构不期而至，那一时刻令人雀跃，也使这一研究引人入胜。”（1988年3月1日）“它是我曾参与的最激动人心、最引人入胜的项目。”（1987年4月22日）

注解：

[1] 　原文献记载的标志为undetermined，意为未明（Walcott，1922，192页）——译者注

[2] 　相关内容见第二章第三节第三部分——译者注

[3] 　即马尔三叶形虫——译者注

[4] 　实际上，分类表在下文还有延续——译者注

[5] 　上述四类除了前两类属于甲壳亚门（Crustacea），后两类分别属于三叶虫亚门（Trilobitomorpha）和螯肢亚门（Chelicerata）。参见有“关节肢动物分类学与解剖学结构”的插页内容（参见此处）——译者注

[6] 　两属更高级别的分类界定仍无定论——译者注

[7] 　我曾问惠廷顿，为何在他重新描述之前，有关研究那么少，要知道沃尔科特的标本一直都在史密森尼学会，可供研究。他引述了几种原因，无疑都能说明一些问题，但综合起来，又不足以解释这一令人好奇的事实。原因之一，在于沃尔科特的夫人。尽管她不拥有这些标本，也无支配它们的权利，却有较强的占有欲，不鼓励他人去研究。她对珀西·雷蒙德心怀怨恨，就是因为她觉得先夫刚于1927年过世，他就前往伯吉斯，再次采集标本。至于雷蒙德，他不是沃尔科特的狂热崇拜者，在他口中，沃尔科特是个“古生物学家大领导”。他觉得沃尔科特允许行政管理工作占用自己的所有时间，根本就没打算正儿八经地研究伯吉斯化石。对于雷蒙德而言，这样的评价极其尖刻，非同寻常。他本是个脾气好得不得了的人，熟识他的阿尔·罗默【Al Romer，应为在后文中被作者称为“编著的教科书堪称行业‘圣经’”的“上一代顶尖古脊椎动物学家”阿尔弗莱德·舍伍德·罗默（Alfred Sherwood Romer，1894—1973）——译者注】曾告诉我，他在家里的地位最低，不仅妻子和孩子，就连他家的狗都在他之上。他最大的喜好，是收藏锡器，这绝对只会给人留下一个不威猛的形象。沃尔科特在世的时候，没有其他人会研究这些标本，因为他一直希望能亲自完成正式的研究。由此，没有人敢于抢美国科学界最有影响力的人的风头。（这种成果拥有权的传统在古生物学界一直受到珍视，即便是名字在图腾柱上位置很低的科学家也不例外。发现就意味着拥有了描述的权利，这种专属的权利终身有效。）沃尔科特的夫人，怀着对他权利的留恋，设法使这种不让他人研究的状况，在他去世后仍得以延续。除此之外，据惠廷顿介绍，尽管伯吉斯的“模式”标本（为数不多、用于原始描述的标本）可以访问，但是，几乎所有材料都放置在了抽屉柜高层的抽屉中。如此一来，随意浏览变得不可能，因而失去许多古生物学研究的机缘。放置标本的大楼里在那时没有空调（现在装上了）。大多数古生物学家在大学里工作，只有在夏季才有一些自由时间。对于体验过我国首都七八月愉悦的人，还需要我说更多吗？！——作者注

[8] 　Y.O.福捷（Y.O.Fortier），即加拿大地质学家伊夫·奥斯卡·福捷（Yves Oscar Fortier，1914—2014），他曾在20世纪50年代和60年代领导过对加拿大北极圈的考察，并发现了重要的油气资源——译者注

[9] 　强调是我加注的——作者注

[10] 　其拉丁学名的种加词splendens ，意为“光彩夺目”——译者注

[11] 　古生物学行话，指清理岩石里的标本，并使之暴露出来——作者注

[12] 　姐妹群（sister-group），指拥有同一个祖先的唯有两个类群——译者注

[13] 　maxillula作为昆虫的结构，汉译为“颚间叶”，是全国科学技术名词审定委员会审定的标准名词，作为甲壳动物的结构，则被称为“第一小颚”。由于沃尔科特将伯吉斯的节肢动物全都归于甲壳类，译者在此采用“第一小颚”的义项——译者注

[14] 　即惠廷顿所言的第二触角——作者注

[15] 　这一器官显而易见，沃尔科特当然没有忽略。要将幽鹤虫归入鳃足动物，该器官独特的存在，就构成一个障碍。沃尔科特回避了这个矛盾，他认为“大附肢”是雄性的“抱握器”（clasper），换言之，就是在交配过程中用来抱握雌性的身体组成结构（许多鳃足动物都有）。但惠廷顿认定，所有标本都具有这一结构，从而推翻了沃尔科特的理由——作者注【惠廷顿1974年原文献中并无雌雄的定性描述，且相关表述为“绝大部分标本”，而非“所有标本”，详见该文献第6页和第14页——译者注】

[16] 　沃尔科特置于幽鹤虫属的物种有两种，分别为纤柔幽鹤虫（Yohoia tenuis ）与丰满幽鹤虫（Y.plena ）。惠廷顿意识到这两种区别甚大，从属于不同的属。丰满幽鹤虫有触角，实为一种叶虾（phyllocarid）。那是双瓣壳节肢动物，属于不久之后将由德里克·布里格斯负责研究的对象。惠廷顿将这一种从幽鹤虫属移出，为其另新拟一丰虾属（Plenocaris ）。【按惠廷顿1974年原文献，该属属节肢动物门软甲纲叶虾亚纲，但纲和亚纲的地位皆有存疑，且目和科一级的地位不明——译者注】纤弱幽鹤虫才是“奇葩”，所以它是1974年专论的主题——作者注

[17] 　斯诺德格拉斯（Snodgrass），即罗伯特·埃文斯·斯诺德格拉斯（Robert Evans Snodgrass，1875—1962），美国著名昆虫学家，其代表作《昆虫形态学原理》（Principles of Insect Morphology ，1935）被认为是英语世界中最为经典的昆虫形态学教科书——译者注

[18] 　本书原样照搬，即图3.20——作者注

[19] 　我认为，对于本书的故事整体而言，强调他的这一性格至关重要，也便于故事的讲述。因为，您可以从故事中了解到，惠廷顿对伯吉斯动物的重新诠释，完全源于证据的逐渐积累，水到渠成，而非由先入为主的欲望驱使，他从没想过以激进变革者的身份名垂青史——作者注

[20] 　卡里姆·阿布杜尔—贾巴尔（Kareem Abdul-Jabbar，1947—），美国职业篮球运动员，参加了20个赛季的美国男子职业篮球联赛（NBA），是常规赛得分的纪录保持者，在1996年入选NBA50大巨星，已于1989年退役——译者注

[21] 　英国古生物学家的顶尖行业协会。这些古生物学家谐谑地自称pale ass——“惨白的驴”。对于一个美国人而言，这般称谓显得更富有幽默感，因为在英格兰，这一名号只有驴子这一种意思（他们那儿管您背后的顶端叫your arse）——作者注

[22] 　即英国诗人约翰·弥尔顿（John Milton，1608—1674），其代表作《失乐园》（Paradise Lost ）广为人知。《快乐的人》（L ’Allegro ）及其姐妹篇《幽思的人》（Il Penseroso ）收录于诗人的《1645诗集》（Poems of Mr. John Milton，both English and Latin，compos’d at several times ），诗歌标题皆为意大利文。引用诗歌原文为“Haste thee nymph，and bring with thee \ Jest and youthful Jollity，…\\ Sport that wrinkled Care derides，\ And Laughter，holding both his sides”——译者注

[23] 　相对主义（relativism），按全国科学技术名词审定委员会审定的《心理学名词（第二版）》（2014）的相关解释，即“片面强调现实的变动性，夸大认识的主观性，认为心理学并不存在客观真理”——译者注

[24] 　痕迹性状（rudimentary character），指没有功能的祖先性状——译者注

[25] 　原文在此处出现的是Brachinecta ，经查其引用的原文献（Walcott，1912，169页），确定为笔误，实为Branchinecta ——译者注

[26] 　古生物学家A.M.西蒙内塔（A.M.Simonetta）来自意大利，其工作值得大提特提，远不止本书所限之篇幅。在沃尔科特之后，惠廷顿之前，他欲以一己之力，完成对伯吉斯节肢动物全面修订的庞大项目。他研究的是沃尔科特采集的标本，研究方法也与沃尔科特相同，认为这些化石实际上在岩石表面以膜的形式保存，而且也未曾打算对标本进行制备。因此，在他20世纪60年代和70年代发表的一系列文章里，存在着不少错误。但与此同时，他的工作较之前的不少研究有很大的改进。正是他全面的研究提醒了古生物学家——伯吉斯页岩的生物是多么丰富。既然科学是一个改正的过程，西蒙内塔所犯的错误，也是促成惠廷顿及其同事修订的重要原因——作者注

[27] 　缝隙（suture），即缝，指节肢动物中两骨质结构间的膜质分界线——译者注

[28] 　“希望钻石”，即Hope diamond，世界著名钻石，历史悠久，涉及诸多传奇。现名从其19世纪收藏人之一的霍普家族，故也可称作“霍普钻石”。现收藏于美国史密森尼学会，在其所属的国家自然历史博物馆展出——译者注

[29] 　自由放任经济理论学（laissez-faire economics），即提倡经济贸易完全不受政府干涉的学说。结构主义（structuralism）学说认为，人类外在的具体不同表现（如不同的语言、文化等）有其内在的抽象共有基础，并旨在揭示这一基础及与外在表现构成的联系结构。圣母无染原罪（Immaculate Conception of Mary）的信众认为，耶稣的外祖母安妮在孕育马利亚时，因上帝的干预，致使马利亚生来便无“原罪”，因而确保了将来马利亚之子耶稣的圣洁。这一教义并非来自《圣经》，而是由天主教教皇庇护九世于1854年正式纳入，信众局限于天主教徒——译者注

[30] 　针对我列举的最后一项，我的天主教朋友们可能会说——有，单个人即庇护九世（Pope Pius IX），具体日期为1854年12月8日。不过，教皇颁布的《莫可名言之天主》（Ineffabilis Deus ）通谕不过是那一统治体系的正式决议，之前的争辩长达上千年，没人能从其中挑出一个关键时刻。达尔文建立自然选择学说的过程漫长而纠结，霍华德·格鲁伯1974年的著作《达尔文论人》（Gruber，H.E. 1974. Darwin on man：a psychological study of scientific creativity. New York：Dutton.）中有更多的介绍——作者注

[31] 　英国作家乔治·奥威尔（George Orwell，1903—1945）1945年发表的中篇小说《动物农场》（Animal Farm ）中的典故——译者注

[32] 　众所周知，在比萨斜塔进行自由落体实验是伽利略的假设。历史学家普遍认为，这一实验从未付诸实施。有关其亲自登塔抛球的传奇，最早出现在其秘书为其而立的传记中，那时他已去世多年——译者注

[33] 　帕西法尔（Parsifal），德国作曲家理查德·瓦格纳（Richard Wagner，1813—1883）同名歌剧的主角，源自亚瑟王传说中关于圣杯（Holy Grail）的故事，是“圆桌骑士”之一，原为Percival，另作Parsival。在歌剧的故事中，守护圣杯与命运之矛（Holy Spear）的安佛塔斯（Amfortas），即亚瑟王传说中的渔夫王（Fisher King），在命运之矛被夺后，反为矛所伤，终生痛苦。唯有遇到身心纯洁、在将来可经怜悯开启心智的傻子，由他为其夺回命运之矛，进而将其治愈。帕西法尔亮相时，就是这样一个单纯的孩子。瓦格纳采用Parsifal的原因，是当时对Percival词源的误读。该解读认为，这一名字源自波斯语，拉丁字母写法即Fal Parsi，意为单纯的傻子。英国作曲家古斯塔夫·霍尔斯特（Gustav Holst，1874—1934）曾创作过一部名为《完美的傻子》（The Perfect Fool ）的歌剧，其中对包括《帕西法尔》在内的数部剧作多有揶揄——译者注

[34] 　吻突，即proboscis，在昆虫中通常被称为喙——译者注

[35] 　帕西·雷蒙德的相关研究发表于Raymond，P.E. 1935. Leanchoilia and other mid-Cambrian Arthropoda. Bulletin of the Museum of Comparative Zoology at Harvard College. 76（6）：205—230.——译者注

[36] 　作者此处所言的累积歌（accumulation song）也被称作accumulative song，是英国传统民谣的一种形式。这种民谣从第二段开始，每一段皆在重复前一段唱词的基础上添加一句。因此，越往后，篇幅越长。作者举的三例，有两首比较典型，“一只山鹑，就在梨树上”（a partridge in a pear tree）出自《圣诞节的十二天》（The Twelve Days of Christmas ），是“我的真爱”在第一天送的礼物。按1780年的版本，在第二段里，“圣诞节的第二天，我的真爱送给我，两只斑鸠，还有一只山鹑，就在梨树上”，依此类推，到第十二段，累积为“圣诞节的第十二天，我的真爱送给我，十二位雀跃的大人、十一位舞动的小姐、十位演奏的笛手、九位敲击的鼓手、八位挤牛奶的丫鬟、七只游水的天鹅、六只下蛋的呆鹅、五枚黄金的指环、四只乌鸫、三只法国母鸡、两只斑鸠，还有一只山鹑，就在梨树上”。《灯心草绿油油》（Green Grow the Rushes，Ho ）亦是从一累积到十二，列举的皆为《圣经》宣讲的物事，出现在首段的“一是唯一，永远是一”（One is one and all alone and ever more shall be so）之“一”指代上帝，末段出现的“十二”指代耶稣十二门徒。“一纸大头针”（a paper of pins）出自同名歌曲。大头针诞生之初成本较高，通常别在纸上销售，当时有男士以此做定情信物试探女方。歌曲后段重复前段唱词的绝大多数，但对前段的意见或建议给予否定或拒绝，因而不算严格的累积歌形式——译者注

[37] 　“行人太多，时间太少”（So many pedestrians，so little time）接下来的潜台词是“撞不过来”，可能源自美国喜剧表演家罗宾·威廉姆斯（Robin Williams，1951—2014）的笑话。多年以来，不时有人将这句话印上汽车保险杠贴纸，以示幽默——译者注

[38] 　诺曼·纽厄尔（Norman Newell），即诺曼·丹尼斯·纽厄尔（Norman Dennis Newell，1909—2005），美国地质学家，师从沃尔科特同事兼“权威版本传奇”（详见第二章末节）确立者查尔斯·舒克特及卡尔·邓巴（Carl Dunbar）。在哥伦比亚大学从事教学研究的30余年里，纽厄尔培养出包括本书作者在内的数位知名古生物学家——译者注

[39] 　即英国剑桥大学所属Sidney Sussex College，建院于1596年——译者注

[40] 　即爱尔兰都柏林大学所属Trinity College，建院于1592年——译者注

[41] 　一等学位（first degree），即First-class Honours degree，是英国本科学士学位最高的一个等级——译者注

[42] 　校外监审员（external examiner），英国高等教育体系里来自校外的学位授予监督人员——译者注

[43] 　伯尼·库梅尔（Bernie Kummel），即美国古生物学家伯恩哈德·库梅尔（Bernhard Kummel，1919—1980），以对早三叠世的研究著称——译者注

[44] 　鲍勃·巴克（Bob Bakker），即美国古生物学家罗伯特·托马斯·巴克（Robert Thomas Bakker，1945—），恐龙研究专家。与康维·莫里斯相似，他虽有激进的青春，后来成为知名古生物学家，但同时笃信宗教。此外，他还担任教职——译者注

[45] 　早已弃用——译者注

[46] 　即法国微生物学家路易·巴斯德（Louis Pasteur，1822—1895）的名言fortune favors the prepared mind，法文原文为“Dans les champs de l’observation le hasard ne favorise que les esprits préparés”——译者注

[47] 　作者用分别虚构了两个人名的形式Pearl Pureheart和Alvin Allthumbs加以形容，前者曾为系列动画《太空飞鼠》（Mighty Mouse ）采用，是主角老鼠女伴之一的名字，后者中的allthumbs意为指笨手笨脚——译者注

[48] 　卡休斯·克莱（Cassius Clay），即卡休斯·马塞勒斯·克莱（Cassius Marcellus Clay Jr.，1942—2016），拳王阿里（Muhammad Ali）的原名——译者注

[49] 　这几篇论文的篇幅多为10至20余页，相对动辄近百页的古生物学专论而言，确实较短，但较之不少研究型论文，其篇幅并不算短小——译者注

[50] 　牛津会议上因欧巴宾海蝎引发的笑声事件发生在1972年，既然西蒙和德里克就是从这一年起参与到哈利·惠廷顿的工作当中，我曾以为惠廷顿决定向前跨出一大步，断言欧巴宾海蝎的解剖学构型有自成一个门类的独特性，一定是受了这些学生的怂恿。剧本应当这么来写——冲动似火的年轻斗士们连拉带拖，将老顽固拽到令人兴奋的现代之光下。糟糕的剧本——它与复杂的现实大相径庭。西蒙的思想意识或许激进，但他绝对也精于描述解剖学。而且，谁要凭外貌就断定哈利是个“老顽固”，那么，他一定是个傻瓜，对天才气质的千姿百态一无所知。无论如何，三位主角都让我确信，哈利独自完成了对欧巴宾海蝎的诠释工作，在这一过程中，并没有激进者在一边恫吓或怂恿。导师对学生亦是如此，这当然也与剧本背道而驰。西蒙撰写那五篇论文时，哈利并未加以阻拦，也未通过频繁的指点予以协助。可以这么说，哈利在西蒙初试锋芒的过程中几乎没有扮演任何角色。他只记得自己出面干预过一次——那是在凿出怪诞虫体刺的过程中，哈利坚持让西蒙采用他的解剖技术，一直凿到刺在虫体上的着生处。这确为好到极致的建议，但不属于导师灌输的一般性教导——作者注

[51] 　干群（stem group）指在共同祖先类群与所有后代类群构成的一支中，先于现代类群、晚于共同祖先类群的相对原始类群——译者注

[52] 　鳍条（fin ray），指鳍上支持鳍膜的条状结构——译者注

[53] 　泳虾属已于2010年再次修订，基于90余件标本的复原形态与康维·莫里斯的结果有很大不同。订正的特征包括：背腹方向扁平、体部不分节、无矿质化的壳、头小、触手较长、颈腹面着生有中空的管状结构、轴向体腔内有一对鳃、两侧有鳍。详见Smith，M.R. and Caron，J-B. 2010. Primitive soft-bodied cephalopods from the Cambrian. Nature. 465：469—472.——译者注

[54] 　康维·莫里斯对其门类的定义为触手冠动物超门之下的未明门类（Conway Morris，1976b，200页）——译者注

[55] 　牙形纲现为Conodonta，Conodotophorida的名称用于牙形目——译者注

[56] 　齿谜虫属已于2006年再次修订，基于189件标本的复原形态与康维·莫里斯的结果有很大不同。订正的特征包括：整体卵圆形、两侧对称、两侧平行。前后两端形状与大小相当，各呈半圆形。腹面有口，有两排分为两段的齿状结构，着生于舌齿膜上。肠道直，由较大的胃、较狭的肠和位于近末端的肛门构成。有肌肉发达的腹足，两侧及后缘为本鳃（ctenidium）所围。详见Caron，J-B.，Scheltema，A.，Schander，S.，et al. 2006. A soft-bodied mollusc with radula from the Middle Cambrian Burgess Shale. Nature. 422：159—163.——译者注

[57] 　同功器官（analogy），指功能相同，外表类似，但来源和结构不同的器官——译者注

[58] 　大洋生物（pelagic organism），又称远海生物，指生活在远海大洋水层区和海底区的所有生物——译者注

[59] 　平行进化（parallel evolution），指具有共同祖先的两个或多个不同谱系的生物，因生活环境相似而获得相似性状的现象——译者注

[60] 　从Hallucigenia 显然可以联想到hallucinogen，即以LSD（麦角酸二乙基酰胺）为代表的成瘾致幻剂，在20世纪60年代的反文化浪潮中对西方青年的影响巨大——译者注

[61] 　“三足鱼”（“Tripod” fish），指炉眼鱼科（Ipnopidae）动物，文中的刺应为侧鳍和尾鳍的鳍条——译者注

[62] 　平足海参（elasipod）为棘皮动物门（Echinodermata）海参纲（Holothuroidea）平足目（Elasipodida）动物——译者注

[63] 　根据不断发现的新证据，怪诞虫属在后来再次经过修订，与康维·莫里斯的结果有很大不同。实际上，康维·莫里斯也没有正确识别动物的身体朝向。文中所指腹面实际上为背面，这一颠覆性的修订由中国科学院南京地质古生物学研究所与瑞士自然历史博物馆合作，在研究我国云南早寒武世澄江动物群的过程中完成，详见Ramsköld，L. and Hou，X.G. 1991. New early Cambrian animal and onychophoran affinities of enigmatic metazoans. Nature. 351：225—258。文中所述背面的一列触手，实际上是成对的，这是瑞士方作者后来前往史密森尼查看正模标本时发现的，在包括本书作者在内的研究人员的建议下，他发表相关论文，另修正1991年文中出现的几处问题，详见Ramsköld，L. 1991. The second leg row of Hallucigenia discovered. Lethaia. 25（2）：221—224。怪诞虫足末（文中的触手）的钳状结构为一对爪，详见Smith，M.R. and Ortega-Hernández，J. 2014. Hallucigenia’s onychophoran-like claws and the case for Tactopoda. Nature. 514：363—366。怪诞虫的头亦被解析出，大致形态为细长，有一对单眼，口内末端有辐射状骨化结构，前肠有针形齿状结构。在头部被解析之前，康维·莫里斯识别的前后朝向亦被颠覆，文中肛门方向实际为头的朝向，那一簇小触手，现在被认为是前三对纤细的足，未发现末端有爪状结构。根据目前的研究结果，怪诞虫属于有爪动物门，且属于这一类群的干群。详见Smith，M.R. and Caron，J-B. 2015. Hallucigenia’s head and the pharyngeal armature of early ecdysozoans. Nature. 523：75—78，在该论文的在线附加材料中，有自沃尔科特1911年以来对怪诞虫标本研究的总结简表——译者注

[64] 　我这样说，没有批评、爆料或揭丑的意味。新闻报道的传统与新闻行业扮演的角色相符。我只是指出，以各自不同的策略打量一个整体，所见所闻可能各有各的局限。就如一个已沦为陈词滥调的比喻所言——盲人摸象——其中每个人都以偏概全，错得十分有喜感——作者注

[65] 　对节肢动物口器组成的命名，与对脊椎动物大致相同结构的称呼一致，如下颚（maxilla）、上颚（mandible）等。与之相似，昆虫足的一些组成部分，也有着脊椎动物相应结构的名称，如转节（trochanter）、胫节（tibia）。不幸的是，这种命名有些混淆不清。那是因为，这些结构在两类动物中的功能无论有多么相似，相互对应的结构之间也没有进化的联系——昆虫的口器自足进化而来，而脊椎动物的颌由鳃弓（gill arch）进化而来——作者注【昆虫的下颚、上颚、转节、胫节的英文名称在人体中分别指上颌骨、下颌骨、转子、胫骨——译者注】

[66] 　我的这一句描述是多么简短！德里克·布里格斯在收到我寄给他的本书手稿以后，曾就本节内容回信给我。回信的内容有些意思，从中可以看出，在结论背后，历经的挣扎和付出的努力是多么艰辛。信中写道：“加拿大盾虫是我们找到的第一类甲壳动物……而在那时，我们本已不大指望那些节肢动物在现代类群中有所归属。加拿大盾虫为研究带来的难题，是头后附肢的证据难以寻找。（在千余件加拿大盾虫标本中，）只有三件以侧面朝向保存的标本可见这些附肢（几乎毫无例外地不清楚，或覆于外壳之下，或被挤压得面目全非），其中以USNM189017号标本质量最佳。从专论（Briggs，1978）图版5可以看出，为了让这些附肢显露出来，前期的制备任务十分艰巨。在我看来，图版中的图66至图69代表了对正模和负模联合制备所能达到的最高水平。我费了好大力气，才说服西德妮·曼顿（哈利的节肢动物知识“上师”），让她确信，我真的找到了关键证据。我当时觉得，能说服她是一项巨大的成就。（在节肢动物高级别的分类方面，曼顿是世界上最伟大的专家，也是一位铁娘子。）这不仅仅是寻到一个标本证据，它还表明，在10对成系列的相似双枝型附肢中，尽管前两对与后面跟着的（胸部附肢）没有显著的差别，形态也很原始，但它们（前两对）属于头部，说明这一点是有必要的。”——作者注【西德妮·曼顿（Sidnie Manton），即西德妮·米拉娜·曼顿（Sidnie Milana Manton，1902—1979），英国昆虫学家，皇家学会会士——译者注】

[67] 　分形（fractal）是一个数学术语，指将一个形状分割为若干个形状与其相同的更小部分——译者注

[68] 　哈钦森的相关研究除作者引用的Hutchinson（1931），另详见Hutchinson，G.E. 1969. Aysheaia and the general morphology of the Onychophora. American Journal of Science. 267：1062—1066.——译者注

[69] 　共同祖征（symplesiomorphic trait，或symplesiomorphy），指两个或两个以上共同祖先的分类阶元所共有的祖征（plesiomorphy，即与祖先特征相似的性状）——译者注

[70] 　眼叶（eye lobe，或palpebral lobe），根据《古生物学名词》2009年第二版，指固定颊上眼沟以外的近半圆形突起部分——译者注

[71] 　云南大学侯先光团队与日本和美国研究人员合作，对产自我国云南澄江早寒武世动物群的始虫化石标本进行计算机断层扫描，发现其神经系统特征与现代螯肢类相似。详见Tanaka，G.，Hou，X，and Ma，X，et al. 2013. Chelicerate neural ground pattern in a Cambrian great appendage arthropod. Nature. 502：364—367.——译者注

[72] 　此段引述原文献列举事实，但与原文献的引申不同。原文献保守地认为，尚不能确定上述三类动物的头部附肢数目是否能反映头部原有的分节模式，也无法推断在体段划分形成头部时失去多少分节，亦不可判断口前附肢的地位是主要还是次要（Bruton and Whittington，1983，576页）——译者注

[73] 　作者在此引用这句话与原文意图略有不同。作者引用的原文上下文是“… study also serves to illustrate the limited number of ways in which the Burgess Shale arthropods were equipped to solve the problems of feeding，locomotion and sensing. This makes recognition of distinct taxonomic groups difficult，since it was only later that certain of these solutions were fixed in combinations that allow the present arthropod groups to be recognized”（Bruton and Whittington，1983，577页），意为伯吉斯节肢动物解决取食、运动、感受等问题的方案有限，这为类群的明确划分带来困难，因为这些解决方案在后来集合到了一起，才成为我们划分现存节肢动物类群的标准——译者注

[74] 　“莫为之失去理智，该寻思如何扯平”（Don’t get mad，get even），实际上出自美国前总统肯尼迪之父老约瑟夫·帕特里克·肯尼迪（Joseph P. Kennedy，Sr，1888—1969）之口——译者注

[75] 　我跟所有人一样，秉守“生态”（无论是从本义，还是从“让自然保持自然”的政治引申）的理念。国家公园的完整几近神圣，我当然也认为应予以尊重。但地面上的化石没有任何价值。化石不是仅拥有原始之美的物件，或者自然景观的一个永久组成部分（对于那些暴露于采石场壁上的化石尤为如此）。如果化石布于地面之上，它或许已经破碎，或在下个野外工作节到来时，就已因冻胀而消失得无影无踪。对于伯吉斯页岩，控制得当的采集和科学研究是应当的，无论是出于理智，还是出于道德伦理方面的考虑——作者注

[76] 　Sanctacaris 前半部取自拉丁文sanctus ，意为“圣”，与昵称“圣诞老爪”相呼应，caris指蟹或虾。“Santa Claws”与Santa Claus（圣诞老人）同音，也有人将其译为“圣诞老人蟹”“圣诞老人爪”等——译者注

[77] 　布里格斯和柯林斯认为多须虫应属于螯肢类的特征有六个方面：1.至少六对头部附肢；2.头部附肢的性质；3.具有心叶（cardiac lobe）；4.体段划分的性质；5.肛门位置；6.尾节的性质（Briggs and Collins，1988，793页）——译者注

[78] 　有爪动物可能是埃谢栉蚕分类学地位的归属，但其自身所处地位仍存在争议。许多专家认为它是一个完全独立的门类，与单肢类的关系远近，跟与其他节肢动物类群的没有两样。如果这种方案是正确的，我在这里给出的理由就错了。不过，另有两大方案支持我的理由：第一种，是有爪动物应列于节肢动物门单肢类之下；第二种（也可能是更占优势的一种），是有爪动物不属于任一节肢动物类群，但与单肢类的关系最近。（后一种看法假定，节肢动物四大类群部分或全体的起源与有爪动物的不同，然而在系谱中单肢类形成的位置离有爪动物最近）——作者注

[79] 　Aphrodita 取自Aphrodite，即希腊神话中的爱神兼美神阿佛洛狄忒——译者注

[80] 　后来的研究发现部分骨片有刚毛的特征，但更多的新证据支持康维·莫里斯的看法。关于威瓦西虫的刚毛，详见Butterfield，N.J. 1990. A reassessment of the enigmatic Burgess Shale fossil Wiwaxia corrugata （Matthew）and its relationship to the polychaete Canadia spinosa Walcott. Paleobiology：287—303。关于分类地位的归属，详见Smith，M.R. 2012. Mouthparts of the Burgess Shale fossils Odontogriphus and Wiwaxia ：implications for the ancestral molluscan radula. Proceedings of The Royal Society B. 279：4287—4295——译者注

[81] 　软体动物中有一类鲜为人知的小类群——无板纲（Aplacophora），其蠕虫状的细长身体有时也覆有板片或骨针，因此确与威瓦西虫有相似之处，不过，康维·莫里斯还是在专论中列表详述了两者的区别——作者注

[82] 　骨针（spicule），在此处指威瓦西虫的鳞片和棘刺，即骨片（Conway Morris，1985，566页）——译者注

[83] 　J.F.怀特伊夫斯（J.F.Whiteaves），即约瑟夫·弗雷德里克·怀特伊夫斯（Joseph Frederick Whiteaves，1835—1909），但他生于英国牛津，19世纪60年代才前往加拿大，实为英国古生物学家——译者注

[84] 　口腕（oral arm），指水母底面中部伸出的臂状结构，数目与胃囊相等。上有刺细胞，用以捕食，并将猎物送入体内——译者注

[85] 　康维·莫里斯这篇论文的结论因此弃用拉根虫的学名，将之作为皮托虫的异名。把拉根虫的结构当作是一种海绵，并认为可能是沃尔科特命名的Corralio undulata ——译者注

[86] 　迪斯·柯林斯后来根据对新采集标本的研究，认为上文中的那托斯特奇虾并非奇虾属动物。其口部特征、眼的着生位置、体部叶状结构的内部构成以及尾部特征与加拿大奇虾有很大的不同。他将这一物种的命名恢复为寒武纪拉根虫，并认为两种动物都属于节肢动物，为之新拟一纲——Dinocarida（恐蟹纲），向下拟定一目Radiodonta（辐齿目）。到目前为止，这一物种不同于奇虾的观点已被广为认同。不过，尽管两种动物有一些节肢动物门的特征，但按目前的观点，这些动物仍不属于节肢动物门。在对赫德虾属（Hurdia ）的一些研究中，三类动物的化石得到了细致的比较，并得出结论，奇虾的取食方式可能并非利用取食附肢猎食，而是吸食。在这些研究中，那托斯特奇虾的命名被恢复为那托斯特皮托虫。尽管这一命名合乎物种命名的惯例，且被广为接受，但柯林斯的处理不无道理。拉根虫属与皮托虫属由沃尔科特在同一篇论文中拟定，但在文中拉根虫属正式定义的位置较皮托虫靠前（Walcott，1911b）。在由皇家安大略博物馆维护的伯吉斯页岩化石网站上，该物种仍置于寒武纪拉根虫的名目之下。有关柯林斯的重新诠释，详见Collins，D. 1996. The “evolution” of Anomalocaris and its classification in the arthropod class Dinocarida（nov）and order Radiodonta（nov）. Journal of Paleontology，70（2）：280—293。关于口部特征的比较及对取食行为的推断，详见Daley，A.C. and Bergström，J. 2012. The oral cone of Anomalocaris is not a classic “peytoia ”. Naturwissenschaften，99，501—504。有关相关类群的系统发生及分类地位，详见Van Roy，P.，Daley，A.C.，and Briggs，D.E.G. 2015. Anomalocaridid trunk limb homology revealed by a giant filter-feeder with paired flaps. Nature. 522：77—80；Vinther，J.，Stein，M.，and Longrich，Nicholas N.R.，et al. 2014. A suspension-feeding anomalocarid from the Early Cambrian. Nature. 507：496—499.——译者注

对伯吉斯“动物经”的总结陈词

基本定调——差异度登峰造极，抽灭紧随其后

在伯吉斯页岩，如果软体构型动物从未被发现，在那儿构成的，不过是一个稀松平常的中寒武世动物群，全部物种加起来，仅约33属。其中，海绵（Rigby，1986）和藻类还算丰富，其他的，仅包括7种腕足动物、19种具有硬体结构的普通三叶虫、4种棘皮动物，以及一两种软体动物和腔肠动物（Whittington，1985b，133—139页，其中列有完整名录）。加上软体构型生物，那个生物群的物种即增至约120属。这些具有软体结构的动物，有一部分属于主要已知类群。惠廷顿列出的曳鳃动物，确定的就有五种，另有两种疑似。此外，还有六种多毛类动物和三种具有软体结构的三叶虫（一种属于瓦皮盾虫属，两种属于娜罗虫属）。

然而，在刚刚收场的五幕戏剧里，着重强调的，是一个不同的主题。这个主题给我的启示，全部基于软体构型的动物。在伯吉斯页岩出现过的解剖学构型，有着很高的差异度，这一高度在后来再也没有被达到过，即使将如今全世界的海洋生物加起来，也无法与之匹敌。多细胞生命历史的主流是抽灭，在寒武纪生命大爆发迅速形成巨大的生物规模之后便开始了。在过去5亿年中发生的故事，是构型的减少，后来物种的规模壮大，不过局限于几种固有的构型。这一特点与我们偏爱的图说——“多样性不断丰富的圆锥”所暗示的有所不同，因为，构型的类别并没有变多，复杂性也没有增加。在新的图说中，多种构型先迅速形成，后来遭受抽灭，而且在各分类级别都有发生，因而显现出一种分形的特征。惠廷顿及其同事对伯吉斯页岩生物的订正，体现在自下而上的三个层次：

1.门以下的类群。就无脊椎动物化石而言，没有哪一类群的相关研究比三叶虫的多，或像它那样广为人知。三叶虫化石的骨骼一般已矿质化，骨骼本身虽多种多样，但全都符合同一基本构型。正因为如此，这轮研究的结论几乎是意想不到的——原来，该类群在早期有很多种构型。尽管娜罗虫具有软体结构，但根据头部一系列附肢的显著特征（口前一对触角、口后三对双枝型附肢），以及体部附肢“正确”的类型和分节数目，它无疑是一类三叶虫。但娜罗虫具有两瓣壳，与该类群常见化石的构型相去甚远。

2.门。要想体会一件事有多意外，首先得知晓所有可预见的常规情形——我们得有一条可供参考的基线。我发现，伯吉斯节肢动物的故事就十分满足这一评判条件。因为，新构型的发现，也使得该门类主要常规类群尽数到齐，就如旅店客房“客满”——一个都未空缺，因而构成一条完整的基线。所以，那些在节肢动物门下无以归属的伯吉斯节肢动物固然夺目，但该门类常规类群的伯吉斯代表也同等重要——“意料之中的如期而至，另有更多意外”，它应了这一主题的前半段。最近发现的多须虫，使得这一指派角色的花名册得以完成。节肢动物的四大类群在伯吉斯页岩都有了相应的代表：

三叶虫类——19种普通物种，外加3种软体构型物种

甲壳类——加拿大盾虫，或许锐目虾也算

单肢类——埃谢栉蚕（如若被正确地鉴定为有爪动物）

螯肢类——多须虫

但是，在伯吉斯页岩，还曾有过更多的解剖学构型尝试。它们形式独特、功能完备，只是与体现后来多样性的生物无关。它们之间有一些虽有联系，如阿克泰俄斯虫与林乔利虫有相似的前端附肢，但更多的，在分类地位上独一无二，特征不为其他物种所具有——它们是节肢动物门下的孤儿。

经过惠廷顿及其同事的专论研究，已有13种独特的节肢动物构型得以确认（表3.3），这些我们已在前文按专论发表的时序一一讨论过。但尚未描述的还有多少？惠廷顿在其“不可置于任何门类或节肢动物门下任何纲类”名目下罗列的物种有22个（且在不经意中遗漏了马尔三叶形虫）（Whittington，1985b，138页）。如此一来，产于伯吉斯页岩的节肢动物，除了涵括该门类的四大类群以外，以最乐观的估计，还有至少20类独一无二的构型。 [1]

表3.3　伯吉斯之戏：剧中角色（以出场序）

3.全体多细胞动物。节肢动物的故事有其尽善尽美的理性，尤其在基线的完全形成及随之对“奇葩”出现相对频次的肯定评判等方面。尽管如此，让我们极尽着迷的，却是伯吉斯页岩的“怪异奇观”。马尔三叶形虫、林乔利虫或许外观赏心悦目，令人惊喜，而欧巴宾海蝎、威瓦西虫、奇虾则是令人生畏——外观让人感觉不适，但也一样令人兴奋。

伯吉斯修订工作还确认了八种不属于任何已知动物门类的解剖学构型。按发表先后为序，所属动物分别是欧巴宾海蝎、泳虾、齿谜虫、足杯虫、阿米斯克毛颚虫、怪诞虫、威瓦西虫、奇虾。这份清单离完成尚远，种类当然也没有已发表的节肢动物类“奇葩”那么多。产自伯吉斯页岩的“怪异奇观”，已描述过的，最多也只有大致一半。这是一个无比“清奇”的范畴，有两个来源的清单，罗列了所有可能归为其类的生物。一份来自惠廷顿，他列举的“其他动物”有17种（Whittington，1985b，139页），我认为依尔东钵虫应被加入其中。另一份来自布里格斯和康维·莫里斯，他们列举的“产自不列颠哥伦比亚中寒武世的问题种类”有19种（Briggs and Conway Morris，1986）。由于不知这些“怪异奇观”之间系谱关系如何，也不知在解剖学构型方面有何联系，他们只有将这19种生物按学名的字母顺序罗列。

将来，伯吉斯页岩还会为我们带来什么样的惊喜呢？值得考虑的，有班夫虫（Banffia ），其名取自同名国家公园，该地比伯吉斯页岩所在的幽鹤国家公园名气更大。它是沃尔科特定义的一类“蠕虫”，前部有环纹，后部呈囊状，两部分差异如此之大，几乎可以肯定是一件“怪异奇观” [2] 。或者波特尔虫（Portalia ），这是一种体部中轴生有二叉触手的细长动物。或者波林格虫（Pollingeria ），一种鳞片状的化石，顶面有曲折的管状结构。沃尔科特将其诠释为一种大型生物的覆被板片，与威瓦西虫的骨片类似，而曲折的管状结构为与其共栖的蠕虫。不过，布里格斯与康维·莫里斯认为这一化石所代表的，是一种完整的生物。伯吉斯故事的基本形式到现在已基本清楚，但沃尔科特采石场的奇特宝藏并未全部重见天日，尚有更多有待发现。

注解：

[1] 　如果我想扮演魔鬼的代言人，与我自己的框架作对，我会说，我们断言20种失败者和4种胜利者所依据的标准，是错误的以今论古。从体段划分的模式看，现代节肢动物的差异度确实远远低于伯吉斯的时代，但为什么要以体段划分为基础，来定义节肢动物高级别类群的分类呢？几近微观的介形虫、陆生的等足类、浮游的桡足类、缅因的龙虾、日本的王蟹，把它们集合到一起，无论从个体大小，还是从对生态环境的特异适应比较，即使将伯吉斯的节肢动物全部算上，多样性也无法与现代节肢动物匹敌。而这些现代节肢动物全部属于甲壳纲，具有这一纲类固有的体段划分特征。如果让一位古生物学家生活在伯吉斯的时代，他应会认为节肢动物不够多样，因为他没有任何理由将体段划分的模式看作一项重要的特征（体段划分用于区分主要谱系的功效在后来才变得明显，而到那时，大多数谱系已经被抽灭，幸存的少数谱系具有高度的差异度，固有模式从此在它们之中形成）。

我认为这一辩词的力量很弱。如果以过于以今论古为由拒绝将体段划分作为分类标准，那么，有其他什么标准得出伯吉斯差异程度不高的推断吗？我们定义高级别类群，不是根据对生态环境适应的分化（蝙蝠与鲸皆为哺乳动物），而是基于基本的解剖学构型。根据这一标准，在伯吉斯，几乎每一属都自成一类。体段划分的模式在伯吉斯之后的时代的确稳定下来，但附肢的类型和着生方式亦是如此，而在伯吉斯时代，无论根据节肢动物构型的哪种主要特征界定，都得不到广泛稳定的类群——作者注

[2] 　对缩锥班夫虫（Banffia constricta ）的描述已于2005年发表，详见Caron，J-B. 2005. Banffia constricta ，a putative vetulicolid from the Middle Cambrian Burgess Shale. Transactions of the Royal Society of Edinburgh，96：95—111.——译者注

对伯吉斯生物系谱关系的评价

这本书的篇幅已经够长，我不能让它成为有关进化推断原则的抽象定义文本。不过，古生物学家是如何根据解剖学描述，构建出可能存在的系谱关系的？就此，我的确有必要再给出一些明确的解释。这样一来，大家才能理解，我那么多有关的言辞是有据可依的，并非孤立的权威指令。

伟大的动物学家路易斯·阿加西斯 [1] 创立的机构，不仅是我现在的工作单位，也是收藏雷蒙德采集的伯吉斯页岩化石的地点所在。阿加西斯为这个机构起的名字显得很特别，一直保留至今，让我们引以为豪。这个名字就是——比较动物学博物馆。（有如其同时代的人渴望流芳百世，他甚至明确要求，自己选的名字得永久保留，在他死后也不要变。）阿加西斯认为，实验和控制干预或许是科学的固有形象。但是，历史的产物极其复杂，不可重复，研究方法必然有所不同。对自然历史的重构，必须通过分析海量独特产物的异同来完成，换言之，即是以比较为手段。

进化和系谱推断基于对异同的研究及其内在的意义。然而，这项基础工作既不简单，也不明确。如果我们可以汇集一长串特征，看比较的对象之间有多少特征相似，多少不相似，然后鼓捣出一个数字，代表整体相似的程度，那就将进化关系与可测量的相似性等同起来，那么，我们就几乎能够启用“自动驾驶”模式，把一切基本工作全托付给一台计算机了 [2] 。

不过，这个世界从来就没有那么简单——幸好如此，谢天谢地！否则，无论如何，那种世界都会是一个令人失望的地方。相似性的表现有多种形式，有的会引导对系谱的推断，得出可信的结果，有的会引入陷阱，甚至危险的境地。有两种相似性存在根本的不同，我们必须严格加以区分：一种是从共同祖先那儿继承的共有特征；另一种是经不同进化路径产生的相同功能。我们把第一种相似性称作同源性（homology），通过它，可以追溯亲缘关系。我的颈椎数目与长颈鹿、田鼠、蝙蝠相同，（显然）不是因为我们头部活动的方式相同，而是颈椎七数为哺乳动物的祖先特征，几乎被现在所有的主要后代类群保留（树懒及其近缘类群除外）。第二种，我们将之称为同功性（analogy），它是追溯亲缘关系的障碍，最不可信，也最危险。鸟类、蝙蝠和翼龙的翅膀具有相同的空气动力学特性，但它们是独立进化形成的，因为这些动物任两类的共同祖先都不具有翅膀。区分同源性与同功性是系谱推断的基础工作。我们的原则很简单，只有一条：将同功性特征严格排除在外，只基于同源性特征构建系谱。所以，蝙蝠是哺乳动物，不属于鸟类。

谨守这一基本原则，我们就可以对伯吉斯页岩有更好的理解。奥戴雷虫尾部的叶突，在功能上与一些鱼和海洋哺乳动物极为相似，但奥戴雷虫显然是一类节肢动物，不是脊椎动物。奇虾或许可以利用侧部重叠的叶状结构掀起波浪而游弋，这跟有些鱼利用结构连续的侧鳍，或利用扁平的身体边缘相似。功能虽然相似，但结构的解剖学基础完全不同，因而对系谱关系的构建没有任何启示。奇虾仍是一类“怪异奇观”，跟脊椎动物的关系，不比与其他已知生物的更近。

不过，将同源性和同功性的特征区分开还远远不够。我们必须进一步，对同源性结构本身进行划分。鼠类和人都有毛发和脊柱，两种结构都是同源的，皆继承自共同祖先。如果我们要找一条标准，将鼠类和人在哺乳动物的系谱上聚为一群，可以用毛发这一特征，而脊柱根本帮不上忙。为什么呢？毛发作为标准有效，是因为它属于共同衍征 [3] ，作为脊椎动物的特征，仅局限于哺乳动物之内。脊柱帮不上忙，是因为它是共同祖征 [4] ，为所有陆地脊椎动物的共同祖先所具有，不是只有哺乳动物有，鱼类大部分也有。

如何将适当局限的同源性（共同衍征）与过于广泛的同源性（共同祖征）区分开，是我们在现代研究伯吉斯生物时所遭遇难题的核心 [5] 。例如许多伯吉斯节肢动物具有双瓣壳，还有许多具有“类肢口动物”的基本构型，即头盾宽阔，体部由很多短而宽的体节组成，末尾有一根尾刺。这两种特征，确实都算得上是节肢动物的同源特征——双瓣壳谱系的动物不是随随便便就独立地、缓慢地形成相同的复杂结构。但无论是具有双瓣壳，还是“类肢口动物”构型，都不能使那些伯吉斯节肢动物成为一组自洽的系谱类群，因为，这两种特征都属于共同祖征。

图3.71可以清楚地解释为何在构建系谱时应排除共同祖征性状。图中进化树所代表的谱系，到虚线所代表的年代时，已分化为三大群，分别标作I、II、III。图中的星形标志代表该处存在同源性性状。这一性状继承自年代久远的共同祖先（A），比如说前肢具有五趾。在不少分枝中，这一性状或已失去，或有所改变，难以识别。性状失去的发生，在图中以双箭头表示。可见在图中划定的年代，有四种（1～4）仍保留共同祖征性状。如果我们将这四种聚为有系谱关系的一群，就会犯最严重的错误——使得三个真正的类群被全部忽略，而从中抽出一些成员构建成一个错误的组合。因为，可能物种1代表马的祖先，物种2和物种3代表早期的啮齿类，物种4代表灵长目（包括人在内）的祖先。基于共同祖征性状聚类的谬误显而易见。 [6]

图3.71　一株假想的进化树，用于解释在定义系谱类群时要将共同祖征性状排除的原因。图中具有共同祖征的谱系和分枝点标为星形，双箭头代表该性状丧失。

但伯吉斯的问题可能会更严重。我在五幕编年史中，常提及装有很多节肢动物特征的“什锦袋”（grabbag）。假使像“具双瓣壳”那样的共同祖征所表现出的，与图3.71中标为星形的性状有所不同，并不构成连续传承的谱系；假使在这些无与伦比的尝试发生的早期，基因不稳定，那些性状可以在任一新的节肢动物谱系中重复产生——而不是经过缓慢的独立进化，形成相同的功用（如果是那样的话，就成为典型的同功性性状了），而是由于所有早期节肢动物的基因潜能，使得各谱系都能征用，并付之以外在表现。如此一来，在节肢动物的进化树上，像“类肢口动物”构型和双瓣壳那样的性状就会（在多支谱系上）一再出现。

我怀疑，这种奇怪的现象的确在伯吉斯页岩的时代普遍发生。重构伯吉斯生物的系谱如此不成功，我想是因为那里每一种物种的形成，都跟（远在四川菜馆风行美国，雅痞有机餐的出现以及其他美食革命发生之前）拿着一本巨大的老式中国菜单点菜一样困难——A栏的点一种，B栏的点两种。但像这样的栏目有很多，且各栏之下的名目也有很多。我们之所以可以将后来的节肢动物划分成不同的自洽类群，有两个原因：第一，在现存的谱系中，那种原始的基因潜能已失，因而也无法再形成潜在的主要特征；第二，大多数谱系已经灭绝，只有少数幸存者，在它们之间形成了巨大的断层（图3.72）。而这些少数幸存的谱系经过辐射 [7] （生物多样性大为丰富，但构型的差异度未变），形成互不相同的类群，即我们今天所知的门类和纲类。

图3.72　一株假想的进化树，所反映的生命历史观，源于对伯吉斯动物群的重新诠释。大多数类群因灭绝而不出现在虚线上部的空间，在幸存类群之间形成巨大的形态学断层。虚线代表的，就是伯吉斯页岩的时代。在那时，差异度的水平登峰造极。

我认为，当德里克·布里格斯在写到伯吉斯节肢动物分类之难时，也曾想到过这种模型——“每一（伯吉斯节肢动物）物种都具有独一无二的特征，而那些共有的特征又过于一般化，许多节肢动物都有。因此，这些物种之间的亲缘关系远不明朗，它们可能的祖先形式也不得而知。”（Briggs，1981b，38页） [8]

我还认为，这种“什锦袋”模型不只能解释伯吉斯节肢动物，还可以运用到对所有类型伯吉斯动物的解释中。否则，我们如何解释奇虾的取食附肢？它们的构成方式看似节肢动物，但从身体其他部分，看不出它和这个庞大的门类有什么亲缘关系。或许它不过是与节肢动物体肢功能相同的结构，是独立进化而来的，实际上没有节肢动物具关节结构的基因背景。不过，也可能是伯吉斯“什锦袋”里不仅仅有一个门类的特征，或许具关节结构的共同基因基础不限于节肢动物门。或许这种结构不过是可征用的大量潜在结构之一，不受限于后来现代门类之间难以逾越的鸿沟。所以，该结构可以出现在他处。根据这一结构，也推断不出该生物与节肢动物有近缘的系谱关系。如此一来，威瓦西虫的颚部（容易联想起软体动物的齿舌）和齿谜虫的取食器官（容易联想起许多门类动物的触手冠）的存在就容易解释了——它们可能都来自（有跨门类特征的）“超级什锦袋”。

“什锦袋”模型是分类学家的噩梦，但也为进化学家所爱。试想这样一种生物，它由100种基本元素组成的，每种元素又有20种不同的类型。现在有一个“什锦袋”，其中有100个分隔，每个分隔内有20种互不相同的珠子可选。一种新的伯吉斯生物形成，就像是一个“大串珠匠”的活计，只须从各个分隔随机抽取一粒珠子，然后穿到一起——搞定。简简单单，即能获得很多成功的尝试，就如只要一个音阶，便可谱写出许多上口的曲调 [9] 。然而，在伯吉斯之后，就不再如此了。在后来，“大串珠匠”用的是互不相同的几个“什锦袋”，上面分别标着“脊椎动物构型”“被子植物构型”“软体动物构型”等。而袋中分隔里的珠子比以前少得多，或许1号袋里的珠子也能出现在2号袋中，但这样的珠子不会有几个。从此，产生的新物种更有规矩，但不再像早期那么有意思，也不会有什么惊喜。“大串珠匠”不再是个属于多细胞的勇敢新世界的“熊孩子”，不会再像当时，在奇虾上藏点节肢动物的物料，往威瓦西虫上喷点软体动物的迷雾，把节肢动物和脊椎动物的特征整到泳虾上。

这跟古老的故事一样，合乎宗教的经典传统——年轻的刺头跟从理智——成为稳定构型的门徒。但从前的火花并没有完全熄灭，不时有新的热火在严格的遗传边界之内燃起。但或许他屈服于与生俱来的虚荣，或许他不能忍受这样一个念头的折磨——精彩绝伦的戏，如果演得太长，就会让写编年史的人失去兴趣。于是，他伸进标有“灵长类”的袋子，从1号分隔中取出代表脑部更大的珠子，组装出这样一个物种——会在拉斯科岩洞壁上绘画，制作出沙特尔教堂里的玻璃，最终能使伯吉斯页岩的故事得以破解 [10] 。

注解：

[1] 　路易斯·阿加西斯（Louis Agassiz），即让·路易斯·鲁道夫·阿加西斯（Jean Louis Rodolphe Agassiz，1807—1873），美籍瑞士生物学家、地质学家，对冰川研究有巨大贡献，是冰川学的奠基人。在动物学方面，他精于鱼类的分类，是哈佛大学比较动物学博物馆创立者，但因坚持神创论，反对达尔文的进化学说，提倡多祖论（polygenism，即认为各大洲的现代人由当地的直立人进化而来的假说），宣扬种族主义，而被后人诟病——译者注

[2] 　作者在此段对定量的讽刺已略显过时，定量分析已在该领域扮演相当重要的角色，手段的广度和深度都已远非当时可想象——译者注

[3] 　共同衍征（shared-and-derived character），即synapomorphy——译者注

[4] 　共同祖征（shared-but-primitive character），即symplesiomorphy——译者注

[5] 　此外，沃尔科特许多更低级的错误，犯在更基础的层次——没能区分同功性和同源性。例如，将威瓦西虫的骨片与多毛类的刚毛相混淆，将欧巴宾海蝎侧面的翼状结构当成节肢动物的体节——作者注

[6] 　这样，我们就可以朝着伯吉斯生物谱系解析的方向走出几步。首先，可以将基于同功性的相似性状排除掉，例如多毛类的刚毛与威瓦西虫的骨片。还可以将不能定义系谱类群的共同祖征性状排除，如具有双瓣壳、“类肢口动物”构型。但对共同衍征性状的确认，至今仍未尽如人意。不过，以前端附肢为共同衍征，或许能将林乔利虫与阿克泰俄斯虫聚为一类（或许包括始虫）。两侧有下表面着生鳃的翼状结构，或许是欧巴宾海蝎和奇虾的共同衍征，它们也因此成为唯有两种存在系谱联系的“怪异奇观”——作者注

[7] 　辐射（radiation），在此指同一谱系不同成员的分化形成——译者注

[8] 　技术脚注——已曾有过一些构建伯吉斯节肢动物支序图的尝试（Briggs，1993；待出版），但迄今为止，都十分失败，因为得出的可能结果不止一种。它们互不相同，不能自圆其说。如果“什锦袋”模型是正确的话，那么，每一新谱系的各个主要特征，皆源自一个由（形成特征的）潜在可能因素（基因型）组成的集合，它们的形成是相互独立的。因此，在那些（相似）特征的（外在）表现型之间，并不存在连续的传承联系。当然，把有些特征归结到一起，可以成为一个层层相套的（镶嵌或巢式）集合，它们之间可能确实存在一定的连续性。但它们是否为合适的（能构建系谱的共同衍征）特征，就很难判断了——作者注【括号中文字为译者附加。支序图（cladogram），根据《古生物学名词》第二版定义，即采用分支系统学原理和方法，以共同衍征为依据所得出的一种直观的等级分支图解——译者注】

[9] 　我为了表明观点，在此有所夸大。自然遵循井然有序的规则，不是任何可以想象到的组合都是合理的。而且，由于后生动物胚胎发育的限制，不是任意组合都能发育形成的。我使用这个比喻，只是想说，伯吉斯蕴含着巨大的可能——作者注

[10] 　拉斯科（Lascaux）是位于法国西南部多尔多涅省（Dordogne）的一个洞窟。窟内壁上和顶上有距今约17000年前的旧石器晚期岩画600余幅。沙特尔（Chartres）为法国北部厄尔·卢瓦省省会，以沙特尔主座教堂闻名于世。教堂的蓝色玻璃颜色独特，被称为沙特尔之蓝（bleu de Chartres），制作方法现已失传。包括伯吉斯页岩（现与加拿大落基山公园群一起）在内，三处皆被联合国教科文组织列为世界文化遗产——译者注

从伯吉斯页岩看寒武纪常态

伯吉斯页岩之所以令人着迷，主要在于人类认知的自相矛盾。在这个故事里，最夺目、最有新闻价值的部分，与最奇异、最陌生的生物有关。奇虾，身长两英尺（约0.6米），张开形同水母的圈状大口，要将三叶虫钳碎——这样的动物赢得头条，可谓实至名归。不过，人类的思维立足于熟悉。伯吉斯留给我们具有普遍性的教训，也扭转了我们惯常的生命观，正是因为该动物群的很多方面让人感受到鲜明的常规格调——其中的生物以平常的方式取食、活动；在生态学家的眼里，整个群落的功能构成与现代的无异；动物群的关键元素在他处也有。这让我们认识到，伯吉斯所代表的，是寒武纪的世界常态，而非只在不列颠哥伦比亚才有的怪异海洋洞穴。

在我的五幕编年史里，从头至尾，我都在强调，要全面诠释伯吉斯页岩，发现常规生物（甲壳类和螯肢类）和重构“怪异奇观”同等重要。如果我们把视界开得更阔，将该动物群看成一个整体，一个具有功能的生态群落，那么，这个主题甚至显得更加突出。对于伯吉斯动物群而言，只有将它看作一个整体，置于常规生态环境的背景之下，以全球范围的尺度考量，它那些奇异构型才有其意义。

捕食者与猎物：伯吉斯节肢动物的功能世界

1985年，布里格斯和惠廷顿联合发表了一篇精彩的论文，总结他们对伯吉斯节肢动物的生活模式和生态学的看法。（而他们过去几乎所有的专论工作都以解剖学和系谱关系为中心。）他们将这个动物群的所有节肢动物集合到一起，与现代动物群相比较，认为两者在一系列行为和取食方式方面是相当的。他们将伯吉斯的属类分为六个主要范畴：

1.捕食性与腐食性底栖动物。（底栖动物生活在海底，很少或根本不游弋。）这一大类群包括三叶虫，以及一些“类肢口动物”的属类，如西德尼虫属、翡翠湖虫属、臼齿山虫属、哈贝尔虫属等（图3.73D、F～K）。它们的体部都具有双枝型附肢，附肢的步行枝粗壮，第一对足枝的内缘具刺，朝向位于两足之间的取食沟。消化道（若能辨别的话）在前端开口方向向下回折，由此可见，食物从后向前传送，与大多数底栖节肢动物无异。强壮的刺表明，动物捕获的猎物或觅得的尸体相对较大，（有这种结构，才能更有效地将食物）向前传送至口边。

图3.73　伯吉斯节肢动物，各图比例尺相同，以示各种之间的相对大小（Briggs and Whittington，1985）。（A）奥戴雷虫、（B）帚尾虫、（C）埃谢栉蚕、（D）哈贝尔虫、（E）始虫、（F）翡翠湖虫、（G）臼齿山虫、（H）娜罗虫、（I）西德尼虫、（J）三叶虫类的拟油栉虫、（K）个体较大的软体构型三叶虫类——瓦皮盾虫。

2.沉积物摄食性底栖动物。（沉积物摄食性生物汲取水底沉积物的细小颗粒。它们一般通过处理大量的淤泥来获取食物，不选择大型食物，也不主动猎取。）能划入这一范畴的属类有好些个，例如加拿大盾虫属、伯吉斯虫属、瓦普塔虾属、马尔三叶形虫属等（图3.74E、H～J），主要在于它们的取食沟内缘刺状结构较弱，甚至缺失。这些属类中的大多数可能在水底沉积物上行走，或在其上的水柱中轻缓游弋。

图3.74　更多伯吉斯节肢动物，各图比例尺相同（引自Briggs and Whittington，1985）。（A）锐目虾、（B）丰虾、（C）林乔利虫、（D）鳃虾虫、（E）马尔三叶形虫、（F）幽鹤虫、（G）阿克泰俄斯虫、（H）加拿大盾虫、（I）瓦普塔虾、（J）伯吉斯虫。

3.腐食性及可能为捕食性的游泳底栖动物（nektobenthos）（游泳底栖动物生活在海底，既能行走，也能游弋。）这一范畴内的属类，如鳃虾虫属和幽鹤虫属（图3.74D、F），生活习性不以“底栖”为主，因为它们的双枝型附肢不具粗壮的步行枝。幽鹤虫头部有三对双枝型附肢，但体部的附肢可能是只有鳃枝的单枝型，用于呼吸和游弋。鳃虾虫体部有双枝型附肢，但步行枝短而羸弱。这些属类动物的附肢缺乏强壮的内枝，说明它们可能不从后向前传送食物。不过，这两属的头部有较大的附肢，其末梢有爪状结构。它们可能将零散的食物从身体前端直接送入口中。

4.沉积物摄食性和腐食性游泳底栖动物。林乔利虫属、阿克泰俄斯虫属、锐目虾属、丰虾属属于这个范畴（图3.74A～C、G）。它们与前一范畴的属类相似——体部附肢或无内枝，或羸弱，说明它们鲜于行走，也不从后向前传送食物；有适于游弋的强壮外枝：头部附肢可以直接获取食物。不过，由于前端附肢末梢并无强壮的爪状结构，它们可能不捕获大型食物，因而被认为有可能以沉积物为食。

5.悬浮物摄食性游弋动物。这一范畴很小，由奥戴雷虫属与帚尾虫属组成（图3.73A～B），它们是伯吉斯节肢动物中真正的游弋好手。它们的体部附肢或无步行枝（如帚尾虫），或具很短的内枝，不能撑出壳外（如奥戴雷虫）。它们的眼在伯吉斯动物中是最大的。或许两个属类都是猎捕小型猎物的滤食性动物。

6.其他。在分门别类时，最后一个范畴总会留给非同寻常的成员。埃谢栉蚕（图3.73C）可能是一类寄生动物，生活在海绵之上，并以之为食。始虫（图3.73E）的每一对步行足内缘都生有强壮的刺，不仅仅局限于第一节上的附肢，与取食沟相邻。布里格斯与惠廷顿推测，这些刺或许被始虫用来抓取藻类，或在腐食的过程中用以撕裂尸体。

在布里格斯与惠廷顿的这篇论文中，还插有两张精彩绝伦的总结图（图3.73、图3.74）。图中展现的每一属都位于各自可能的生境中，对它们的呈现遵从统一的比例，因而可以看出各属动物之间大小的实际差异。

以上六种类型，每一类都包含有来自不同谱系的成员，而这些范畴与现代海洋节肢动物的生态环境和生活模式相重合。因此，伯吉斯节肢动物构型巨大的差异度，并不是对早期环境简单响应的结果。出于某种原因，在机会基本等同的情况下，当时引发的解剖学构型尝试，规模要远远超过现存的类型。相同的生态环境，十分不同的进化响应，这一状况成就了伯吉斯之谜。

伯吉斯动物群生态学

1986年，在关于威瓦西虫的专论问世一年之后，西蒙·康维·莫里斯发表了他另一种类型的“巨作”——对整个伯吉斯群落的综合生态分析。文章一开始，就列出一些有趣的事实和数字。从伯吉斯页岩采集的石板有33520块，包含的标本约有73300件。约有90％的标本藏于（首都）华盛顿，是沃尔科特藏品的一部分。标本中，87.9％为动物，其他的几乎全是藻类。14％的动物具有贝壳状的骨骼，其他的皆为软体构型 [1] 。

这个动物群包含119属140种生物，37％的属类属于节肢动物。康维·莫里斯从中归纳出两类主要组分：（1）底栖或在近底部生活的物种，它们占绝大多数，是被泥石流带进这个滞流盆地的。大量的藻类需要光才能进行光合作用，康维·莫里斯由此推断，这一集群原本生活在浅水之中，水深或许还不到100米。他将这一组分称作“马尔三叶形虫—奥托径虫集群”，向在那儿最常见的两种动物致敬——最常见的行走于底质的动物（节肢动物马尔三叶形虫），以及最常见的潜穴动物（曳鳃类蠕虫奥托径虫）。（2）持续游弋的生物，数量要少得多。它们生活在滞流盆地之上的水柱中，因泥石流的到来，才与被带进的生物同埋一处。康维·莫里斯将这一组分称作“阿克泰俄斯虫—齿谜虫集群”，向自己发现的两类游弋型“怪异奇观”致敬。

他发现，伯吉斯的属类尽管奇异，解剖学构型的差异度也大，但若要按取食方式和生活环境来划分，它们都可以被归到常规的划分类别中。他将其依次分为四个主要类别：（1）沉积物摄食性收集者（大多为节肢动物），占标本数量的60％，占属类总数的25％～30％。（这一类别包括马尔三叶形虫和加拿大盾虫，它们是在伯吉斯页岩最常见的两种动物，因而从数量上看，极具代表性）（2）沉积物吞食者（多为具有硬体结构的软体动物门动物），占标本数量的1％，占属类总数的5％。（3）悬浮物摄食者（多为海绵，从水柱中直接摄取食物），占标本数量的30％，占属类总数的45％。（4）肉食性及腐食性动物（多为节肢动物），占标本数量的10％，占属类总数的20％。

传统的认识带有“进化即进步”的偏见，反映到图说上，即是多样性不断丰富的圆锥。在它的影响下，寒武纪的群落被认为不如后来者那么复杂，而且，相对而言，更加泛化。寒武纪的动物群被打上生态不够特化的标签，因而又被认为能占据广泛的生态位。其营养结构也被认为比较简单，以摄食碎屑和悬浮物的动物为主导，捕食者要么稀少，要么完全缺失。因此，如此重构的群落具有耐受广泛的环境压力、地理分布广泛、边界模糊等特点。

那是一个相对简单的世界——类似的种种看法在以前被广为接受。康维·莫里斯没有将它们完全推翻，他确实也发现伯吉斯捕食动物的攻击性和机动力不强。他写道：“看来，（伯吉斯页岩动物群的捕食者）在捕食（寻找并攻击）和威慑的方式方面，或许确实显著弱于相对较晚的古生代动物群。”（Conway Morris，1986，455页）

尽管如此，他这篇论文的主要启示，使伯吉斯页岩的生态状况显得更为平常，更像是世界在后来地质年代的样子。所以，一次又一次，每当要以软体构型的多寡来评判整个群落时，康维·莫里斯总会发现，这个群落比之前想象的要更丰富、更复杂。摄食碎屑和悬浮物的动物的确占据主导的地位，但它们占据的生态位并非高度重叠，并不是所有物种都简单地汲取可见的所有可食资源。实际上，大多数生物有特化的食性，对取食对象的大小和类型都有要求，且局限于特定的环境。悬浮物摄食者并非汲取水柱所有层次中所有类型的颗粒。和后来的动物群一样，不同的物种以阶梯式分层，形成多个互作繁杂的集群。（随着群落的分化，不同的生物类型特化到不同的阶梯式分层中，在水柱中形成低、中、高三个层次）最令人惊奇的是，捕食者在伯吉斯群落中扮演了主要的角色。生态金字塔的顶层不仅被其牢牢占据，而且发挥了应有的作用。早期的构型如此丰富，不能再说早期是个安逸的世界，选择压力低。所以，也不可能不存在奋力求存的达尔文竞争，因此也为稀奇古怪或者权宜之计的尝试打开了大门。康维·莫里斯认为，伯吉斯动物群“明确地显示，海洋后生动物在进化的早期，就已形成了基本的营养层次结构”（Conway Morris，1986，458页）。

康维·莫里斯得出的有关伯吉斯生态状况的结论，与布里格斯和惠廷顿关于（伯吉斯）节肢动物生活模式的结论相同。伯吉斯页岩的“生态剧场”是很平常的，康维·莫里斯写道，“现在或许已清楚，叶足动物层与相对较晚的古生代软体构型动物群，两者在群落结构构成上没有根本上的差别”（Conway Morris，1986，451页）。那么，为什么早期的“进化剧”又是那么与众不同呢？

从伯吉斯看早期全球广布的动物群

没有什么比取得辉煌成果更能有效地激发科学研究工作。最近有关伯吉斯页岩令人兴奋的研究成果，就激发了针对软体构型动物群和早期多细胞生命历史的研究热情。伯吉斯页岩在中寒武世沉积形成，紧随早寒武世著名的生命大爆发之后。但它只是不列颠哥伦比亚的一个小采石场，如果伯吉斯页岩动物群仅限于该地特有，且仅代表那一巨大（生命爆发）事件之后短短一刻，那么，伯吉斯页岩体现出的生命历史，就无关生命的全体。不过，过去10年里最令人兴奋的进展，即在于伯吉斯的属类在世界各地被发现，甚至出现在更早的岩层里。在我撰写此书之时，这一进展仍在继续，进展速度也越来越快。

最早的新发现显而易见，就发生在家门口。如果有一场泥石流从一个不稳定的山坡滚滚而下，形成了伯吉斯页岩，那么，在大约同一时期的附近区域，一定也发生过其他的泥石流。在前文中，我已讨论过，皇家安大略博物馆的迪斯·柯林斯率先前往该地，寻找与伯吉斯相当的地点，收获颇丰。在1981年和1982年两个野外工作季里，柯林斯在最初采集地（沃尔科特采石场）40公里半径范围内的区域里，发现了不止12处与伯吉斯页岩相当的地点。布里格斯与康维·莫里斯都参加了1981年的采集，布里格斯还参加了1982年的采集（详见参考Collins，1985；Collins，Briggs，and Conway Morris，1983；Briggs and Collins，1988）。

这些新发现的地点并非如同伯吉斯的复印件。尽管它们含有的生物基本相同，但组成比例往往相差很大。例如在最初的沃尔科特采石场中，马尔三叶形虫是最常见的物种，而在一个新地点，则踪迹无存。在这个新地点里，冠军是始虫，而在（最初的沃尔科特）叶足动物层，它是最罕见的生物之一，人们只采得两件标本。柯林斯还发现了一些新物种。其中包括多须虫，如前文所述，其特别重要之处，在于它是迄今已知最早的螯肢类节肢动物。还有尚未描述的一件标本，是“足上有毛的具刺动物，分类地位不明” [2] （Collins，1985）——又是一种“怪异奇观”。

最重要的是，柯林斯为沃尔科特的重大发现补充了最为难能可贵的主题——多样性和可比较性。在他新发现的地点里，包含有五个集群。它们之间，无论从种类组成，还是从数量考量，区别都较为明显，称之为互不相同的集群，可谓名副其实。在这些新地点的发现，还大大地扩展了富含化石的地层数量。当然，新增添的四个地层全都与叶足动物层的地质年代相近，不过，这些发现的重要启示是，伯吉斯动物群所代表的，是一个稳定完整的独立实体，而非早期进化巨变中的一个不可重复的时刻。

有一些基本上算是软体构型的伯吉斯物种，具有略微骨化的组成结构。这些结构可以在常规情况下形成化石，最典型的例子是威瓦西虫的骨片，还有奇虾的取食附肢。在相距甚远的别处，在不同地质年代的地层中，这样的物种已被发现过数次。但它们过于零星，不足以成为集群。不过，随着新的软体构型动物集群在远离不列颠哥伦比亚的美国爱达荷州和犹他州被发现，伯吉斯动物群作为一个完整的独立实体已是确凿无疑（有关皮托虫，详见Conway Morris and Robison，1982；有关奇虾，详见Briggs and Robison，1984；Conway Morris and Robison，1986）。在这个集群中，有节肢动物、海绵、曳鳃类、环节动物、水母、藻类及其他未知生物，共计40余属。它们大多尚未被正式描述，但约75％的属类在伯吉斯页岩也有。许多物种曾被认为在时间长河中仿似只存在过一刻，在广袤的空间里就像是一个点。现在，我们发现，它们地理分布广泛，在相当长的时间内曾稳定地持续存在过。康维·莫里斯和罗比森在写到最常见的伯吉斯曳鳃动物时，如是评论：“有一种动物，从前被认为具有独一无二的地理和地层分布，而如今在这两个方面皆已有了显著的扩展……丰奥托径虫在中寒武世大多数时期（可能约有1500万年）内都有发生，而且形态变化很小。”（Conway Morris and Robison，1986，1页）

不过，更令人兴奋的是，在年代更早的沉积地层中，也能发现不少伯吉斯动物群的组成类别。伯吉斯页岩形成于中寒武世，而现在生命起源的著名（生命）大爆发，就发生在之前的早寒武世。我们打心底里想知道——伯吉斯的差异度是否在大爆发的过程中就已达到？

即便在最近的一系列发现之前，就已有些发现可以支持肯定的回答。具代表性的，有在美国宾夕法尼亚州金泽斯（Kinzers）发现的早寒武世软体构型动物群，其中有类似伯吉斯动物的组成类别。另有在澳大利亚发现的一种疑似“怪异奇观”，在1979年发表的正式描述论文中，它被看作是一种环节动物。1987年，康维·莫里斯联合几位研究者发表了一篇论文，是对一个早寒武世中晚期动物群的初步描述。该动物群发现于格陵兰岛北部，与伯吉斯动物群极为相似，也是以不同于三叶虫类的节肢动物为主。数量最多的生物只有约半英寸长，具半圆形的双瓣壳。最大的动物长达六英寸，与伯吉斯的软体构型三叶虫——瓦皮盾虫相似。现存的标本质量不佳，而且用我们的行话讲，这个地区“难以到达（difficult of access）”。不过，康维·莫里斯明年将会去那儿，新的智识探险指日可待。现在，他与其合作者经过至关重要的考察，确认“伯吉斯现象”就形成于寒武纪生命大爆发过程之中：“至少有几种与伯吉斯页岩（生物）相似的分类阶元，它们的地层分布范围有所扩大，其生存的地质年代可回溯到寒武纪早期。这一事实也暗示，这些阶元是后生动物最初分化形成的一部分。”（Conway Morris，Peel，Higgins，Soper，and Davis，1987，182页）

我的同事菲尔·西尼奥雷（Phil Signor）知道我对伯吉斯感兴趣。去年，他寄给我一篇来自中国同行的论文单行本（Zhang and Hou，1985）。我不可能读懂（中文）标题，但其中的拉丁名让我眼前一亮——Naraoia （娜罗虫） [3] 。中国出版物上的照片通常效果不佳，不过，这篇论文所附的图版显示的标本明确无误，确为一种具有双瓣壳软体构型的三叶虫——伯吉斯的一个关键组分已经在半个世界之外被发现了。远远较之更为重要的是，张（文堂）与侯（先光）将化石的年代确定为早寒武世的早期。

这样的生物，虽然只发现一种，但已足以诱人速下结论。不过，要使结论更可靠，我们要发现能作为一个整体的动物群。在这里，我可以高兴地告诉大家，它（中国同行的收获）有可能是自沃尔科特以来最令人兴奋的发现，而在那之后，侯（先光）及其同事已经发表了六篇有关这个新动物群的论文。如果我前文（参见此处）所述寓言里的精灵在五年前回来，答应让我挑选一个伯吉斯式的动物群，不分形成的时间地点，那么，我想不出哪个能比它（在中国发现的新动物群）更好的了。在中国发现的动物群与不列颠哥伦比亚相隔半个世界的距离，由此可见，“伯吉斯现象”是全球性的。更关键的是，回溯新发现的形成年代，似乎可以深入早寒武世的初期。回想一下寒武纪生命大爆发的大致阶段：最初的时期（的地层），称作托莫特阶（Tommotian），这个时期只有一些骨骼化的零碎——“小壳形动物群”，三叶虫尚未形成；接下来是大爆发的主要阶段，（相应的地层被）称作阿特达板阶（Atdabanian），以三叶虫及其他寒武纪常规动物的出现为标志。在中国发现的动物群形成于阿特达板时期的第二三叶虫带，正好处于该时期的中心，接近寒武纪生命大爆发主要发生时期的开端！ [4]

侯（先光）及其同事所描述的，是一个类别丰富，保存完好的集群，其中有曳鳃类及环节动物门的蠕虫，一些双瓣壳节肢动物，以及三个具有“类肢口动物”构型的新属类（Hou，1987a，1987b，1987c；Sun and Hou，1987a，1987b；Hou and Sun，1988） [5] 。

进一步，“伯吉斯现象”可回溯到寒武纪生命大爆发之初。有一篇初步报道的论文（Dzik and Lendzion，1988），描述了在东欧地区的地层中发现的类似奇虾的动物，以及软体构型三叶虫。尽管地层的年代不能十分确定，但已能回溯到普通三叶虫出现之前。由此，我们确信无疑，沃尔科特在晚些时期的不列颠哥伦比亚地层中发现的，即是寒武纪生命大爆发本身的产物。那个时期离寒武纪生命大爆发开始，不过短短的三四千万年，而伯吉斯生物的差异度已经高得惊人。这个阶段相对较短，我们甚至不能认为这种差异度是逐渐累积的结果。爆发的主要过程就发生在早寒武世——如果在中国发现的动物群的种类确实如初步描述所暗示的那样丰富，那么，或许在那个时期，伯吉斯的所有类群即已形成 [6] 。伯吉斯页岩代表的，是寒武纪生命大爆发稍后稳定时期的产物。但是，是什么导致了后来的抽灭，形成了现代生命的模式——有限的解剖学构型之间的鸿沟，犹如被孤立岛屿之间的距离，而多样性的丰富只局限于岛屿之内？

注解：

[1] 　实际上，该论文并未在一开始即罗列数字，毕竟这些数字是该研究的结果之一，它们一般不出现在论文开头。尽管论文摘要的开头确有罗列数字，但并不是作者在此列出的准确数字。另外，沃尔科特的收藏在当时所占的比例约为89％。藻类在所有标本中的占比为11.3％，不明材料的占比为0.8％（Conway Morris，1986，434页）——译者注

[2] 　这一物种被称为“柯林斯怪物”（Collins’ Monster）。它与在我国发现的早寒武世澄江动物群的啰哩山虫（Luolishania ）、小石坝生物群的柯林斯虫（Collinsium ），在美国犹他州发现的Acinocrinus ，以及在澳大利亚南澳州鸸鹋湾页岩（Emu Bay Shale）发现的类似“柯林斯怪物”动物同属叶（状假）足动物类的啰哩山虫科（Luolishaniidae），详见Hou，X.G.，Siveter，D.J.，and Siveter，D.J.，et al. 2017. The Cambrian Fossils of Chengjiang，China：The Flowering of Early Animal Life，Second Edition. Hoboken：Wiley-Blackwell，pp.150——译者注

[3] 　我国云南澄江寒武纪生物群第一个被描述的物种长尾娜罗虫（Naraoia longicaudata ）已被修订为长尾周小姐虫（Misszhouia longicaudata ）——译者注

[4] 　寒武纪形成的地层现分为四统（series），距今从远到近分别为：纽芬兰统（Terreneuvian）、第二统（Series 2）、第三统（series 3）、芙蓉统（Furongian）。其中，纽芬兰统和第二统处于早寒武世，第三统和芙蓉统分别与中寒武世和晚寒武世相对应。此外，寒武系可细分为10阶，例如，第二统即由第三阶和第四阶构成。但另有地层细分系统，将寒武纪分为11阶。在这一系统中，第二统分为三阶，分别为阿特达板阶、波托米阶（Botomian）和图央阶（Toyonian）。文中提到的我国澄江生物群，其发现地帽天山页岩形成于阿特达板阶，即属于（早寒武世）第二统、第三阶；更早的托莫特阶则属于（早寒武世）纽芬兰统、第二阶；伯吉斯页岩的年代属于（中寒武世）第三统、第五阶〔莫洛多阶（Molodian）〕。三叶虫带（trilobite zone）是以三叶虫为标志化石（index fossil）对寒武纪的断代划分——译者注

[5] 　截至2015年，澄江化石堆积库中已鉴定的物种已不止250种，涵括了众多主要动物类群，详见Hou，X.G.，Siveter，D.J.，and Siveter，D.J.，et al. 2017. The Cambrian Fossils of Chengjiang，China：The Flowering of Early Animal Life，Second Edition. Hoboken：Wiley-Blackwell，pp.288——译者注

[6] 　澄江生物群包含在伯吉斯页岩发现的所有类群，因此，这一假设已得到证实——译者注

伯吉斯页岩的两个重大难题

对伯吉斯页岩动物订正的结果，暴露出生命史的两个重大难题。两个难题一前一后，把伯吉斯动物夹在中间，一副对称的势态。通常认为，进化是一个漫长平稳的现象，那么，第一个难题——差异度何以迅速地提升到伯吉斯的程度？如果现代生物是伯吉斯生物历经抽灭的后果，那么，第二个难题——是解剖学特征的哪些方面、功能的哪些属性、什么样的环境变化，决定生物孰存孰亡？简而言之，第一个问题有关起源，第二个有关生存及繁衍的命运不一致。

从种种角度看，对于进化理论而言，第一个难题要有意思一些。先不论其他，如此差异度能得以形成，本身就是一件不可思议的事。它是如何形成的呢？至于那些谱系在后来是否能枝繁叶茂，相比之下，已显得不那么重要。不过，第二个难题才是本书的主题。因为，伴随伯吉斯动物群遭受抽灭，一个新的问题显现出来，而我希望借由这个问题阐述历史的本质。我的假想实验是倒（生命记录）带重演生命，每次重演之前，先倒回伯吉斯时代。那时，抽灭尚未发生，伯吉斯动物群如当初一般完整，差异度处于最高的水平。我要考察的问题是，每次重演从同一起点开始，经过若干次相互独立的抽灭，留下的类群是否与现实中的相同，构成的生命历史是否与我们这个星球所目击的一致。因此，我应该无所顾忌地绕开第一个难题——不过，如果不是因为该难题潜在答案的一个方面对（事关不一致命运的）第二个难题的解答至关重要，我也不会（在下面）简要地给出解决前者的可能方案。

伯吉斯动物群的起源

伯吉斯动物群的差异度极高，是生命大爆发所致。大爆发的成因，从进化学的角度解释，主要有三种。第一种较为常见，见于几乎所有发表的有关论述中，不是因为它有多在理，而是在很多时候没有更好的解释。后两种观点代表了近来的进化思潮，且具有共同之处。要把问题解释清楚，这三个方面都得涉及，对此我没有多少疑问。

1.生态之桶首次装盛。依达尔文的理论，通常是“谋事在生物，成事在环境”。生物以基因变异为内在形式，提供原材料，外在表现为形态学特征的差别。对于一个种群而言，如此差别在任一时间都不大。而对于上述基本理论而言，更重要的是，这些差别没有明确的倾向性 [1] 。（与简单的变异相反，生物）进化式的改变，由外部环境（既包括所处的物理环境本身，也包括与其他生物之间的互作）导致的自然选择所驱动。既然生物只提供原材料，而且，生物若以达尔文理论提出的那等速率发生改变，这种（基因变异的）原材料往往又是绰绰有余，那么，环境就成了调控进化速率及广度的马达。如此一来，既然寒武纪生命大爆发时的（进化）速率达到了最大，按照通常的理论推断——当时环境必有异常。

是什么样的环境异常导致了寒武纪生命大爆发的发生？我们会想到一种显而易见的解释——寒武纪生命大爆发是生态之桶首次装盛多细胞生命。那是一个机会多得无与伦比的时期，几乎什么都能在其中找到一个位置。生命在空阔的空间里尽情辐射，犹如一个细菌细胞落在一皿琼脂培养基上，可以以对数速率增殖。那是一个独一无二的时期，躁动且充满活力，唯有那次，（对不同构型的）尝试主宰着一个完全没有竞争的世界。

依达尔文的理论，竞争是一个重要的调控因素。达尔文将世界比作一根满插一万枚尖劈（wedge）的木头。每一枚尖劈代表一个物种，它们被并排锤入木中，将木头占得严严实实。如果一个新的物种想进入那个拥挤的世界，就只能钻入缝隙，步步为营，将已存在的一种挤掉——多样性因而得到自我调控。寒武纪生命大爆发，就好比用尖劈占满一根（新）木头，后来所有改变的发生，不过是一个缓慢的竞争置换过程。

达尔文的这种观点同时也表明，空桶模型显然不能用来解释寒武纪生命大爆发的原因。自寒武纪以来，生命经受过数次惨烈的大灭绝事件。在二叠纪的灾难中，至少95％的海洋物种从此灭绝。然而，伯吉斯现象再也没有发生过，生命的差异度没有爆发性地增长。的确，在二叠纪大灭绝之后，生命的种类很快又多了起来。但是，没有新的门类出现。在腾空的地球上，重新占满它的，是解剖学结构局限于既有类型的生物。毕竟，寒武纪早期和二叠纪以后的状况有很大的不同。5％的幸存率或许不算高，但是，在二叠纪的灾难中，并没有哪种生命模式完全灭绝，也没有哪种基本类型的生态环境完全消失。那根木头上还有尖劈，即便是劈尖的角度变得更钝，或者两两之间的间隔变得更远。换个比方，就是在那时的生态之桶里，所有的大球都还在，只是它们之间的空隙需要用小石子重新填满。寒武纪（大爆发之前）的生态之桶则有所不同，它完全是空的，或者说，那根木头丝毫未损，伐木人的锤子还未落下，情人的小刀也尚未在上刻画（另见Erwin，Valentine，and Sepkoski，1987，其中有对这一基本议题有趣的定量性讨论）。

这一常见的观点在所有关于伯吉斯的文献里都有提及，并不是作为一个可以被伯吉斯的证据明确支持的热议论点，而是作为所有人都会对传统解释致以的应有敬意，在对一个不会引起我们强烈关注的议题加以旁注时用上。“不太激烈的竞争”成为如此诠释的中心词。例如惠廷顿就写道：

假使那时的海洋环境多样，食物和空间充足，头回被这些新来的动物占据，而且，与后来的时期相比，竞争不太激烈。在这样的情况下，会进化出许多新的方式，涉及感受环境、获取食物、运动、形成硬体结构，以及行为（如捕食与腐食）。因此，不同特征的多样组合是有可能形成的。奇怪的动物由此会产生，在伯吉斯页岩所见的那些在我们分类系统中无以归属的动物，即是它们当中的一些所留下的残迹。（Whittington，1981b，82页）

康维·莫里斯也支持这一传统观点。在与他的交流中，我为（在后文将要讨论的）非传统的其他见解辩护。他对此做出回应，在其中写道：“我认为，生态环境可能已足以致使我们所见的形态特征多样性形成……所以，或许可以将寒武纪大爆发看作‘生态开放’的一个巨大实例。”（1985年12月18日通信）

这一论点太在理，实在推翻不了。“生态空桶”是形成伯吉斯高差异度的主要贡献因素，在生物满斥的世界里，那种生命大爆发从不可能发生。对于这些观点，我没有丝毫的怀疑。但是，若要说外在的环境状态能解释（生命大爆发）这一现象的全部，我一分钟也不相信。我对自己这一直觉的辩词立足于尺度。寒武纪生命大爆发的尺度太大、太与众不同，而且太特别。如果生物一直都有形成如此多样性的潜力，那么，我简直不能相信，只有在早寒武世的奇异生态环境里，它才获许成为现实，而在伯吉斯之后，再也没产生过新的门类，连一个都没有。不错，世界再也没有像那样空阔过，但在局部，还是有过相似的情形。从大海里新隆起的陆地如何？头回被新类群入侵的岛屿大陆又是如何？它们不是大空桶，但至少算是小空碗。我不得不相信，寒武纪时期的生命和环境与现在大不相同。我同时也认为，要解释生命大爆发和之后沉寂的原因，生物内在有机潜能的变化与外部生态环境的改变同等重要。

在各自进化变迁方向的形成过程中，生物自身发挥着积极的作用（而非仅仅为自然选择的马达提供原材料），这样的观点在近来日益流行。传统达尔文主义的严格范式已有所松动，但其巨大影响和正确性并未被动摇。进化是内在和外在因素的对话，不是生态环境将可塑的结构推进一个运行良好的世界里，让它们在其中占据可适应的位置。在随后的两部分里，将要描述两种主要理论，有机结构在其中发挥的作用更为积极。

2.遗传体系有趋向性的历史背景。依传统的达尔文观点，形态过去的历史背景会限制其将来的发展，而遗传的物质基础不会“衰老”。形态变化的速率不同，模式亦不尽相同。环境的分化改变了原有的自然选择压力，那些形态变化的不同表现，正是不变的物质基础（基因及其表达）对这种环境分化做出的响应。

但是，或许遗传体系在某种意义上也会“衰老”，（J.W.瓦伦丁 [2] 对这个问题有过漫长深刻的思考，引用他的话说，就是）“对结构组成的重大调整”变得“不那么宽容”。或许，无论生态机遇有多大，在现代生物的基础上，都无法快速形成大量根本意义上的新构型。

对于这种遗传体系“衰老”的潜在性质，我没有更深刻的引申可做。我不过是把这样一种不同的看法罗列出来，请求大家对其加以考虑。随着我们对基因表达机制和个体发育的理解突飞猛进，不出10年，就会出现能将这一概念发扬光大的事实和观点。瓦伦丁也提到了一些可能的线索。寒武纪时期的基因组是否更简单、更灵活可塑？有许多基因在进化过程中形成多个拷贝，其分化促使形成一系列相关的功能。是否这些拷贝的进化将基因组结织成互作的网，无法轻易扯破？早期基因的互作是否较现在少？是否在远古生物中，自基因（翻译）形成产物的过程更为直接，使得组成结构可以互换、发生改变？最重要的是，生物的日趋复杂，以及自卵至成体发育过程的定型，是否像刹车一样，使潜在大幅度变化的车轮停下吗？这些不过是粗略的初步引申，但在眼下，我们只能止步于此。

要拒绝这些想法，转而接受常规的外部环境控制论，自有惯用的理由。不过，我可以通过一个很好的论证加以反驳。许多互不相关的谱系在某一时间（对环境）的响应方式相同，当进化学家观察到这一现象时，他们通常会假定，是无关遗传体系的外部力量激发了这种相同的响应（因为这些谱系的遗传体系太不相同，相似的外力推动似乎是最合理的共同原因）。我们一向如此坚定地认为，构成寒武纪生命大爆发的生物之间是互不相关的。毕竟，它们几乎涵括了所有现代门类的代表。而且，有什么比一种三叶虫、一种蜗牛、一种腕足动物和一种棘皮动物之间的差别更大呢？它们所代表的形态学构型，在寒武纪时期互不相同，在如今一样如此。所以，我们假定，它们的遗传体系是互不相同的。因此，我们也假定，体现在所有类群的相同进化活力，反映的一定是来自共同生态机遇的外部推动。

但是，这一论证以过去的一种观点为假定，即在寒武纪生命大爆发中进化出骨骼结构的生物，在前寒武纪时期有着漫长的历史，尽管这段历史未为人知。然而，前寒武纪时期埃迪卡拉动物群的组成表明，作为最早的多细胞生物集群，它很可能不是现在动物类群的祖先（详见后文此处）。因此，就意味着——尽管寒武纪的动物在构型上有很高的差异度，但是，它们由前寒武纪末期的共同祖先分化形成，历经的时间可能并不长。若分化果真是在很短时期之内完成的，那么，分化时间的局限或许赋予了所有寒武纪动物相似的基因机制。维系关系的纽带没有哪种比遗传的束缚更紧。换言之，寒武纪生物的相似响应所反映的，可能不仅仅是在应对同一外部动因时所体现出的同功性，可能还包括具有广泛共同基础且灵活可塑的遗传体系的同源性。当然，生命的分化需要生态机遇作为外部动因，但生命对外部环境响应的表现，或许意味着它们拥有共同的基因遗产——只是这种遗产现已耗尽。

3.“先分化，后固化”是一个系统属性。我在宾夕法尼亚大学的朋友斯图·考夫曼 [3] 建立了一个模型。该模型表明，伯吉斯现象的发生方式（动物群在差异度迅速达到最高后随即遭受抽灭）是系统的一般属性。单凭这一点，就可将伯吉斯现象解释清楚，无须特别的假说，如早期竞争不激烈，或遗传材料有趋向性的历史背景。

想想接下来的这个比喻。把生命历史的可能阶段想象成一种复杂的地貌，好比有着数千座山峰，海拔各不相同。生物所处的海拔越高，代表越成功。这种成功可以以生物在自然选择中的价值、形态的复杂程度衡量，或是依您选择的任何标准评判。在最开始，试将一些物种随机散布到这一地貌的群峰之中，让它们自主繁殖，改变位置。改变可大可小，但我们在此不关注小幅度的垂直挪位，因为那只会使生物向着所处山峰的更高处攀爬，不会产生新的体形结构类型。新体形结构形成的机遇，在不多见的“大跳跃”中产生。我们将“大跳跃”定义为生物的横向位移，落到的新地点距离原来的山峰如此之远，以至于环境与从前没有丝毫关联。“大跳跃”的风险相当大，鲜有成功，但一旦成功，回报相当丰厚。如果落在的山峰高于之前的海拔，生物的繁衍即可呈现出欣欣向荣、枝繁叶茂的景象；若生物落到更低的山峰，或是坠入山谷，就没戏了。

我们现在要问的是，通过一次“大跳跃”获得成功（产生新体形结构）的频次有多高？考夫曼证明，成功的概率在开始时甚高，但迅速下降，很快归结为零——这与生命的实际历史相似。这一模式也与我们直觉期待的相吻合。少数基础物种被随机地散布到这种地貌当中，这意味着跳跃的结果，有一半落在更高的山峰，而另一半落到更低。因此，一次“大跳跃”获得的成功机会约为50％。但如此一来，成功的物种已立于高峰之上，而较之更高的山峰也越来越少。几次成功的“大跳跃”发生过后，未被占据的高峰所剩无多，连可位移的机会都大幅减少。实际上，如果“大跳跃”频繁发生，所有的高峰在博弈早期就已被全部占据，谁都将无处可去。所以，胜利者就此落地生根，进化形成的发育系统与所处的山峰息息相关，即使当“大跳跃”的机会再次出现时，它们也不再求变。如此一来，它们要么牢守山头，要么消亡。这是一个艰难的世界，大多数的命运是后一种，并非由于生态环境如同达尔文那根插满尖劈的木头，而是因为即便是随机的灭绝事件，都能让许多空间变得不可接近。

考夫曼甚至可以对“大跳跃”成功概率的迅速下降做出量化估计。每次成功之后，等待下一次更高峰出现的时间在前一次的基础上翻倍。（斯图告诉我，海量的体育项目数据显示，每打破一次纪录，距离下次打破的平均时间就会翻倍。）如果您取得第一次成功需要的尝试次数平均为两次，要取得第十次成功，您得尝试1000次以上。很快，已没有去更好地方的机会。毕竟，地质年代虽然漫长，但亦非漫无止境。

伯吉斯动物群的抽灭

要对我们传统的生物观进行改造，所需要的，最多不过是接受伯吉斯显现出的模式，即“差异度登峰造极，后来遭受抽灭”。新的图说（见图3.72）不仅改变了惯常的模式，还将其中多样性不断丰富的传统圆锥倒了个个儿——多细胞生命在开始时，不再如圆锥颈部那般狭窄，而是已达到最大的幅度，后来亦非如圆锥那般向上不断拓展，而是因抽灭的发生，只有少数构型得以幸存。

不过，这种倒置的图说虽然可观，本身却不具备革命性的影响力。因为，它也有可能倒向传统，而这一退路并没有被切断。还记得是什么岌岌可危吗？——是我们对生命史寄予的最为珍视的期望，包括进步和可预见性的概念。要将之放弃，我们可能万般不舍。人类意识产生得如此之晚，在新观点的影响下，这一事实迫使我们做出如下诠释——意识的产生是进化怪戏中的一次意外添补。这让我们深受刺激，因此，我们更加坚守固有立场，认为我们之前所有生命的形成都依循合理的次序，这种次序的方向直指意识的最终产生。这一观点受到的最大威胁在于，历史有无数种可能，每一种都有实可据，因而皆具合理性，但每一种在开始时都不可预测。而且，只有一种（或极少的）途径通往如我们自身之高的地位。

我们对这种次序有所期望是在所难免的。但是，对于这种期望而言，伯吉斯生物“差异度登峰造极，后来遭受抽灭”的观点是最糟糕的噩梦。假定生命在开始时只有几种简单的构型，然后向更高级别发展。我们（将生命记录带）倒回最初那几种（的时代），对过程进行重演。重复数次后，我们发现，每次之间，无论细节有多么不同，历经的途径却大致相同。但是，如果在生命开始时就已形成全部构型，而后来的历史仅基于少数幸存者，那么，我们就得面对一个令人不安的事实。假使所有构型“战胜一切”的机会均等，但只有几种能得以实现，那么，任意幸存组合形成的历史都是合理的，然而形成的世界天差地别。如果人类意识只是一种组合的产物，那么，我们自身的进化形成或许不遵循抛硬币那样的随机概率，而是巨大的历史偶然性的产物。即便将生命的记录带倒回去重演千次，我们也不会再次出现。

但是，只需一个浅显的常见论证，就可以让我们从噩梦中醒来。不错，大规模灭绝发生了，最初的构型只有少数几种幸存。不过，我们不必假定灭绝如掷花旗骰 [4] 一般。我们可以假定，幸存者“战胜一切”有其原因。早寒武世是一个实验尝试的时期，就像让一群工程师把一切试个遍，结果大多无效，“一钱不值”——伯吉斯失败者在解剖学构造方面有所缺陷，灭绝是命中注定。胜利者为最能适应者，按达尔文理论的解释，即为占有优势，幸存是百无一失。那么，即使在早寒武世涌现出100种构型的尝试，或者1000种，又有什么关系呢？它们当中，只要有半打能在艰难的世界中适应，那六种就可以成为后来生命的根源，无论将生命的记录带倒回去重演多少次都是如此。

这种幸存有因的看法基于解剖学构造体现出的灵便性，或者说复杂性，用术语表述，即具有“优势竞争力”（superior competitive ability）。大家乐于用它来解释伯吉斯差异度在后来的衰减，当然还有生命历史中的每一次灭绝插曲。实际上，这种解释尚未被动摇。这种传统的解释与我们对伯吉斯差异度形成的惯常看法——“生态空桶装盛”——有着紧密的联系。“空桶”是个宽恕之处，它的空间如此之大，甚至是有灾难性缺陷的解剖学构型，也能在夹缝中安顿求存，可以不与具解剖学优势的强者直面竞争。但这种融洽的局面很快就不复存在，桶一满，其中所有成员都会被卷入达尔文竞争的旋涡。在这“非我皆敌的战争”中，苟延残喘于相对平静时期的低效幸存者迅速出局。只有强大的“角斗士”才是赢家——让“解剖学构型优秀的”活！

这样的解释见于教科书和科学期刊论文，甚至伯吉斯页岩所在地的官方简报（1987年版）《幽鹤国家公园简讯》（Yoho National Park Highline ）。在“幽鹤的化石具有世界性意义”的标题下，我们可以读到——“最早的动物所迁入的环境没有竞争。后来，随着环境的改变，进化的发生，主导地位一次又一次被更有效力的生物形式占据。”当加拿大公园管理局（Parks Canada）在1998年发布第一份介绍该国最负盛名的化石的旅游宣传册（《伯吉斯页岩的动物》）时，他们将所有不属于现代门类的生物（就是我说的“怪异奇观”）描述为“（它们）似乎是进化的死路，注定被适应能力更强或更有效力的生物替代”。

直到最近，惠廷顿和他的同事都没有挑战这一舒心的观点。它太有说服力了。例如康维·莫里斯在威瓦西虫专论的总结陈词中，大张旗鼓地将两种传统情形——空桶装盛（作为差异度高的原因）和随后的严酷竞争（作为后来灭绝发生的根源）——联系到一起：

分化可能不过反映了这样的事实——当时存在一个几近空旷的生态空间，其中的竞争水平很低，使多种多样的体形结构得以进化形成，但在日后的地质年代中，只有部分在竞争不断激烈的环境中幸存。（Conway Morris，1985，579页）

布里格斯向法国大众读者表达过相同的观点：

或许这（差异度高）是寒武纪海洋缺乏竞争、生态位未被占满的结果。这些节肢动物大多迅速灭绝，毫无疑问，是因为适应能力最不好的动物被更好的其他动物取而代之。（Briggs，1985，348页） [5]

惠廷顿也将幸存与适应优势几近自动地加以等同：

或许是大量后生动物随后遭遇的灭绝，以及适应能力最强的构型辐射的结果，才使我们（在重新审视后所）认同的门类得以形成。（Whittington，1980，146页）

对于这个问题，康维·莫里斯与惠廷顿在为《科学美国人》撰写的文章中表述得最为直接，而这篇文章有可能是关于伯吉斯页岩的最佳阅读材料。

很多寒武纪动物似乎是众多后生动物类群史无前例的尝试，它们注定在一定时期之后被适应能力更强的生物取代。寒武纪辐射发生过后的趋势，表现为数量相对较少的类群获得成功，物种数大为增加，但以其他许多类群的灭绝为代价。（Conway Morris and Whittington，1979，133页）

文字有着微妙的力量，我们意在描述的字句，会背叛我们的行为动机及根本意图的表达。我想，西蒙·康维·莫里斯和哈利·惠廷顿以为自己在这一段文字里只是对一个模型进行表述，但想想看，像“注定被取代”和“以……为代价”的字眼，分量该有多重。是的，生物中的大多数烟消云散，也有一些欣欣向荣。我们的地球向来依循古老的原则运作——招来一大群，留下极少数。但是，仅考量生死，并不能为“幸存者直接淘汰失败者”的观念提供任何依据。胜利的根源多样而神秘，就如我们不甚了解的四种令人大为称奇的现象——鹰翔长空之道，蛇行磐石之道，船航大海之道，男女相处之道〔《箴言录》（30：19）〕 [6] 。

有的论证推崇，适应优势是幸存的基础。这样的论证有陷入典型的循环论证（circular reasoning）错误风险。幸存是欲解释的现象，因此，它并非证明幸存者比遇难者“更能适应”的依据。这个议题在达尔文理论的是非场里被争论了一个多世纪。它甚至被冠以一个称谓——“重言论证（tautology argument）”。有评论认为，被我们奉为圭臬的“适者生存”就是一种无意义的重言表达，因为，“适者”因得以“生存”而被定义为“适者”，自然选择的定义即被简化成空洞的“生存者生存”。

神创论者甚至以大肆宣扬这一论调而闻名。他们把它当成否认进化论的一个证据（Bethell，1976；我的回应详见Gould，1977），好像因为套用三段论逻辑时产生的一个小错误，就可以将一个多世纪的数据推翻。实际上，这个所谓的问题有一个简单的解决方案，达尔文自己就已意识到，而且还提了出来。所谓“适者”，在此即指具有适应优势。不能因为有“生存”之实，就将其定义为“适者”。通过对构型、生理学或行为学加以分析，生物的适应优势必须是在遭遇挑战之前即可被预见到。如达尔文所辩称，在危险的捕食者世界里，跑得更快，能跑得更远（通过对骨、关节和肌肉的分析所知）的鹿可以（较其他动物）生存得更好。得以更好地生存是预测出的结果，是否有效，还有待验证——它不是用来定义适应能力的。

这种处理同样适用于伯吉斯动物群。如果我们希望断言，伯吉斯在遭受灭绝事件后，保留下来的，是最好的构型；出局的，是可预见为失败的构型，那么，我就不能简单地将得以幸存当作具有优势的证据。从原理上讲，我们必须确认某一生物在解剖学和竞争方面具有相当的优势，才能认定它是赢家。理想的情形，是我们得“回到”伯吉斯动物群的鼎盛时期去考察。在那时，所有的元素欣欣向荣。我们将具有显著结构优势的物种挑出来，认定它们注定会成功。

但是，若坦诚地面对伯吉斯动物群，我们必须承认，没有任何证据，甚至是一丁点，能断定大抽灭中出局者的构型在适应能力方面弱于幸存者。任何人都能在事实的基础上编出合理的故事。例如奇虾虽然是寒武纪最大的捕食者，但它没有成为赢家。因此，我可以辩称，它那坚果钳似的独特大口不能完全闭合，只能靠挤压而非撕碎的方式处理猎物。而更常见的颚（或颌）由两部分组成，能合拢。相比之下，奇虾这种结构的适应能力的确无法与之相比。原因或许确为如此，但我必须诚实地考虑相反的情形。假使奇虾活得好好的，那么，我是否能抵挡住诱惑，在其他条件不变的情况下，说奇虾幸存是因为其独特的口太好用吗？如果是这样，我没有理由认定奇虾是注定失败的。我只知道这种生物已灭绝了——而最终我们都会。

对伯吉斯属类的修订专论工作还在继续，哈利、德里克·布里格斯和西蒙的技艺也越发精湛，将那些非同寻常的生物重构得富有机能。渐渐地，他们对伯吉斯“奇葩”解剖学结构的完整、取食及运动的高效越来越重视。在专论里，有关构型“原始”的论述越来越少，强调伯吉斯动物功能特性的内容越来越多，如奥戴雷虫的尾（Briggs，1981a）、威瓦西虫的保护性棘刺（Conway Morris，1985），以及对奇虾游弋模式的推断（Whittington and Briggs，1985）。有关适应能力差而预计出局的内容少了，转而开始承认，我们不知道为什么多须虫是一现存主要类群的近亲，而欧巴宾海蝎成为凝固在岩石中的记忆。在后来的论文中，谈及好运的内容越来越多。布里格斯对自己之前有关“幸存是因为具有适应优势”的断言加以补充，“……同时，毫无疑问，也因为某些物种比其他物种更幸运”（Briggs，1985，348页）。

三位科学家也都开始强调这样一个主题——若让观察者置身于伯吉斯的时代，他不知哪些生物注定会成功。如此强调，并非因为苦苦不能确定伯吉斯生物适应能力的程度，因此承认失败，而是对一个有价值的观点加以肯定。多细胞生物的成功故事中，最精彩的当数昆虫，惠廷顿在言及埃谢栉蚕为昆虫潜在近亲时写道：

在伯吉斯页岩的时代展望未来，很难预计何种会是（幸存者）。在海绵群中缓缓蠕动的埃谢栉蚕，看上去让我们很难想象，它会是勇猛征服陆地的多足类和昆虫的祖先。（Whittington，1980，145页）

康维·莫里斯写道，“假使在寒武纪有一位观察者，他应该无法预测哪些早期后生动物注定在系统发生中取得成功，体形结构的地位从此稳固，又是哪些难逃灭绝的厄运”（Conway Morris，1985，572页）。接着，他直白地评论循环论证的危险性。假定威瓦西虫的颚部与软体动物的齿舌同源，且两者的亲缘关系最近，但各自代表着伯吉斯不同的可能走向。那么，既然灭绝的是威瓦西虫，活下来并分化出多种多样的是软体动物，有人可能会禁不起诱惑，辩称威瓦西虫的周期性蜕皮不如软体动物不断增长的生长效率高。但康维·莫里斯承认，如果活下来的是威瓦西虫，灭绝的是软体动物，我们可能会鼓捣出能说服人的理由，辩称蜕皮的好处。

尽管如此，蜕皮作为一种生长模式普遍存在于数个门类的动物，其中包括节肢动物和线虫。而两者所属的门类，被认为是所有后生动物门类中最成功的两个。所以，如果时间可以倒转回过去，让后生动物的分化在前寒武纪时期和寒武纪之间的交界重新来过一次，从最初的进化爆发中产生的成功体形结构，似乎有可能包括威瓦西虫，而非软体动物。（Conway Morris，1985，572页）

如此一来，伯吉斯修订的三位规划师皆从持有传统观点开始——能克服困难成为赢家，是因为有适应优势可以利用。到最后，得出的结论却都是——毫无证据表明成功与可预见的更好构型有联系。相反，在三位心中都产生了一种强烈的直觉，认为（假定的）伯吉斯观察者挑不出赢家。伯吉斯遭遇的抽灭可能的确好比一场彩票抽奖，不像美国与格林纳达之间的战争或让1927年的纽约洋基队对阵“霍博肯过时队”的结果那样尽在预料之中 [7] 。

对伯吉斯节肢动物的研究记录是一件极需耐心的工作，我们现在可以充分感受到它的力量。惠廷顿和他的同事重构了25种基本体形结构类型，其中四种类型在后来获得巨大的成功，其类群包括在现今世界里占据优势的动物，而其他类型无一有“子嗣”传承，已全部灭绝。不过，除了三叶虫以外，每一类幸存者在伯吉斯只有一种或两种代表。从哪个已知的角度看，它们都不带有成功的印记。与其他类群相比，它们的数量并不是更多，也没有更高的效率，或者更灵活可塑。一个（假定的）伯吉斯观察者怎么会选中仅存六件标本的多须虫？如惠廷顿所言，在海绵上匍匐行进的埃谢栉蚕，不仅少见，而且怪异，（假定的）伯吉斯实力评估者怎么会对它加以首肯？为什么不将赌注押到头盾刺状结构长及体末的马尔三叶形虫？它不仅光彩夺目，而且很常见。为什么不押到具有精巧尾叶的奥戴雷虫？为什么不押到具有复杂前端附肢的林乔利虫？强壮的西德尼虫虽无奇特之处，但也生得端端正正，为什么不押到它呢？如果生命的记录带可以倒回伯吉斯的时代重演一次，为什么就不会得出一个截然不同的赢家组合呢？这一次，或许所有幸存谱系的体肢发育模式都局限于双枝型，适于在水中生活，而非成功登上陆地。如果是这样的话，或许那另一种世界不会有蟑螂和蚊蚋，但也不会有蜜蜂，所以最终也就不会有美丽的花出现。

将这一主题扩展到节肢动物以外的伯吉斯“怪异奇观”——为什么没有选到欧巴宾海蝎和威瓦西虫？为什么不能是一个属于身覆骨片（而非身负蜗牛壳）的海洋植食性动物的世界呢？为什么没有选到奇虾，不能是一个属于前端有擒握附肢、另有坚果钳状大口的海洋捕食性动物的世界吗？为什么在一部史蒂文·斯皮尔伯格的电影里，将一位脾气暴躁的海员吸入口中，慢慢收紧，将其挤压至死的，不能是一个口如圆筒、牙齿成排并延伸至食道的海怪 [8] 。

当然，我们不能肯定伯吉斯遭遇的抽灭就如彩票抽奖一般。不过，要说赢家具有适应优势，或者说幸存者由那个时代的（假定）实力评估者选定，我们也没有证据可以支持。我们有的，是从20世纪最细致的古生物学专论中了解到的内容，而伯吉斯出局者在其中的形象，皆是特化充分，能力超群。

抽灭如同彩票抽奖，注入这种想法，伯吉斯页岩的新图说便转变为一种激进的观点，事关生命历经的途径，以及历史的本质。我这本书即致力于探索这种观点导致的后果。我们所属的物种，形成并非必然，着实可怜。愿我们在自己新发现的脆弱和好运中找到可喜之处！一个人，只要有丁点的冒险精神，或对理性抱有一丝敬意，都会乐意用无边的传统精神慰藉作为交换，一瞥奇异且美妙——而又如此真实的东西——就如欧巴宾海蝎。不是吗？

注解：

[1] 　在生物学教科书里，变异常被认为是“随机”的。严格地讲，这并不正确。变异不是随机的，它不具有“随机”字面义体现出的在所有方向机会均等——基因变异不会让大象长出翅膀。不过，随机表现出的这层含义是至关重要的——遗传学不认为生物的变异是有倾向性的适应结果。即使环境的变化对相对小型的生物有利，基因突变也不会偏向使个体变小。换言之，变异本身不具倾向性的属性。自然选择是进化的动因，生物的变异不过充当了原材料的角色——作者注

[2] 　即詹姆斯·W.瓦伦丁（James W.Valentine），美国进化生物学家，任教于加利福尼亚大学伯克利分校——译者注

[3] 　斯图·考夫曼（Stu Kauffman），应指美国理论生物学家斯图尔特·艾伦·考夫曼（Stuart Alan Kauffman，1939—）——译者注

[4] 　花旗骰（craps或crap shoot）又称双骰，用骰子赌博的一种——译者注

[5] 　在这里，我把它翻回英文，希望不会重复我曾遭遇过的最大尴尬之一——弥尔顿的《失乐园》曾被翻译成德文，作为海顿清唱剧《创世记》（Creation ）唱词的一部分，接着，又被翻译回蹩脚的英文，用于英语版本的演出。该版本要保留海顿的音乐价值，也无法采用弥尔顿的实际文字——作者注

[6] 　引自《圣经》，原文为“the way of an eagle in the air，the way of a serpent upon a rock，the way of a ship in the midst of the sea，and the way of a man with a maid.-Proverb 30：19”——译者注

[7] 　“美国与格林纳达之间的战争”，指1983年美国干预加勒比海岛国格林纳达（Grenada）内政的入侵战争。该国不足400平方公里，当时人口仅约9万人，国防力量与美军兵力相差很大。美国新泽西州霍博肯是1845年美国现代棒球的起源地，所谓“霍博肯过时队”（Hoboken Has-Beens）应为作者对棒球发展之初的调侃。而1927年是著名的纽约洋基队（New York Yankees）历史上赛绩最辉煌的一年，不仅是美国职业棒球大联盟世界大赛史上首次冠军横扫对手（匹兹堡海盗队）的赛季，还创造了多项纪录，也是传奇运动员贝比·鲁斯（Babe Ruth）和卢·贾里格（Lou Gehrig）的竞技顶峰时期——译者注

[8] 　应为调侃史蒂文·斯皮尔伯格（Steven Spielberg）导演的美国电影《大白鲨》（Jaws ，1975）结尾的情节——译者注

第四章　沃尔科特的视界与自然本质

沃尔科特固守多样性圆锥的基础

生平小注

如果查尔斯·都利特·沃尔科特只是泛泛之辈，他对伯吉斯页岩的影响就不会如此之大，他“鞋拔式”的根本性错误最多不过作为一个脚注被提及。但是，沃尔科特是在美国历史上最非同寻常、权力最大的科学家之一。此外，他产生的影响完全源于自身对于生命和道德极为保守的传统视角。因此，如果我们能理解他紧握伯吉斯“鞋拔”不放的复杂原因，就会收获一些基本领悟，领悟到社会和概念对科学创新的制约。

的确，沃尔科特的大名现在已不为人所熟知，即便对美国科学史大体熟悉的人，也会觉得陌生。但是，他从公众意识中淡出，不过是我们对科学史所持看法失之偏颇的一种反映。由于这种态度，一些人物的重要性必定不能在其所处的时代被正确认识到。我们看重创新与发现，这点当然很对。所以，反映我们知识进步的族谱，就成为一份按时序排列的先驱者名单——即便这些科学家毕生没有享有过任何名望，而且，在他们的时代，也没有对所在行业产生过明显的影响。不过，这些人提出了极好的想法，只是待到后来才得到正确的评价，进而被推崇。例如格雷戈尔·孟德尔（Gregor Mendel）因卓越的洞察力令我们铭记在心，但可以说，他的研究工作几乎没有对遗传学的学科发展产生影响——除了最终被视作遗传学的灯塔和象征。他的成果在当时被忽视，直到后来被他人重新发现，才变得有影响力。

那些生前在一个领域占有统治地位的权威科学家，也因这种极具回顾性的评估方式 [1] ，在后世被排除到公众意识之外。这些科学家的影响可能曾惠及上百个人的研究生涯，也可能促成过上千个概念，只不过它们为传统观点服务，而那些观点在后来被认为并非正确。但是，如果我们将这些人遗忘，又怎能领悟科学作为一种社会进步的属性？如果我们忽视凌驾于创新之上的反对者，就脱离了创新的背景，又如何能将应有的注意力集中到孤独的创新者？查尔斯·都利特·沃尔科特就是一位遭受如此忽视的人物，也是最重要的一位。他是一位伟大的地质学家，工作起来孜孜不倦；他是一位有名的理论综合家，位居美国科学社会等级的权力中心。但从根本意义上讲，他不是一个富有知性的创新者。

沃尔科特从我们记忆中抹去，还有另一个原因，但该原因基于一个悖论。许多学者厌恶行政管理工作（虽然对行政管理者并无敌意），我也不例外。这当然是一种自私的态度。但生命短暂，一个人不应陷入郁郁寡欢和庸碌无为的境地，将生命白白浪费。然而，这两种境地，大多数尝试行政管理的学者都会遭遇到。既然历史由学者书写，对行政管理技能的着墨自然不多。但是，没有科学机构，何来科学发展？单枪匹马的天才，虽不乏浪漫的神话，但凭借一己之力，通常成事无多。

更糟糕的是，伟大的管理者通常因双重原因被历史排除在外。首先，是因为科学管理很少被学者选为写作主题。其次，是因为管理技能越好，隐蔽性则越强。对于不合格或不诚实的管理者而言，关于其羞耻的记录长篇累牍，他们因而被载入史册。而运作良好的科学机构以流程顺畅为标志，管理看起来轻而易举，也不施加限制，几乎是自动的。（有多少人记得当地银行总裁的名字？除非他因挪用资金被告上法庭）当然，行政管理者被他们的下属或受惠人所熟知。因为，为了保障日常学术工作能正常运行，我们必须找上司，争取办公空间和经费的支持。但是，对于一个好的行政管理者而言，一旦离开岗位，他的名字就被遗忘了。

查尔斯·都利特·沃尔科特是一位优秀的地质学家，但更是一位卓越的行政管理者。在人生最后20年，沃尔科特是美国权力最大的科学管理者，他有关伯吉斯页岩的所有工作也完成于这一时期。他不仅从1907年起主持史密森尼学会的工作，直至1927年去世，还参与——或者说插手——华盛顿所有重要科学事务。他与从西奥多·罗斯福到卡尔文·柯立芝的每一位总统相熟，同有些还有私交 [2] 。无论是说服安德鲁·卡内基建立华盛顿卡内基学院（Carnegie Institute of Washington），还是说服伍德罗·威尔逊成立国家研究理事会（National Research Council），他都起到了关键作用 [3] 。他曾担任美国国家科学院（National Academy of Science）院长和美国科学促进会（American Association for the Advancement of Science）会长。他是美国航空事业发展的先锋，也是支持者和促进者。

沃尔科特一人身兼数职，但应付得体，技巧堪称完美。我发现，凡是对史密森尼的历史有所了解的人，都对沃尔科特有这样一个共识——认为在自创始人约瑟夫·亨利到最近退休的行政管理天才S.狄龙·里普利之间的所有会长当中 [4] ，他是最胜任的。1920年，沃尔科特年届七十，身处有生以来的权力顶峰。在那一年日记末尾，他写下一段简要的总结。从中，可以看出他在当时的这一情形：

我现在是史密森尼学会会长、国家科学院院长、国家研究理事会副主席、华盛顿卡内基学院执行委员会主席、国家航空咨询委员会（National Advisory Committee for Aeronautics）主席……实在太多，但无论是哪个组织的工作，一旦深入其中，都难以脱身。

沃尔科特的生平可谓是一个美国成功故事。他生于1850年，在纽约州由提卡（Utica）附近一个勉强维持温饱的家庭里长大。他在当地的公立学校接受教育，但从未拿到一纸高等教育文凭（尽管在后来的生涯里，他获得过无数名誉博士头衔）。在当地一个农场干活期间，他收集到三叶虫化石，并将标本卖给路易斯·阿加西斯，美国最伟大的自然历史学家。由此，他跨出了迈向科学职业生涯的第一步。（对于沃尔科特后来的伯吉斯工作而言，这个故事里包含有一个难得的讽刺。阿加西斯对沃尔科特加以赞赏，并买下他的标本，是因为三叶虫的附肢被他首次发现。而沃尔科特之所以有此发现，是因为他能识别该标本保存的立体结构，并指出足就在壳之下。沃尔科特之于伯吉斯的最大失败，在于将这些化石看作平展的薄片，而惠廷顿正是通过揭示这些标本的立体结构，才使现代修订工作得以开展。）

沃尔科特希望进入哈佛大学，接受正式的古生物学教育。但阿加西斯于1873年去世，这个希望因而被打破。1876年，他成为纽约州政府地质学家詹姆斯·霍尔（James Hall）的助理，开始了他的科学生涯。1879年，他加入美国地质调查局（United States Geological Survey），成为一名最低级别的野外地质调查人员。1894年，他已升任局长，将坚定地引导该机构度过财政危机最严重的时期，并高调地进行重组。他在这个岗位上一直工作到1907年。那一年，他被任命领导史密森尼学会。

在那些年里，沃尔科特仍一直积极地从事寒武系地层地质学和古生物学方面的野外研究和论文发表工作，而且成果斐然。寒武纪生命大爆发的难题让他着迷。他对分布于全球各地的前寒武纪时期和寒武系地层进行研究，希望能找到一些经验性的解决办法。当沃尔科特在1909年发现伯吉斯页岩时，他不仅是华盛顿权力最大的科学家，还是世界上最重要的三叶虫化石和寒武系地质学专家之一。查尔斯·都利特·沃尔科特绝非泛泛之辈。

沃尔科特失败的现实原因

身为行政管理者，沃尔科特不仅谨慎，而且保守，却无意中为后世的历史学家留下一份极其宝贵的礼物。他复写了每一封书信，将函件一一留存，日记一天不落，什么也没扔掉，甚至在人生最低落的一刻也是如此。1911年7月11日，沃尔科特的第二任妻子在火车事故中丧生。在当天的日记里，他直白地记录下事实经过：“凌晨2：30，康州布里奇波特发生火车相撞事故，海莲娜丧生。到下午3点才收到消息。下午5：35，出发前往布里奇波特……”〔沃尔科特可能确为过于谨慎，但请不要认为他没心没肺。7月12日，他满怀悲痛，写下这样的话：“她因太阳穴（右侧）被击中身亡……回到家里，我感觉海莲娜还活着，无处不在。我的爱——我的妻——我24年的伴。感谢上帝，让我这些年来有她为伴。她最终的命运竟然如此，此时此刻，我无法理解。”〕

所有这些材料被归置在88个大盒子里，存于史密森尼学会档案，所占空间，按官方报告所言（Massa，1984，1页），有“11.51延米 [5] 的货架空间，外加一些尺寸过大的材料”。没有什么文件可以准确记录下一个人难以捉摸（或想象中）的“本质”，但沃尔科特的材料丰富多样，有野外工作笔记、日记、私人草记、正式函件、业务账目、全景照片、应第三任妻子要求完成的未出版“权威”传记、完税收据、名誉学位证书、给女儿伴游的信件，以及给在法国战时墓地为其子守墓之人的信件。这些使我们能构建出一个生活在公共权力走廊 [6] ，却极为注重隐私的人的真实形象。

我查阅沃尔科特存档，并不是抱有为其立传的意图。我只有一个目标，它已多少让我有点痴迷。我想知道为什么沃尔科特会犯他那“拔鞋式”的根本错误。我觉得，找到这个问题的答案，伯吉斯页岩讲述的那个更大的故事就完整了。因为，如果沃尔科特犯错并非因为他个人与众不同，而只是由于固守传统的观点和价值，那么，我就可以展示，惠廷顿的修订——“彩票抽奖式”抽灭的主题——是如何将以我们自身文化为中心的旧有成见推翻的。我把所有盒子搜了个遍，发现不少线索，它们指向一系列复杂因素，但全都清楚地表明，是沃尔科特本真和信仰的核心驱使他操起“鞋拔”。沃尔科特将自己公式化的生命观强加于伯吉斯的化石。在当时，创新的技术尚未出现，独立的检验研究还未开展，化石没有“顶嘴”。在当时，要延续多样性圆锥图说的传统，以及在其背后的概念机制——不断进步和人类意识注定进化形成，采用这种“拔鞋式”的处理是一种常规手段。

我这一断言给许多读者的印象，可能是怪异、玩世不恭，何况它所针对的还是科学理论。不过，大多数人不至于天真得相信那个古老的迷思——科学家是不带偏见且信奉客观的典范，对所有可能性都公平以待，仅凭证据的分量和论证的逻辑得出结论。我们知道，在探索发现的过程中，偏见、偏好、社会价值观和所持心态都扮演着重要的角色。然而，我们也不能滑向对立面，彻底玩世不恭，认为——客观证据不发挥作用；对真实的认知完全是片面的；科学结论不过是另一种形式的审美偏好。现实中的科学是数据与先入之见之间的一种复杂“对话”。然而，我辩述的是，“沃氏鞋拔”的功用实际上不受制于伯吉斯数据。因此，我不认为在他的这个案例里有通常的“对话”发生。此外，我这一断言所针对的，是一流科学家最伟大的发现，不是外围参与者人生中的一段小小插曲。不过，这种成见强加于证据的单向独白非同寻常。它有发生的可能吗？

在通常情况下，答案是否定的。化石会“顶嘴”，就如欧巴宾海蝎告诉哈利·惠廷顿“我的壳下没有足”，或如奇虾惊呼：“那个叫皮托虫的水母实际上是我的口。”但是，伯吉斯动物留给沃尔科特的话寥寥无几。原因有两个，他的“鞋拔”也因此成为意识形态约束的突出例子。第一个原因，他的先入之见发自其社会价值观和禀性的核心，根深蒂固。第二个原因显而易见，简单得出奇，往往在我们寻找“深层”意义时被忽略，即——化石没有回应，是因为沃尔科特从未能挤出与之对话的时间。人一生的时间有限，行政管理工作的负担最终毁了沃尔科特身为研究型科学家的一面，他根本找不出研究伯吉斯标本的时间。沃尔科特在1911年和1912年发表过两篇初步研究的相关论文。在他去世以后，其合作伙伴查尔斯·E.莱塞尔于1931年将他的相关遗稿整理发表。在沃尔科特忙碌人生的最后15年，他还发表了关于伯吉斯海绵和藻类的专论，但再也没有有关世界上最重要的动物群化石的著作问世。

第一个原因（先入之见根深蒂固）是本书启示的支撑之柱，第二个原因（行政管理负担异常繁重）即沃尔科特的与众不同之处。然而，我的讨论还得从沃尔科特的不同之处开始。在聆听沃尔科特亲口之词前，我们必须了解他是如何错过化石之“言”的。

沃尔科特要做的事很多，它们之间还存在着严重的冲突，他内心的压力随之而来。既然行政管理者通常从步入中年的成功研究人员中选拔而来，沃尔科特的故事所反映出的，是广大科学机构负责人发自内心的一再哀叹。行政管理者当初之所以被选中，是因为他们深谙研究，这就意味着他们不仅热爱研究工作，还能把它干好。这个故事就像他钟爱的寒武系丛山一般古老。故事开始时，一个人便对自己许下诺言——我将不会有从前那么多时间投入研究，但我会更有效地安排；别人为此荒废了业务，但我不会；我永远不放弃自己的研究，我会坚持工作，尽多地发表论文专著。渐渐地，行政负担不可避免地加重，它执拗地取代了初衷，支配着一切，研究工作从事得越来越少。他从未放弃理想，或是最初的喜好。等这一领导任期结束以后，等退休以后……便着手恢复被中断的研究。有些行政管理者的确可以在老年回归学者的身份，并乐享其中。但更多时，死亡介入其中，就如沃尔科特的情况。

沃尔科特让我感到惊奇。他的行政负担繁重，非同寻常，但在生命后期，他却依然能切切实实地不断发表论文。从发表第一篇有关伯吉斯页岩的论文的1910年算起，直至1927年去世，他发表的论著总共有89篇之多（列于参考文献Taft [7] et al，1928）。其中，53篇为原始描述论文，是基于数据的技术性文献，其中包括分类学和解剖学领域的主要论著，有一些还是他在忙碌的年份里完成的——有关寒武纪腕足动物的论文，长达上百页，发表于1924年；有关寒武纪三叶虫的论文，长达80余页，发表于1925年；有关三叶虫类的新凸镜虫（Neolenus ） [8] 的解剖学结构论文，亦长达上百页，发表于1921年。但上天让一日只有24小时，这使得沃尔科特的希望和计划受到极大的制约。大多数研究工作被搁置一边，其中最重要的，当数对伯吉斯页岩化石的研究。沃尔科特为此感到愧疚，并对最终将回到自己最爱的化石身边充满期待和欣喜，这些情绪也成为他通信的一贯主题。我认为，沃尔科特有意将伯吉斯作为退休之后的研究工作重点，他大量收集伯吉斯标本，是在特意为之做准备。但他死在任上，享年77岁。

沃尔科特存档之全面异乎寻常。从朝气蓬勃、满怀抱负，到日薄西山、抽身其外，整个在所难免的转变，整个令人熟悉的过程，在其中皆有迹可寻（图4.1、4.2）。1879年6月2日，年轻的沃尔科特写信给伟大的地质学家克拉伦斯·金恩（Clarence King），希望能在美国地质调查局获得第一份正式工作。

图4.1　23岁时的查尔斯·都利特·沃尔科特，那时还是个英俊的小伙子。摄于1873年。
图4.2　一张摄于1915年前后的肖像照。史密森尼的存档里有许多类似的肖像，但我格外喜欢这一张，因为它不仅很好地表现了沃尔科特的强大气势，还流露出他在那些年里因家庭变故而承受的巨大悲伤。

我愿意从事自己力所能及的任何工作，并为之倾尽全力。我渴望追求的事业是地层地质学，（具体工作）包括标本采集及古无脊椎动物学（研究等）……我渴望为之奉献一生……我诚挚地希望能获得一次试用的机会，然后再根据工作成绩（由您）决定我的去留。

7月18日，金恩给出了言辞亲切的肯定答复：

我（为你）安排了一个职位，它位于阶梯的最低一级，你得凭自己的实力向上晋升……没有什么比在将来肯定你良好的工作成绩更能让我感到欣喜。

沃尔科特的工作成绩不只是良好，因而屡屡获得晋升。1893年，他在局里的地位已接近最高一级，对古生代早期岩层的实证研究也已成为他毕生奉献的事业。就在这一年，他拒绝了芝加哥大学提供的教学职位，为的是继续自己的研究，不受其他负担拖累。他向芝加哥大学的著名地质学家，身为管理者的T.C.张伯林 [9] 致歉：“您很清楚，我的渴望和抱负是完成对（北美）大陆古生代早期岩层的分组研究，为地质学家提供地质分类和填图 [10] 的依据。”

但就在第二年，1894年，单位内部发生了变化，他肩负起行政职责，得缩减手上的研究工作。沃尔科特在写给母亲的一封信中述说了自己矛盾的心情——受到赏识的自豪之情、渴望尽责的迫切之情，夹杂着失去研究时间的焦虑之情。所有这些感受，将使其余生纠结于心。

亲爱的母亲：

我已肩负起这个优秀调查局的领导职责。这让我多少有些不适应，可它已成为现实，就摆在我的眼前。这并非我所期待，我仍渴望继续我从前的工作。但我很高兴您能看到我获得这一职位，同时也希望您在有生之年能目睹调查局在我的管理下欣欣向荣。

爱您的

查理

1894年10月25日

从此以后，行政管理职责和对研究的渴望之间的冲突，渐渐成为占据沃尔科特思绪的主题。1904年，沃尔科特仍在地质调查局的领导岗位上，尚在发现伯吉斯之前，但已在为失去大量研究时间而哀叹。他在1904年6月18日致地质学家R.T.希尔 [11] 的信中写道：

我曾经的个人抱负只有一个，至今未变。它对我的影响深远，那就是完成寒武系地层及动物群的研究工作。我在多年前就已着手研究，但在过去这些年里几乎将它搁下了。我希望能在今年夏天抽出一点时间专注其中，并在以后尽可能地利用好零散的时间，以期将之完成。若我能做出明智的选择，我会心甘情愿地将行政职责移交给他人，好捡起我在1892年放下的研究工作。

三年之后，沃尔科特走上一生中最后一个岗位——史密森尼学会会长。在这个年头之末，他发现了伯吉斯页岩。尽管沃尔科特叹声连连，但在方方面面因素的共同促使下，他承担的社会职务越来越多，本应投入认真研究伯吉斯化石的大量时间也一并被剥夺，而这些也有来自他自身的积极推动。

存档中有大量篇幅较短的文本，让我们从方方面面一瞥首席行政管理者琐碎而耗时的日常事务。他得为朋友出面办事，例如在1917年提议赫伯特·胡佛为美国哲学会会员 [12] 。他得鼓励同事，例如在1923年写信给R.H.戈达德 [13] ：“我相信，您的‘火箭’研究进展得令人满意，当前难题迎刃而解之时指日可待。”他得为科学家谋福利，例如在1926年致信给州际商务委员会（Interstate Commerce Commission）会长，辩称研究人员“与专事慈善或施舍事业者同属一类”，搭乘火车应享受免票待遇。他得成天忍受无尽的琐碎事务，例如1924年史密森尼首席人类学家阿莱斯·赫尔德利奇卡（Aleš Hrdlička）请求他能抽出时间，补量先前漏掉的一些尺寸。

大约一年前，我为国家科学院备案，有幸测量了您的身体尺寸。当时，我没有测量手、足、头及其他少数部位的尺寸。之后，我对传统美国人 [14] 的数据进行了分析，结果显示，上述身体部位的尺寸极其重要……如果您能光临我的实验室一次，驻足两三分钟，容我完成测量，我将不胜感激。

不过，我发现一件文书，没有什么比它更具标志性，而且还具有极为实用的价值。这份文书是他在1917年向一所银行提交的一份书面证明，以确认更改签名：“我随函附上您要的书面证明。我过去一直将姓名签为Chas.D.Walcott（查斯·D.沃尔科特），但当有大量文件或信函需要签名时，我发现写全这些字母要花费太多时间。所以，我现在签名只用姓名首字母。”

对于沃尔科特而言，这些高级行政管理的“平常”压力或许还不足以使其研究泡汤。但从1910年到1920年，也就是他完成伯吉斯页岩全部野外工作的10年间，他一再遭受家庭不幸，接连失去了第二任妻子和三个儿子中的两个（图4.3）。儿子小查尔斯患有结核病，沃尔科特搜寻每一家疗养院，每一种休养、膳食或药方，一一进行评估——之后，发现它们不过是心理安慰或是江湖庸医之术。最终，小查尔斯于1913年去世。1917年，另一个儿子斯图尔特在法国的空战中牺牲。沃尔科特写信给朋友西奥多·罗斯福 [15] ，他已失去一个弟弟，牺牲的情形与斯图尔特相似。

图4.3　1907年的沃尔科特全家福，摄于犹他州普罗沃（Provo）。站立者，自左向右，分别为西德尼（15岁）、小查尔斯（19岁）、查尔斯（57岁）、海莲娜（42岁）、斯图尔特（11岁）、席地而坐者为海伦（13岁）

斯图尔特是您的弟弟昆丁在华盛顿西部高中的同学，他已长眠于阿登高地（Ardennes）的一个山坡之上。他在与德国鬼子 [16] 的空战中被击中，牺牲的情形几乎与昆丁完全相同。他与被其击落的两个敌人同埋于一处，他的墓前立着一尊体面的十字架，上面写有他的名字与生卒年日。德国鬼子在离开之前，将附近的农舍焚毁殆尽。因此，前面的举动流露出他们多愁善感的一面，而后面的行为暴露了他们野蛮的本性。

如前文所述，1911年，沃尔科特的妻子海莲娜死于火车相撞事故，女儿海伦在一位名为安娜·霍尔西的伴游陪同下，被送往欧洲壮游，好从震惊中纾缓过来。沃尔科特几乎每天都与她俩保持联系，时常以家长的身份介入，做出“有体统”的决定，以保证美丽而幼稚的女儿免受“有失体统”的侵蚀。沃尔科特频繁的干预得到霍尔西女士的高度认可。例如她在1912年6月18日的信中写道：“您的来信让她意识到女性吸烟多么令人反感。我时常如此相劝，她却认为是我老套得不可救药。”但霍尔西女士仍然很担心，她在1912年7月17日写自巴黎的信中警告道：“她的美貌如此动人……但她渴望来自男性的仰慕和注目，衣着太为光鲜，在将来一段时间里，若不加以系统的监督，或许会导致很大的不幸。”此外，她在寄自意大利的一封信中声称：“这儿真是不安全，海伦同所有17岁的女孩儿一样，富有生趣，渴望冒险。她单纯、无知，可能只为好玩，就会被引诱到外面，与男性见面。”

除了这些意想不到的个人悲剧，家庭和生意的日常事务也蚕食着沃尔科特的时间。他向特柳赖德电力公司（Telluride Power Company）投资数百万美元，同时，又向一家地方性银行建议，强调限制儿子信用额度的重要性。

犬子B.S.沃尔科特 [17] 是普林斯顿（大学）的一名大一学生。他有生活费，且已养成及时结清账单的习惯。然而，（如果能代表银行）我不会给他及其他男孩30日以上的还款期限，此外，仅提供有限的信用额度。赊账对男孩的影响很坏，容易带来麻烦。

强加和必须处理的事务繁多，会令人疯狂。在这样的环境里，重压之下，有关伯吉斯页岩的工作怎么可能顺利开展？沃尔科特需要让自己的暑期在加拿大落基山脉采集标本中度过，即便只是作为疗休。但在华盛顿，他从未能找出时间对标本进行细致的科学研究。沃尔科特逐渐意识到自己所处的困境，这种自觉的明显标志，可以从有关伯吉斯化石的一系列坦诚的书信中找到。这些是他与从前的助手查尔斯·舒克特之间的书信，此时的舒克特已是耶鲁大学的教授，美国古生物学学术带头人之一。1912年，沃尔科特缠身于委员会的工作，但他仍期望，不用等多久，就可以将舒克特寄来的一些三叶虫标本稍做研究。

至于三叶虫，在下周得空将它们全部研究一遍之前，我不会发表意见。过去的10天里，我一直忙于国会委员会的工作，还有其他一些事务，没有任何研究的机会。

到了1926年，他承认失败。对舒克特关于三叶虫解剖学结构的论证加以考量，要耗费的时间远少于研究标本，但也被他无限期延迟了：“哪天得空时我将看一下您关于三叶虫结构的评论。目前，我的行政管理工作太多，实在太忙。”

沃尔科特生命后期的一些言辞，清楚地展示出内心的冲突、希望，以及未能对伯吉斯标本进行正式研究的在所难免。1925年1月8日，他告诉法国古生物学家查尔斯·巴鲁瓦（Charles Barrois），自己将逐步卸去行政管理的职责，以便研究伯吉斯化石。

我希望重新捡起对一大批伯吉斯页岩化石的研究工作，它们十分有吸引力，只是从未被发表过。准备好的绘图和照片已有100余幅，它们尚未面世，全因我将时间耗费在行政管理职责和我们科学组织的有关事务之上。我正从后者之中脱身，已于12月29日发表了卸任美国科学促进会会长的演说，也不再是国家科学院理事会的成员。我计划辞去三个组织的理事会理事职务，虽然这些工作十分有吸引力，而且极有价值，但我认为自己的职责已履行完毕。

在1926年4月1日致L.S.罗（L.S.Rowe）的信中，沃尔科特将对研究的真挚之爱和对行政管理一本正经的断言放到一起。我认为断言不甚真诚，他说行政管理既无趣，（与学术研究相比）也没那么重要，自己不过是履行职责罢了。（我不相信大多数人会自我牺牲到这种程度，将一生中最好的时光耗费在他们可以随手放弃也不失颜面的事情上，除非是因为有权可用。科学道德要求行政管理给公众的印象是履行职责，不过，身居其位之人，乐于承担职责，发挥影响力的，当然也不在少数。）

过去15年里，我在西部群山之中采集了大量数据，但我的研究止步于登记造册。如能继续研究，我会感到极大的幸福。行政管理的职责并非令人厌恶或失望。尽管在有问题要解决时，应招去解决的人当然得全力以赴，但我把这些职责看作是短暂的差事，不是严肃的事业。

一周以后，他写信给伟大的鱼类学家大卫·斯塔尔·朱尔敦（David Starr Jordan）。朱尔敦曾任斯坦福大学校长，在卸去行政管理负担方面，他比沃尔科特更成功。

您很明智，让自己从行政管理职责中解脱出来。我希望自己到时也能如此，可以自由地做过去50年中一直梦想的事。梦想在过去曾让我愉悦，在实验室里工作的每一个小时都是欢乐的。

1926年9月27日，沃尔科特为实施这一梦想采取行动。他写信给安德鲁·D.怀特（Andrew D.White）：

我非常希望与您会谈，商讨史密森尼学会及我的退休事宜。1927年5月1日，我积极履行会长职责的时间将满20年，届时，我将退出机构决策和行政管理的所有工作。亨利、贝尔德、兰利 [18] 在任上去世，但于公于私，我都不认为自己继续任职是明智的举动。我有很多文字工作要做，即便倾尽全力，到1949年才能完成……若能目睹民主进化到1950年，会是多么有趣。目前，我不指望能看到1930年以后是个什么样子。28岁时，我曾被告知命不久矣，在38岁和55岁时我又被告知如此，但我一向固执己见，拒不从命。

1927年2月9日，查尔斯·都利特·沃尔科特在任上去世。他注解繁多的伯吉斯化石遗稿于1931年发表。

“沃氏鞋拔”更深层的原因

沃尔科特没能对伯吉斯化石进行足够的细致观察，这使他在诠释时享有很大的自由。过程中鲜有疑问，工作势如破竹。标本实际的古怪解剖学结构几乎不成其为问题，沃尔科特以自己根深蒂固的生命观去解读伯吉斯页岩，化石标本因而也成为一面反映其先入之见的镜子。沃尔科特就是这样一个保守的死忠——一个顽固的传统主义者（archtraditionalist），他的固守，并非如条件反射般不经思考的反应，而是出于深思熟虑后的肯定。因此，以我愚见，他是体现传统信仰的最好象征 [19] 。

要解开“鞋拔”之谜，我们必须从三个层次认识沃尔科特的传统主义理念，按特异性升序，依次为——其政治和社会信念的基本框架、对生物及其历史的看法、对寒武纪具体问题的解决方式。

沃尔科特的人格

沃尔科特来自农村，有着纯正的盎格鲁—撒克逊血统，算是一个“传统美国人”。他成为富人，主要得益于对电力公司的精明投资。在生命中的最后30年里，他跻身华盛顿社交圈上层，与多位总统有交情，也与美国最大的产业大亨们相熟，其中包括安德鲁·卡内基和约翰·D.洛克菲勒 [20] 。他信仰保守，政治从共和党，是一个虔诚的长老会 [21] 信徒，从未错过（或日记的记录从未漏过）一次周日礼拜。

前文引述的书信中已折射出他传统的社会态度，如对儿子与女儿区别对待、注重节俭和责任。存档还揭示出他这种性格的许多其他方面。我在此节选一小段，让读者“感受”一下，在美国最后一个笃信神权万能和道德至上的时代，一个强大保守思想家所抱有的态度，会给人留下什么样的印象。

1923年，沃尔科特写信给约翰·D.洛克菲勒，谈到信仰：

我在纽约州由提卡长大，是母亲和姐姐把我抚养成人。她们是对宗教信仰从一而终的基督教妇女。我也一直属于长老会的教会，因为，我相信基督教的宗教精义，我还相信，与信任教会效力的人们齐心合力，将精义发扬光大，是人类保全自身和发展的一种方式。

下面引述沃尔科特〔1923年10月6日致W.P.伊诺（W.P.Eno）〕关于饮酒的观点，不是出于我认为它古雅或过时的原因（实际上，我赞同沃尔科特的个人选择，只是对他在第二段中预想的政治后果有所怀疑），而是因为其行文语气极好地反映出其个人性格及抱有的基本态度。

40年前，我初来华盛顿时，常和一班年轻人一起，在下午谈论共同关注之事。我们通常喝的是啤酒，也有人如其所愿，喝白兰地或鸡尾酒。我对任何酒精饮料都没多少兴趣，可以下结论说，我能做到滴酒不沾。随着时光流逝，即使那些朋友摄入的是少量酒精，长此以往，它的影响也会逐渐显露出来。他们的性格、意志、行事效率出现一定程度的恶化，在大限的通常年龄远远到来之前，他们就因肝、肾、胃出现的种种问题，再也没有能醒过来（作者注：他是指去世，而非醉晕过去）。他们当中仅有一人至今健在，他在20多年前就已放弃“抿一口”了。

我相信，如果能将所有酒精饮料完全禁止，只需一代或两代人的时间，人类的进步水平和福利就会得到很大的提高，个人或集体遭受的苦难、道德败坏、堕落随即消失。

在政治方面，沃尔科特摇摆于拥护极端爱国主义的保守极端和尊重个人机会完全平等的自由看法之间。在后者方面的表现，例如他拒绝将整个种族或社会阶层打上生理上低人一等的标签，倡议平等享有受教育的机会，如此一来，来自社会各层的天才总会脱颖而出。1913年6月30日，他在致罗素·塞奇夫人 [22] 的信中写道：

我对您的教育事业尤为关注。因为我相信，只有通过教育，才能使普罗大众的生活标准提高到健康、卫生的水平。

能人与天才在一个社会阶层里出现的频次，与在另一个社会阶层里出现的频次相同，在劳工阶层的孩子里出现的频次，与在生活富足阶层的孩子里出现的频次相同。数个世纪以来，多数伟人出自安逸阶层，这一事实恰好证明了（受教育）机会的强大威力。

在第一次世界大战中，沃尔科特的一个儿子牺牲于空战，他极端爱国主义的一面，在对德国的愤恨中显露得极为突出。1918年12月11日，他拒绝了普林斯顿大学校长的邀请，没有出席校方为阵亡学生举行的追思仪式（沃尔科特经常使用他那一代人对德国人的称谓——“德国鬼子”）。

我已回避了所有的追思集会和仪式，因为它们会激起我对“德国鬼子族群”及其同伙的深深恶感，使我在精神和道德上无法自持。我心生的这种恶感形成于他们侵入比利时之时，他们击沉“路西塔尼亚号” [23] 以及在战争中犯下的累累罪行，使这种情绪变得更加强烈。自签订停战协定以来，已举行过多次活动，但到现在，它们仍不能使我释怀。

如存档所揭示的，沃尔科特最恶毒的怨恨，在1920年对杰出人类学家弗朗茨·博厄斯（Franz Boas）发起的非同寻常的迫害攻势中宣泄得淋漓尽致。博厄斯是出生于德国的犹太人，政治“左”倾，同情心向着德国，这些属性从方方面面激起沃尔科特的偏见。1919年12月12日，博厄斯在《国家》杂志上发表了一篇短文章。 [24] 这篇文章的标题为《充当间谍的科学家》（Scientists as Spies ），指控一些人类学家在战争中利用科学的豁免权，获取禁区和保密信息的访问权限，为美国搜集情报。他辩称，政客、商人或军人秘密搜集情报可以令人接受，因为其职业的日常即为口是心非，然而，这种欺诈行为对于科学的原则而言，是极其邪恶的，具有毁灭性。博厄斯的这封公开信在如今不会激起多少涟漪，大多数人可能会将之解读为一种近乎幼稚的为科学理想呼吁的行为。

但是，在一战之后的美国，极端爱国主义的氛围强烈，反应必然不同。对于沃尔科特而言，博厄斯的公开信好比压死骆驼的最后一根稻草，是来自一贯不忠诚的祸害外国佬的致命一击。他声称，博厄斯是在直面谴责威尔逊总统撒谎，因为威尔逊说过：“只有独裁政权才豢养间谍，民主政权不需要。”沃尔科特还将这封信解读为对美国科学界整体诚信的责难，因为一小撮从业者或许是“双重间谍”——获取知识，又获取情报。

沃尔科特以其夸大的解读为基础，发起声势浩大的运动，以求官方对博厄斯正式谴责，或许也希望将他个人逐出美国科学界。沃尔科特立即采取行动，断然取消了博厄斯在史密森尼的荣誉职位，然后，写信给自己位居高位的保守同行们，就如何惩罚博厄斯征求建议。例如他在1920年1月3日致哥伦比亚大学校长尼古拉斯·默里·巴特勒（Nicholas Murray Butler）的信中写道：

博厄斯博士在史密森尼学会的有关职位，是兰利会长在1901年专门为他设立的，现已被取消。

博厄斯博士12月20日发表在《国家》上的文章中显露出的品质让我觉得，持有这种看法的人不适合与史密森尼有正式的关系。我宁可要百分之百的美国人。思想败坏的布尔什维克类型，无论是俄国人还是德国人，无论是犹太人与否，于公于私，我都觉得百无一用。我深知与德国的斗争已经结束，但有些因素可能会散布不信任的情绪，激化内部矛盾，并最终摧毁美国所代表的一切。与这些元素的战斗，才刚刚打响。

许多同行给予沃尔科特合理的建议，劝他冷静下来，只要能做到，风波很快就会烟消云散。也有人和他站在一起，一如麦卡锡的疯狂。哥伦比亚大学的迈克尔·普平 [25] 希望如旧日一样（战斗），男人像个男人，团结到一起，共同铲除这等祸根。他写信给沃尔科特：

他（博厄斯）袒护德国，攻击美国，居然还被允许教育我们的后辈，享有国家科学院院士的荣誉。每念及此，就让我渴望回到旧日绝对主义的美好时光，随时有办法清除像弗朗茨·博厄斯这样的祸害。（1920年1月12日信）

沃尔科特打心底里赞同这一看法：“感谢您1月12日的来信。您对博厄斯一事的总结相当有力度，我十分满意。”

沃尔科特在华盛顿人类学学会（Anthropological Society of Washington）率先发起一项申斥博厄斯的决议，并在1919年12月26日获得通过，只有一个人投反对票。四天之后，美国人类学学会（American Anthropological Association）在马萨诸塞州（波士顿）剑桥举行会议，以21票赞成10票反对的投票结果，通过了谴责博厄斯的决议，并把反对者打上“博厄斯团伙”的标签。这项决议开出一服如下引述的有趣药方，以为可解博厄斯攻击真实民主之毒。

以美国主义的名义对抗非美国主义，（决议）进一步尊重地请求，对于博厄斯博士，以及在决议中投反对票——支持其不忠诚行为的十名美国人类学学会会员，应禁止参与任何事关效忠美国政府的工作。

那是一个极端爱国主义的时代，但每个时代都有每个时代的极端主义者，以及光明守护者。

沃尔科特对于生命史和进化的一般立场

沃尔科特自视为达尔文的追随者。这一忠诚的表态，依大多数现代解读，应暗示着他强烈认同进化路径上充满着变数和机遇，并深信生命的故事有关对局部环境不断变化的适应，而非总体的“进步”。但达尔文是个复杂的人，其大名的标签可以贴到数种不同的生命观上。这些生命观，有些是相互矛盾的，而且，自达尔文的世纪到现在，关注点也发生了变化。

生命并不意味着全无自相矛盾或模棱两可。学者常错误地以为，对伟大的思想家进行解读必能得出自洽的结果。但伟大的科学家可能一生挣扎于某些问题，却从未找到答案。他们或许为相互冲突的诠释所吸引，并同时屈服于双方。他们的挣扎不一定能得出自洽的结论。

达尔文内心长期为是否认同“进步”而斗争。他发现自己限于困境，不能自拔。他知道，自己在有关进化机制的基本理论——自然选择的论述中，并未言及“进步”。自然选择只能解释生物如何随着时间的推移逐渐适应，以应对所处局部环境的不断变化——按达尔文的话说，就是“逐代改造”（descent with modification）。达尔文认为这种“否定整体进步但接受局部调整”的观点是自己理论里最激进的部分。他在1872年12月4日致美国古生物学家（也是我的办公室曾经的主人）阿尔菲厄斯·海厄特 [26] 的信中写道：“经过长期的思考，我不可避免地肯定，逐渐进步的必然趋势并不存在。”

达尔文身处英国帝国扩张和工业辉煌达到顶峰的维多利亚时代，他是那个时代的批评者，但也是其受益者。“进步”的字眼在他所处的文化和日常生活中无处不在。它体现了时代的主流，而且吸引人，达尔文无法拒绝这种说法。因此，纠结于常规的舒心观点与“变化是局部调整”的激进观点之间，达尔文也表达出接受“进步”的意愿，并将其视作生命史的主题之一。他写道：“世界历史上每个时期的生物，都在为求生存的竞争中击败了之前时期的生物。在某种程度上，它们在自然中的等级更高（结构更加特化）。这或许可以解释许多古生物学家尚未成形且定义不明的看法——作为一个整体，生物进步了。”（Darwin，1859，345页） [27]

在这些显然矛盾的立场之间，或许可以找到调和的余地，使其勉强自圆其说。因为，我们可以辩称，存在其他的基本因果过程，随时可以发生，会产生次要的后果。而达尔文眼中的进步，就是这些次要后果不断累积形成的产物。（局部调整的途径之一，是解剖学结构的改进。若由此能产生更优的整体构型，就能使生物在地质年代中存在的时期更长，进步或许就能通过这条间接路径实现。）面对达尔文的冲突观点，批评家们通常会给出这种存在问题的调和说辞。我自己也是如此，但我认为，更体面的处理，在于简单地承认，矛盾是实际存在的。进步的概念实在太庞大、太令人费解、太强势，不适合作为一个清晰明了的结论。依循理论的逻辑，结论往一个方向发展，而受社会先入之见的影响，则向着另一个方向。达尔文两边都想固守，因此，他从未走出这一两难的境地，无法使自己的言论自洽。

达尔文成为科学的一大圣人，一代宗师，到现在已经有一个多世纪。既然上述两种观点都出自其真诚的思考，对于后辈而言，只要达尔文思想的哪一方面与他们希望拥护的事实或改革协调一致，他们便倾向于接受哪一方面。我们所处的时代离在广岛展示的“进步”不是那么遥远，工业与武器带来的灾难使我们深陷其中。因此，我们倾向于接受达尔文“变化是局部调整，进步是社会幻想”的观点，以求安慰。然而，在沃尔科特的时代，尤其对于一个十分成功并带有传统倾向的人而言，达尔文固守的“进步为生命之出路”观点应是进化论者的中心信条。沃尔科特以达尔文主义者自居，他表达出的强烈信念即是这种信条的体现。他坚信，自然选择确保占优势的生物得以生存，并保证生命沿着意识可预见产生的道路不断进步。

沃尔科特的文字很少言及对生命历史的一般看法，或者说——“哲学”态度。要解开他紧握伯吉斯“鞋拔”的谜团，从他发表的著作中，我们找不出所需的明确线索。幸运的是，他的存档再次提供了重要的文件。沃尔科特注重隐私，习惯待在幕后，但那是个没有碎纸机和越洋直拨电话的世界，而他事无巨细，把什么都记了下来。

他一直强调生命历史的进步性和计划性，在这些文件中，我发现有两件特别能揭示这些主张。第一件是一篇附注繁多的打字稿。它是为一次科普讲座准备的，讲座的题目是“寻找生命的最初形式”，时间显然在1892—1894年间 [28] 。沃尔科特告诉他的听众，达尔文已经给出解读生命历史的钥匙，那就是“某种有序的进步”。

如果能获得（生命历史中的）所有记录，我们会发现，在地球上自生命之初形成的所有生物之间，存在着如此紧密的联系，从最低级到最高级，可以形成一条完美的生命之链。

接着，沃尔科特对古生物学揭示的次序进行了具体说明。下面这段文字体现出他“拔鞋式”先入之见的关键。

早期的统治者是头足纲（Cephalopoda）动物。后来，是甲壳类站到前台。然后，可能是鱼类占据了主导地位，但它们被蜥蜴类（Saurian）迅速取代。这些陆生和海洋爬行动物盛极一时，直到哺乳动物出现。从此，无疑进入一个争夺霸权的时期，直到人被创造出来。然后，发明的时代到来，开始是燧石和骨器、弓箭与鱼钩，接着是矛盾、刀剑和枪炮、火柴、铁路、电报。

这段话寥寥数字便汇集了进步论者的全部信条，但我觉得其中有三个方面十分醒目。第一，在末行提到的通信和交通技术产生之前，推动进步的完全是武力。盛极一时的动物凭借的是力量和肌肉，人类凭借的是更强大的战争工具。第二，沃尔科特所言的进步，无论是生物的，还是社会的，都是那么连续平稳，甚至两者之间也没有间隔。我们沿着生物的等级阶梯不间断地往上攀爬，并直接转入人类技术的线性提升阶段。第三，沃尔科特对进步基于征服和取代的观点如此坚持，以至于没能发现自己举例阐述的不准确之处。他的链条并非如他暗示的那样，是在永恒的战场上基于（表述为武器的）解剖学结构优势的不断取代过程。爬行动物没有取代鱼类，它代表鱼类的一个类群在全然不同的陆地环境里发生的奇异改变。在海洋脊椎动物中，鱼类的主导地位从未被取代过。但沃尔科特将通过战斗实现进步的线性等级与分类学中罗列脊椎动物的惯用顺序相等同，他是如此肯定，进而忽视了这个根本性缺陷。

这一观点基于“取代通过征服实现”的原则，将生命看作一条单一的进步之链，从有机体构型的更替，平稳地延伸到人类技术的更新。这种观点怎么可能容得下我们对伯吉斯动物群的全新诠释？对于沃尔科特而言，伯吉斯（动物群）是那么久远，一定包括后代改进类群的简单前体，而且范畴局限。在这种生命观的影响下，“差异度登顶，随后彩票抽奖式抽灭”的现代主题不只是不能被接受，它简直是不可理解，甚至永远不能上升到作为可供参考选项的高度。对于沃尔科特而言，伯吉斯的生物必须简单，范畴必须局限，必须是祖先形式——换言之，必须是“鞋拔”概念的体现。沃尔科特的这一逻辑推断是他的先入之见使然，如果您对这一断论还有所怀疑的话，可以看看同一讲稿的另一段。其中，他明确地将过去所有的生物种类局限于几个主要谱系的范围之内，保证进步注定发生：“几乎所有动物，无论是现存的，或是已灭绝的，都归属于几个主要类别或形态类型。” [29]

如果这一文件还不足以揭示沃尔科特对进步和伯吉斯“鞋拔”的需求，我们接着看第二件，它从道德和宗教等方面加以补充。其实，沃尔科特对进化路径的简单描述本身，便可作为他有“鞋拔”在手的确证，并将酝酿出“彩票抽奖式抽灭”想法的任何可能排除在外。不过，如果相信自然也是道德准则的体现，步伐稳重的进步和可预见的结果是伦理的基础，那么，内心对“鞋拔”的需求就会无限地放大。描述（description）的说服力已足够强大，而规范（prescription）的力量可以是压倒性的。沃尔科特在1926年1月7日致R.B.福斯迪克 [30] 的信中谈到进化中有序进步的道德价值：

一些年来，我觉得科学有劫持人类进化有序进步并导致灾难的危险，除非找到某种方法，使利他主义，或如有些人认为的心灵之性——发展到一个更高的程度。

第二件有关道德与“鞋拔”的文件，代表了沃尔科特对20世纪美国社会史上一段关键插曲的由衷回应。这一插曲是反进化论原教旨主义者的卫道，在1925年“斯科普斯审判” [31] 时达到了顶峰。威廉·詹宁斯·布赖恩是美国最伟大的演说家，三次败北的总统候选人（详见Gould，1987c），虽年事已高，仍宝刀不老。在他的领导下，圣经直解论者说服数州，立法禁止在公立学校讲授进化论。

科学家在过去和现在抱有的基本态度，以及最终于1987年为我们在最高法院争得胜利 [32] 的辩述，都认为科学和宗教的传播同等合法，但不可共处一室。这种“分开主义”宣称，将自然机理和现象交给科学家，将伦理的定夺基础交给神学家和人本主义者。用过去的简短诙谐语说，就好比“岩石年龄”（the age of rocks）对“万古磐石”（the rock of ages），或者“天堂如何运转”（how heaven goes）对“如何去天堂”（how to go to heaven） [33] 。为了能自由地探究自然的每条路径，科学家抵制住诱惑，没有将世界的物理存在作为道德推断和评判的基础——这一做法再好不过，因为自然事实无论何时都不体现道德主张。

在沃尔科特看来，这种“分开主义”的观点极其可憎。他渴望直接从自然中找到道德的答案——他想要的那种可以证明自己对生命和社会的保守看法的答案。他希望将科学与宗教合为一体，而不是双方达成“一刀切开，各据一方”的共识。实际上，他对“分开主义”的论述有所微词。他指责这种论调使人们怀疑，科学真的想将宗教完全除掉（而让宗教不染指自然不过是出于实际的权宜之计），从而助长了布赖恩反智的气焰。由此，沃尔科特决定向布赖恩及其同伙宣战。他发表了一篇声明，有关科学与宗教的联系——尤其是在进化演变的路径中有上帝亲力亲为的林林总总。同署声援的人和他一样，都是受人尊敬的保守主义者。在游说朋友同署签名的信中，他写道：

不幸的是，科学界和宗教界里一些极端分子的行动，已经让具有像威廉·詹宁斯·布赖恩那般思想的人看到，教授进化论的事实正对宗教构成极大的威胁。

现有一篇有关科学和宗教的关系的声明，为求获得更多宣传，已请求众多保守派科学家和神职人员署名。

这一声明发表于1923年，距离斯科普斯审判尚有两年时间。沃尔科特是第一署名人，同署人包括赫伯特·胡佛，以及像亨利·费尔费尔德·奥斯本、埃德温·格兰特·康克林、R.A.密立根 [34] 和迈克尔·普平那样的学科带头人。声明的意见认为：“在最近的争议中，有将科学与宗教的关系刻画为不可调和、思想对立的倾向……（然而，）两者是互为补充的关系，并非要取代或反对对方。”

沃尔科特的声明接着辩述，大多数美国人将宗教真理视作个人内心安宁与社会结构构成的基础，要平息原教旨主义者的攻击，只能通过展示科学和宗教真理可以合二为一来实现。（他认为的）这种合二为一的主要证据，在于生命历史具有有序、可预见、逐渐进步的特点——因为进化的路径即展现了上帝对众生的仁慈和关爱。在“自然选择导致进步”的原则下，进化便代表了上帝通过自然展现自己的方式。

这是上帝的一个宏伟构想，它由科学来完成。在将地球建造成人类安身之所的时代，在不断赋予肉体以生命，并在具有心灵之性和类似我主之能的人类出现时达到顶峰的时代——当它代表他，在无数时代里展现其存在之时，它与宗教的最高理想完全一致。

在这关键的一段话里，“鞋拔”变成了上帝的工具。如果生命历史所展现的，是直接来自上帝的仁慈，使得一切井然有序地朝着人类意识的产生行进，那么，存在着上10万种可能情形（且没有几种会产生有自我意识的智能物种）的“彩票抽奖式抽灭”，就根本不可能成为诠释化石记录的选项。（那么，）伯吉斯页岩的生物必须是未来有改进后代的原始祖先类型。伯吉斯“鞋拔”不只是舒心的惯常生物观的基石，它还是一件道德武器，几乎是上帝的旨意。

伯吉斯“鞋拔”与沃尔科特对寒武纪生命大爆发的纠结

即便在发现伯吉斯页岩之前，沃尔科特从未碰到过一块寒武系的岩石，他的人格以及对进化的一般态度也会让他形成“鞋拔”式的成见。但是，除了前述两个方面以外，沃尔科特还有一些十分特殊的原因。这些原因基于他一生对寒武纪研究的执着，特别是对寒武纪生命大爆发之谜的痴迷。

我用本书整整第一章揭示图说对概念的影响，在其中展示了两类基本图像——“进步的阶梯”和“多样性不断丰富的圆锥”，分析它们如何迎合人类的希望，并以之为基石，形成对生命的一般性观念；如何强迫地将伯吉斯动物诠释为原始的前体。在本节的前两个小节，我向您展示了沃尔科特的人格及其对进化的一般态度，引出了阶梯。（本小节将展示）他关于寒武纪更特殊的辩述，则基于圆锥。

将进化树作为系统发生的标准图说，是德国形态学家恩斯特·海克尔在19世纪60年代提出的。（也曾有其他人借用植物的形态，绘制过抽象的分枝图，作为展示生物间相互关系的一般向导。达尔文也不例外，他的《物种起源》中就有一张类似的图绘。但海克尔创建这类图说，是为了展现进化关系。他绘制过很多可见树皮纹路和扭曲分枝的树状图，图中每个小枝都对应一类真实存在的生物）对于以英语为母语的人而言，海克尔的名字不像托马斯·亨利·赫胥黎那样为人熟知，但他的确是最坚定、最有影响力的进化论推广者。在沃尔科特学习和教授古生物学的年代里，那些树状图是常见的教学材料，以张扬的方式处心积虑地体现出“阶梯”和“圆锥”的主题。

首先，海克尔所有树状图的分枝表现为向上、向外的不断扩展，形成一个圆锥。（海克尔有时允许次级圆锥的外围分枝在顶部向内收拢，留出足够的空间，以便容纳所有的类群——但值得留意的是，他在每次采用这种手段时，都是那么处心积虑地使绘图给受众一种向上、向外的总体印象）海克尔对类群的排列方式强化了“位置越低越原始”的严重误解，因而将“圆锥”和“阶梯”这两个中心主题合二为一。

举个例子，下面来看看海克尔如何看待脊椎动物的系统发生〔见图4.4。文中所有由海克尔绘制的示图选自其1866年出版的著作《普通形态学》（Generelle Morphologie ）〕。图中的树整体向外、向上分枝，形成两部分，上部的多样性要丰富很多。下部容纳的是鱼类和两栖动物，显然赋予了较为局限的扩展性和原始的属性；而上部容纳的是爬行动物、鸟类和哺乳动物，意味着更丰富、更高级。然而，无论鱼类和两栖动物起源于何时，它们至今依然存在——鱼类仍是迄今种类和形态类型最为丰富的脊椎动物。海克尔的哺乳动物进化树状图（图4.5）显然将生物在图中所处的较上位置与高级混为一谈。当小枝末梢全权代表其所属类群的进步水平时，相关的多样性就可能会被曲解。偶蹄目动物（牛、羊、鹿、长颈鹿及其近缘种类）多样性十分丰富、形态学特征高度特化，但全拥挤在树的下部；相反，灵长类是个规模相对较小的类群，却占据了上部近一半的空间，且位于文化上更受青睐的右方；而哺乳动物中多样性最丰富的类群——啮齿动物，则被挤压在泡泡大小的空间里，夹在上下两部分之间，上下难辨。那是因为，顶部没有空间让它得见天日，那儿已被海克尔最喜欢的两个类群——肉食类（代表勇猛）和灵长类（代表机智）占满。

图4.4　海克尔的脊椎动物进化树状图（Haeckel，1866）。鱼类的差异度实际上比其他脊椎动物加起来还高，但这幅错误的图说以“多样性不断丰富的圆锥”的原则为基础，使得这一类群局限于下部的分枝，且幅度随着向上的方向不断增加。【图中中文为正文中提及的类群——译者注】

图4.5　海克尔的哺乳动物进化树状图（Haeckel，1866）。【图中中文为正文中提及的类群——译者注】

其次，棘皮动物的硬体结构保存完好，在海克尔的时代，它们已得到充分的研究。实际上，它们的故事与伯吉斯页岩相同——差异度早早达到最高，随后遭受抽灭。因此，棘皮动物可以作为检验树状图说体现是否得当的一个案例。如图所示，在地质年代早期，主干即已分出众多主要枝条（图4.6），可见海克尔已认识到差异度在早期即已达到最高。然而，“圆锥”的信条规定，树状图必须向上越展越开。所以，这些早期类群位于下部，空间遭到挤压，狭小得无关紧要。剧烈的抽灭结束后，在树的现代部分，几乎所有的多样性都体现在两个构型严格局限的类群——海星和海胆上。不过，海克尔这幅图说给人的印象，仍是（多样性的）规模不断扩增。

图4.6　海克尔绘制的棘皮动物进化树状图（Haeckel，1866），符合“多样性不断丰富的圆锥”的原则。这一类型显现出的，实际上是“差异度早早达到最高，随后遭受抽灭”的伯吉斯模式，但海克尔的图说给人的印象，仍是多样性不断丰富，规模不断扩增。【图中中文为正文中提及的类群——译者注】

最后，来看看海克尔的环节动物和节肢动物进化树状图（图4.7）。我们重新诠释的所有伯吉斯动物，都被沃尔科特置于这个框架当中。这幅图中的树以最大限度显现出向上和向外的趋势，沃尔科特将所有伯吉斯节肢动物置于其中位于下部的两个相邻分枝：一个是海克尔的Poecilopoda（与鲎及板足鲎一类），容纳西德尼虫及相关类群；一个是鳃足动物—三叶虫分枝，容纳几乎所有的其他构型。

图4.7　海克尔绘制的节肢动物及近缘类群的进化树状图（Haeckel，1866），再一次符合“多样性不断丰富的圆锥”的原则。【图中中文为正文中提及的类群——译者注】

绘制伯吉斯生物系统发生图并将之发表，沃尔科特仅尝试过一回。那是三幅树状表图，全都依循（海克尔）图说的所有常规，见于沃尔科特关于伯吉斯节肢动物的主要论文（Walcott，1912）。它们在论文中的出现顺序，也充分说明了图说的思想局限性。第一幅（图4.8）的描述十分简单，是以系统发生为背景的“地层分布”图。即使在这种图里，“圆锥”和“阶梯”的传统仍一道将伯吉斯生物的全体差异度局限于少数几个被接受的主要类群之中。由五属“类肢口类”组成的一组动物挤在一条线上，形成一个“阶梯”。它们在线上排列的先后顺序（从下往上）为哈贝尔虫、臼齿山虫、翡翠湖虫、阿米虫（Amiella ）、西德尼虫，以板足鲎及鲎祖先的形式呈现。这些属生于同一时期，而沃尔科特要让它们给人一种依时序演替的印象。

图4.8　沃尔科特展示伯吉斯节肢动物系统发生的第一幅表图（Walcott，1912，156页）。沃尔科特凭猜测绘制出数条辅助（点）线，它们回溯到他假定的利帕尔间隔期，朝着共同祖先的方向汇聚。由此，他的数据被强加上“圆锥”和“阶梯”的特征。此外，他还将伯吉斯差异度本身的爆增程度弱化至最低，具体表现为：将实为同时期的五类动物排成一列（最右），呈现出明显的先后顺序；在最左虚拟一条边界线，暗示差异度（/多样性）在伯吉斯时代之后保持不变，然而并无依据。【内表海〔epicontinental（sea）〕，即海平面下降或地壳隆起而形成的内海。阿尔冈纪〔Algonkian（period）〕，指前寒武纪时期的一个阶段（Walcott，1912，4页）——译者注】

根据“圆锥”的原则，其他属类全部被强行归入两大类群——鳃足类及三叶虫—肢口类谱系。这些属类的动物（只是）生于同一时期，但沃尔科特用两条垂直的（点）线为整幅图镶了侧边，暗示后来的差异度（/多样性）与伯吉斯时代的规模相当——尽管没有直接证据支持这一假定。值得特别注意的是，左边界线不与任何生物相对应——这条线只是一个附加的图示手段，好让圆锥的形状一目了然。若没有这条线，就可能意味着差异度在伯吉斯达到最高，随后显著降低。永远不要怀疑一个像这样貌似无足轻重的细微举动！可以说，这垂直一划，即优雅地概括了我在本书里试图要讲的话——加上的这一笔，代表的是对生命的一种哲学看法，而非对生物的实际记录。

沃尔科特在图中采用的另一手段也没有数据作为支撑，只是用来支持传统的诠释。他将伯吉斯属类的起源划入前寒武纪时期（末）的一个间隔期，并将之称为利帕尔期（Lipalian），生命在其间的起源也是有先有后。他用两条斜线将这些不同的源头连接起来，直指整棵生命之树在前寒武纪时期的远古祖先。这一手段使这一树状图有了根，并将其设定在差异度局限的早期。但是，伯吉斯节肢动物的这种进化顺序是否存在？沃尔科特根本没有证据，而且，直到现在，我们也没有。

沃尔科特的第二幅图（图4.9）以更醒目的方式展现出“圆锥”的巨大威力。沃尔科特声称，伯吉斯节肢动物中可明确识别的谱系有五个——一个属于已灭绝的三叶虫类，其他四个分属如今生活在水中的优势类群。他又一次采用上述两种手段，将差异度较高的伯吉斯类群挤到“圆锥”细狭的一端。首先，他让五个谱系看似往底部的方向集聚（其中四个不明显，可能是因为他觉得，全无证据支持便下此论断，有些难为情，所以放不开；但对于肢口类一系，这一处理就显得大张旗鼓，线条曲弯呈明显的角度，因为他有一些证据可以引述——在下文即可见到）。其次，他将所有这些来自同一时期的化石分置于诸分枝垂直方向的不同位置。这一举动暗示，它们所代表的，是多样性随时间推移的逐渐丰富。在肢口类的分枝上，他依次罗列了八个属类（其中五个仅生活在伯吉斯页岩的时代），在肢口类和甲壳类之间生造出一丝假定的联系：“有诸如哈贝尔虫、臼齿山虫、翡翠湖虫等属构型的存在，鳃足亚纲与以西德尼虫和后来板足鲎为代表的肢口亚纲之间的缺口，即得以弥合。”（Walcott，1912，163页）最后一幅，如图4.10所示，可见沃尔科特对伯吉斯节肢动物系统发生理论性最强的最终看法。甚至是更大的类群，也被排列到垂直的分枝线上。对整棵树回溯，可汇集到以鳃足类为祖先的根部。

图4.9　沃尔科特展示伯吉斯节肢动物系统发生的第二幅表图（Walcott，1912，161页）。所有谱系又一次朝着一个假定共同祖先的方向汇集。在左侧和中间的线条上，一些同属一个时期的构型再一次以类似阶梯的次序排列。

图4.10　沃尔科特展示伯吉斯节肢动物系统发生的第三幅表图，也是他最后一次尝试（Walcott，1912，164页）。在这幅图里，谱系汇集至一点。主要类群位于在三个分枝中的一个枝条，且由下至上，依次排列。

这些系统发生图，把沃尔科特对伯吉斯节肢动物的诠释和之前30多年研究生涯的焦点——寒武系地层研究及寒武纪生命大爆发难题——联系到一起。沃尔科特为什么会不可避免地以“鞋拔”为手段诠释伯吉斯化石？将伯吉斯和沃尔科特对寒武纪生命大爆发的看法联系起来，便可得到这个问题更具针对性的最终解释。

简而言之，沃尔科特将伯吉斯节肢动物看作五个主要谱系的成员，在寒武纪早期即已稳定，并具备一定规模。但如果生命在那时就已在现代谱系的框架中分化得如此之好，那么，根据化石证据的记录，这五个谱系一定在寒武纪大爆发开始之时就已经存在——因为，进化是个缓慢渐变的过程，不属于多样性忽然跃升、疯狂爆发的概念范畴。进一步说，如果这五个谱系在寒武纪之初即各为分化如此之好的类群，那么，其共同祖先必出现在遥远的前寒武纪时期。这样一来，寒武纪生命大爆发一定是因化石记录不完全而形成的假象。用达尔文的话说，前寒武纪晚期的海洋一定已然“生机勃勃”（Darwin，1859，307页）。

如果是这样的话，在前寒武纪时期必然有丰富多样的生物存在。然而，我们缺乏证据。沃尔科特以为自己发现了缺乏的原因。换言之，他以为自己在达尔文的“正统”框架之内解开了寒武纪生命大爆发之谜。将伯吉斯节肢动物归入五个熟知的稳定类群，更是巩固了他的解决方案。

寒武纪甲壳动物群表明，五个主要支系或主干……存在于寒武纪之初，而且，它们在利帕尔期已经出现，或者，在寒武纪之前海洋沉积的时期就已出现，只是这些地点不在如今的大陆之上。”（Walcott，1912，160—161页） [35]

我们必须牢记，寒武纪生命大爆发不是一个普通的谜题，因此，得到潜在答案不是小菜一碟，其难度与寻找圣杯 [36] 更为相似。如之前（在第二章里）已提及的，达尔文曾公开表达过自己的烦恼，“这个问题现在无法解释，或许还会被当作有力的论据，用来抨击此处提出的观点”（Darwin，1859，308页）。

对于前寒武纪时期祖先证据的缺乏，有两种不同的解释：一个是“假象理论”（祖先的确存在，但化石记录没有得以保留），另一个是“快速过渡理论”（它们确实不存在，至少不存在能与后代轻易联系起来的复杂无脊椎动物。现代解剖学构型的进化形成实现得如此之迅速，已威胁到我们对演进变化步伐稳重的一贯看法）。有关两者的争论已持续了一个多世纪。

达尔文将从容渐变的进化与自然选择导致的改变混为一谈，他的这一特征鲜明（且错误）的举动使他随即拒绝了“快速过渡理论”。他坚持认为，任一复杂的寒武纪生物在前寒武纪时期必有一大批基本构型相同的祖先：“令我无可怀疑的是，所有的志留纪（现在所说的寒武纪）三叶虫皆自某一种甲壳动物演变而来，而且它在志留纪（寒武纪）之前一定已存在过很长的时期。”（Darwin，1859，306页）

因此，达尔文试图寻找一个令人信服的“假象理论”版本。最终，他提出，在前寒武纪时期，我们如今立足的陆地，可能是清澈的广阔海洋。在如此水域里，没有陆地间或出现，鲜有或不会有沉积物产生。所以，在前寒武纪晚期动物群存在的关键时期，当前的陆地没有得到任何的（生物）地层积累，而产生沉积物的浅水区域，如今藏于海洋深处，不可到达。我们现在可以见到的所有岩层，全都在当前的陆地之上。

沃尔科特一直坚守“假象理论”。它是他对寒武系地质学及寒武纪生命的整体态度的基石。他从未怀疑这样的观点——寒武纪生物之所以复杂多样，是因为它们在前寒武纪时期漫长的岁月里各有一大批构型相似的祖先。他在早期的一篇论文中写道：“在小油栉虫（Olenellus ）之前的海洋里，生命个体较大，类型多样。这一点，即使有可疑之处，疑点也不会有多大……这只是一个如何寻找、在何等有利条件下发现的问题。”按当时的定义，小油栉虫是最古老的寒武纪三叶虫。所以，“小油栉虫之前”意味着前寒武纪时期。在他后期的一篇论文中，有如下叙述：“一些已知最早的构型在当时已处于成形的高级阶段，因此，几乎可以肯定，远在前寒武纪时期，它们就已存在了。”（Walcott，1916，249页）

沃尔科特还一直守护着“假象理论”的一个特别方面，然而，在伯吉斯涌现的新门类会对之有所危及。若使“假象理论”成立，就需要许多现代类群在前寒武纪时期有漫长的历史，但又不会留下相应的化石。这样一来，就只能通过后来有记录的生命历史的一些方面，来推测前寒武纪时期生命的存在。因此，沃尔科特从稳定性的概念入手，为“假象理论”寻求支持。如果在整个有记录的生命历史中，基本构型的数目未发生过改变，那么，这种稳定性必定在有记录的历史之前也存在。您想，一个在数亿年中如此稳定的系统，会产生于地质学尺度瞬间的一闪吗？持久的稳定性必然意味着，在遥远的前寒武纪时期的迷雾之中，深藏着一个共同祖先；后来类群的产生，是一个漫长而稳定的过程，而非如紧贴寒武纪边界之下，于新纪元起点，打了一个巨大的生命爆发之嗝。

到这里，我们便可以理解，为何沃尔科特采用伯吉斯“鞋拔”几乎是出于被迫。在伯吉斯之前，他耗费了（大多数时候感到沮丧的）30年，只为证明“假象理论”。鉴于此，他对这一新动物群的诠释，是作为一个地质学家，向达尔文致以的终极敬意。尽管在现在看来，伯吉斯生物的独一无二是显而易见的，但在当时，他不能如此定性。因为，如果确定有新的门类涌现，他最珍视的信念就会受到威胁。若进化能使10个新的门类在寒武纪迅速形成，而后又同等迅速地将其抹除，那么，对于幸存的寒武纪类群，该如何解释呢？为什么它们该有源远流长的尊贵前寒武纪时期血统？为什么它们就不能在寒武纪开始之前一刻起源，何况根据化石记录可以得出如此解读，而且符合“快速过渡理论”。如此论证，自然会敲响“假象理论”的丧钟。

如果他不如此定性，转而将所有的伯吉斯生物硬塞入现代类群，如同拔鞋一般，那么，就能为“假象理论”提供最强有力的可能支持。因为，将差异度如此缩减，可以提高现代类群在生命历史记录之初的代表比重，随着时光流逝，其主要构型的外在稳定性就能得到极大的提升。显然，沃尔科特全力以赴，满怀欣喜，选择了这一条道路。毁灭，还是巩固——面对这一抉择，能怎么选？

沃尔科特从地质学年代的两个方向探讨“假象理论”：一个是从寒武纪向前回溯，通过伯吉斯“鞋拔”实现；另一个是从前寒武纪时期往后的方向。教科书对某些历史的回顾典型地一反平常。通过这种方式，沃尔科特有关前寒武纪的辩词，反而成为其最持久的精神遗产。大多数教科书包含篇幅为2～3页的绪论部分，涉及学科的历史。这种形式既是传统，还几乎带有强制性。然而，它们是对学术的扭曲。对于过去的一些优秀思想家，它们只用一两行文字介绍其过失，而且通常解读失当。通过这种鄙视，它们想表明过去的那些人何等愚蠢，炫耀如今的我们变得何等有见识。查尔斯·都利特·沃尔科特是美国科学史上最有影响力的人物之一，然而，就此随便问一个地质学专业的学生，即便有肯定的回复，可能都类似——“哦，是的，生造出一个不存在的利帕尔间隔期来解释寒武纪生命大爆发的那个蠢蛋。”我第一次听说沃尔科特，就是在这种情况之下，远在知道伯吉斯页岩之前。历史可以开启心智，也可以让人觉得残酷。然而，回想上面有关伯吉斯和“假象理论”的讨论，我觉得，我们终于可以恰当地理解利帕尔间隔期的故事——认识到沃尔科特的这一提议尽管错得离谱，但在他抱有的一般理念范围之内，确实是一个合理的推论。

“假象理论”是沃尔科特所持科学理念的中心。他对伯吉斯动物群的结论支持这一理论，但他需要从前寒武纪时期入手论证，找到更为直接的原因。前寒武纪时期的动物都到哪儿去了？曾有过一些见解，例如广泛存在的变质作用（在热力和压力的作用下，岩石的性质发生变化）使所有前寒武纪时期的化石荡然无存；又如，前寒武纪时期的生物没有可以形成化石的硬体结构。沃尔科特否定了变质作用理论，因为他发现过许多未发生改变的前寒武系地层。对于硬体结构理论，他认为或许没错，但不能解释整个现象。

究其根本，沃尔科特是个精于寒武系岩石，有过野外实地工作经历的地质学家，有着所有野外工作人员都有的癖性。随着对寒武纪生命大爆发难题的兴趣不断浓厚，他的应对方式也显而易见——从前寒武纪时期最末形成的地层中搜寻寒武纪化石渺无影踪的祖先。为此，他在美国西部、（发现伯吉斯的）加拿大落基山脉、中国工作了很多年，但并未发现前寒武纪时期的化石。因此，他试图重构前寒武纪晚期的地球地质及地形历史，使之能解释那令人沮丧的证据缺失情形。

沃尔科特最终得出与达尔文的猜测相反的结论，但大体上又是一致的——存在含有大量前寒武纪时期化石的岩层，只是难以到达而已。达尔文曾提出，前寒武纪时期的海洋广阔无边，没有就近的大陆作为沉积物的来源。沃尔科特辩称，前寒武纪晚期是一个地壳隆起的造山时代，大陆远比如今辽阔。既然如沃尔科特和其他人所言，生命在海洋中进化，彼时尚未在陆地或淡水中定殖，那么，在前寒武纪时期的那些辽阔大陆上，虽然有如今我们可以达到的区域，但不可能发生海洋沉积。（沃尔科特所言的时代远在大陆漂移理论被接受之前，他从未对大陆方位永久不变产生过疑问。所以，他辩称，如今可以进行地质学观察的区域，在前寒武纪时期，是更辽阔大陆的中心。前寒武纪晚期的沉积物或许就在位于大海中数英里之下的深处，可是还没有现成的技术，能让此等潜在珍宝重见天日，甚至只是零星取样。）

声名狼藉的“利帕尔间隔期”，即为沃尔科特对前寒武纪时期未发生沉积的阶段的称谓。沃尔科特提出，在可追溯的海洋沉积历史中，存在一个全球性的空白期，而这个间隔正好是现代类群在前寒武纪时期的祖先生活的关键时期。1910年8月18日，在斯德哥尔摩召开的第十一届国际地质学大会上，他发表了一次著名的演说。在其中，他讲道：

在过去18年里，我一直留意有助于解决前寒武纪时期生命难题的地质学和古生物学证据，并研究了一系列寒武纪及前寒武纪时期的地层。这些地层有的来自北美东部——从（南）亚拉巴马到（北）拉布拉多（Labrador），有的来自北美西部——从（南）内华达、加利福尼亚远至（北）艾伯塔、不列颠哥伦比亚，还有来自中国的。我试图从中寻找生命的证据。渐渐地，我不得不得出这样一个结论——在北美大陆上，我们没有发现包含有机残迹的前寒武纪时期海洋沉积物；寒武纪动物群的突然出现是地质环境造成的，与生物环境不成因果关系……简而言之，我的想法是，阿尔冈纪（Algonkian）（前寒武纪晚期）……是一个大陆隆起的时期，陆相沉积主要发生在非海洋水体，同时，也是一个在广泛的区域内以大气和溪流为介质沉积的时期。（Walcott，1910，2—4页）

他还补充道：

在此提出利帕尔期，指代未知的海洋沉积时期……早寒武世动物群的（貌似）突然出现……可以解释为，在我们当前的陆地附近没有（利帕尔期的）沉积，因此，也就没有利帕尔期的动物群（被发现）。（Walcott，1910，4页）

沃尔科特的解释或许听起来有些牵强，目的性太强。但它实为挫折的产物，而非出于发现的喜悦。然而，不存在的利帕尔期并不像我们的教科书上通常展示的那样——是傻瓜的论理。它是在令人焦虑的进退两难之下，对地质学证据进行综合的可信结果。若沃尔科特被拍砖是“罪有应得”，请把板砖对准他因为坚持自己偏爱的思考方向——“假象理论”，而没有考虑其他选择的举动；另要对准他那被古老的渐变论偏见左右的错误假定——认为进化就意味着任何复杂生物都有一长串连续的祖先。即便在现有的地质学信息背景下，利帕尔期假说有一定的道理，其有效性仍取决于科学家可采用论据中最不可靠的一种——证据缺失（negative evidence）。这一点，沃尔科特很清楚，他承认：“我完全清楚，上述结论主要基于阿尔冈纪地层中海洋动物群的缺失。”（Walcott，1910，6页）

而且，就如证据缺失的案例常会出现转机，地球终于有了回应，地质学家发现了大量的前寒武纪晚期海洋沉积物，但仍不见复杂无脊椎动物的化石。利帕尔间隔期最终被扔进了历史的垃圾堆。

像沃尔科特那般紧握伯吉斯“鞋拔”的现象，科学家有一个偏爱的术语，那就是超定（overdetermined），这是由多方面因素决定的。“差异度达到最高，后来遭受（或许是彩票抽奖式的）抽灭”的现代概念在沃尔科特那里从未有过一丝产生的机会。因为，在来自经历和思想的诸多元素的共同作用下，他必然会接受与之相反的“鞋拔”观念。这些元素中，任意一种的作用可能已经足够。合在一起，便对其他选择构成压倒性的优势，“超定”了沃尔科特如何诠释他最伟大的发现。

我们了解到：首先，在思想和行动上，沃尔科特是个“顽固传统主义者”，这种人格不会使他对人生任何层面的非传统解释垂青。其次，他对生命历史和进化的一般态度，是生命沿着可预见的路径稳步发展，其路径如同进步的阶梯和多样性不断丰富的圆锥。这种发展模式还含有道德意义，是上帝意图的展现——生命在经历了向上奋斗的漫长历史之后，将由上帝注入意识。再次，寒武纪生命大爆发之谜是沃尔科特在整个研究生涯关注的关键问题，他采用的针对性的策略倾向于这样一种看法——在伯吉斯时代存在的，是少数几个界限明晰的稳定类群。这样一来，就能肯定曾有漫长历史的前寒武纪生命存在，解释寒武纪生命大爆发的“假象理论”也得到了支持。最后，即使沃尔科特有意彻底扔掉“鞋拔”，鉴于伯吉斯页岩的数据矛盾重重，他的行政管理负担也不会允许他有足够的时间专注研究伯吉斯化石。

我将沃尔科特的诠释及其根源的种种细节一一呈现，因为我知道，没有什么手段能更好地展现科学史的最重要启示——数据的诠释和观察的视角被理论左右，微妙且不可避免。现实不会客观地向我们讲述，也没有科学家能免受心理和社会的影响。科学创新的最大障碍，通常是概念之锁，而非事实之缺。

从沃尔科特到惠廷顿的过渡，是这个主题最典型的实例。新观点的形成是一个重要的创新，是古生物学对我们理解生命及其历史前所未有的贡献，而沃尔科特跟它不沾边。惠廷顿与他的同事研究的是沃尔科特的标本，用的是在沃尔科特时代即已存在的方法，完成的，却是激进的修订。他们不是自觉的革命者，没有事先形成的新观念，也不可能高举它的大旗发起冲锋——他们的成功不是一场主动的革命。一开始，他们的工作以沃尔科特的诠释为基础，但在相互制衡的理论与数据两头都走到了前面——因为他们花时间与伯吉斯化石进行了充分的对话，因为他们愿意聆听。

从沃尔科特到惠廷顿的过渡是一座里程碑，其重要性几乎无法逾越。有关伯吉斯页岩的新观点成为解读生命进化的首选原则之一，完完全全是历史本身的胜利。

注解：

[1] 　原文为“curiously prospective style of assessment”，译者认为prospective（前瞻性的）应为retrospective（回顾性的）的笔误——译者注

[2] 　存于史密森尼学会的沃尔科特存档中，最感人的文件，或许是在他第二任妻子意外去世后，罗斯福发给他的私人唁词——作者注

[3] 　西奥多·罗斯福（Theodore Roosevelt，1858—1919）为美国第26位总统（任期1901—1909）。卡尔文·柯立芝（Calvin Coolidge，1872—1933）为美国第30位总统（任期1923—1929）。安德鲁·卡内基（Andrew Carnegie，1835—1919），美国著名工业家，即所谓“钢铁大王”。伍德罗·威尔逊（Woodrow Wilson，1856—1924）为美国第28位总统（任期1913—1921）——译者注

[4] 　约瑟夫·亨利（Joseph Henry，1797—1878），美国科学家，史密森尼学会第一任会长（任期1846—1878）。S.狄龙·里普利（S.Dilon Ripley）即西德尼·狄龙·里普利（Sidney Dilon Ripley，1913—2001），美国鸟类学家，史密森尼学会第八任会长（任期1964—1984）——译者注

[5] 　延米（linear meter）指用长度表达面积或体积的非正式衡量方式——译者注

[6] 　“公共权力走廊”派生自“权力走廊”（corridors of power），指左右决策的政府和权力中心，源自英国作家C.P.斯诺（C.P.Snow，1905—1980）于1964年发表的小说《权力走廊》（Corridors of Power ）——译者注

[7] 　不错，这篇文献的作者正是当时已卸任的（美国第27位）总统，时任联邦首席大法官的威廉·霍华德·塔夫脱（William Howard Taft，1857—1930）。他在（该文献所指的）那次沃尔科特追思会上致开幕词——作者注

[8] 　即油栉虫（Olenoides ）——译者注

[9] 　T.C.张伯林（T.C.Chamberlin），即托马斯·克劳德·张伯林（Thomas Chrowder Chamberlin，1843—1928），美国地质学家，有关（已被抛弃的）太阳系形成的“张伯伦—莫顿假说”的提出者。他曾任威斯康星大学校长，也曾负责美国地质调查局冰川分局的工作。1892年，他接受芝加哥大学的任命，筹建地质系，并留任至1918年——译者注

[10] 　填图（mapping），即地质填图，指将实测的地质信息填绘于地图之上的过程——译者注

[11] 　R.T.希尔（R.T.Hill），即罗伯特·托马斯·希尔（Robert Thomas Hill，1858—1941），美国地质学家，专注于得克萨斯中部白垩纪沉积岩的地层学研究——译者注

[12] 　赫伯特·胡佛（Herbert Hoover，1874—1964），即美国第31位总统（任期1929—1933），在斯坦福大学学习期间转为地质学专业，暑期在美国地质调查局实习，毕业后在多个国家从事矿务工作，曾于世纪之交任职于开平煤矿，并在义和团运动被镇压后，伙同他人骗取开平矿务局所有资产，并担任总办。美国哲学会（American Philosophical Society）为本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）等人于1743年仿照英国皇家学会成立于费城的美国科学团体——译者注

[13] 　R.H.戈达德（R.H.Goddard），即罗伯特·哈钦斯·戈达德（Robert Hutchings Goddard，1882—1945），美国物理学家，第一枚液体燃料火箭的发明人——译者注

[14] 　传统美国人（Old American），解释见后文此处内容——译者注

[15] 　应指沃尔科特的朋友，美国第26位总统——西奥多·罗斯福长子西奥多·罗斯福三世（Theodore Roosevelt III，1887—1944）。一战中，西奥多三世与另一兄弟阿奇博尔德也前往法国作战，并双双负伤。二战中，他与儿子西奥多四世、科尼利厄斯及昆丁二世皆上战场，他本人在诺曼底登陆后不久因心脏病突发去世——译者注

[16] 　德国鬼子，原文Hun本义指亚洲的匈奴人，后演变成为一种对德国人的蔑称，在两次世界大战期间使用得较多——译者注

[17] 　B.S.沃尔科特（B.S.Stuart），即后来牺牲于一战的本杰明·斯图尔特·沃尔科特（Benjamin Stuart Walcott，1895—1917）——译者注

[18] 　亨利，即史密森尼学会第一任会长约瑟夫·亨利；贝尔德（Baird），即第二任会长（任期1878—1887）斯潘塞·富勒顿·贝尔德（Spencer Fullerton Baird，1823—1887），美国物理学家、天文学家；兰利（Langley），即第三任会长（任期1887—1906）萨缪尔·皮尔庞特·兰利（Samuel Pierpont Langley，1834—1906），美国自然学家。沃尔科特是第四任会长——译者注

[19] 　我不喜欢将智识的议题作为抽象的普遍性概念加以讨论。我认为人们接受和理解构想，是通过理解它们在个人观点和自然物体中的体现来实现的。因此，我为沃尔科特倾倒，并对之着迷。我很少“遇见”生命观与我如此不同之人，在熟悉他的存档以后，我觉得自己与他相识。沃尔科特的正直以及研究和行政管理的超常精力让我无比崇敬。我并不是特别喜欢他（好像我的观点很重要似的），但我还是因为他对我的专业有所贡献而感到非常高兴——作者注

[20] 　约翰·D.洛克菲勒（John D.Rockefeller，1839—1937），美国著名工业家，即所谓“石油大王”——译者注

[21] 　长老会（Presbyterianism），基督教新教加尔文宗的一支——译者注

[22] 　罗素·塞奇夫人（Mrs. Russell Sage），应为因投资铁路暴富的美国著名金融家罗素·塞奇（1816—1906）的第二任妻子，慈善家玛格丽特·奥利维娅·斯洛克姆·塞奇（Margaret Olivia Slocum Sage，1828—1918）——译者注

[23] 　路西塔尼亚号（Lusitania），英国著名远洋邮轮，始航于1907年，一度是世界上最大的客轮。于1915年5月7日被德军潜水艇击沉，致使1198人丧生——译者注

[24] 　《国家》（The Nation ）杂志，美国著名政论周刊，创刊于1865年，至今仍在运营。博厄斯的这篇著名读者来信撰写于1919年10月16日，12月20日见刊，作者在此的表述有误——译者注

[25] 　迈克尔·普平（Michael Pupin），即马哈洛·艾德沃斯基·普平（Mihajlo Idvorski Pupin，1858—1935），美国物理学家、化学家、发明家，是沃尔科特兼任主席的美国国家航空咨询委员会的创立成员之一。他出生于奥地利帝国，塞尔维亚族，一战之前曾被塞尔维亚王国任命为荣誉驻美公使，一战后，曾在巴黎和会上为南斯拉夫争取到更多版图——译者注

[26] 　阿尔菲厄斯·海厄特（Alpheus Hyatt，1838—1902），美国动物学家、古生物学家，师从沃尔科特的事业指路人及本书作者工作单位的创立人路易斯·阿加西斯，但也是新拉马克主义（Neo-Lamarckism）的拥护者——译者注

[27] 　括号内文字为本书作者漏掉的内容。这段文字出自《物种起源》第十一章末节——译者注

[28] 　沃尔科特在这篇讲稿上所具的头衔是“来自地质调查局、国家博物馆古生代化石部名誉负责人”。他从1892年起担任这个名誉负责人职位，一直到1907年接受任命成为史密森尼学会会长为止。我认为，在举行讲座时，他尚未被任命为调查局局长，否则，在所具的头衔中会有所体现。既然他在1894年成为局长，讲座的日期因而一定在1892年到1894年之间——作者注

[29] 　这是一个注重隐私而专断的人罕有的一次公开演讲。在离开这个案例之前，我来摆出一个题外的观点。沃尔科特的写作，思路是清晰的，但缺乏活力。很多专业人员错误地以为，科学普及，尤其是有关自然的写作，必须抛弃直白明了的风格，转而采用辞藻华丽、激情四射的描述。华兹华斯或梭罗【分别指英国著名诗人威廉·华兹华斯（William Wordsworth，1770—1850）和美国作家亨利·戴维·梭罗（Henry David Thoreau，1817—1862），两人皆以自然写作著称——译者注】级别的文学家游刃有余，但绝大部分博物学家不能胜任，无论他们对户外的感情有多么强烈。他们也不应尝试，以免无意中沦为拙劣的模仿。而且，受众无须此等助力——“聪明的门外汉”多的是，他们不需要特别照顾。自然的光辉会自然流露。不过，无论如何，带着些许尴尬，在这里，我向您呈现查尔斯·都利特·沃尔科特笔下的日落（科罗拉多）大峡谷之景：

西部的天空火红一片。疏落的云朵和波浪似的卷云，像是捕捉到战场的杀气，闪耀出橙黄和猩红的光彩。黄色的光束穿过彩云间的缝隙，平行地斜射下来，落在角楼和高塔之上，落在山顶的巅尖和伸出悬崖的岩架之上，照得到处亮亮堂堂，恰到好处，色彩与西边云中的火红相似。最顶层是璀璨的黄色，接着往下，是淡蔷薇色，但广阔的山体本身是亮丽的深红色。现在，高潮到来了——阳光倾泻到无垠的亮红表面上，接着被反射到峡谷深处，与蓝色的雾霭混在一起，调上尊贵的色调，好似一片紫色的海洋。无论地域多么广袤，形态有多么宏伟，点缀显得多么华贵，是这些壮丽的色彩，让大峡谷至高无上的荣光显现出来——作者注

[30] 　R.B.福斯迪克（R.B.Fosdick），应为雷蒙德·布莱恩·福斯迪克（Raymond Blaine Fosdick，1883—1972），国际联盟（League of Nations）第一任副秘书长，与威尔逊总统相熟，曾长期担任洛克菲勒基金会会长，并推动洛克菲勒家族向国联及联合国捐赠——译者注

[31] 　斯科普斯审判（Scopes Trials）即著名的“猴子审判”。1925年，美国田纳西州颁布巴特勒法（Butler Act），禁止公立学校讲授《圣经》以外的人类起源学说。同年，该州代顿（Dayton）的高中代课老师约翰·托马斯·斯科普斯（John Thomas Scopes，1900—1970）因讲授进化论，故意以身试法，自愿成为被告。威廉·詹宁斯·布赖恩（William Jennings Bryan，1860—1925）为公诉律师，被告辩护律师为无神论者克拉伦斯·苏厄德·达罗（Clarence Seward Darrow，1857—1938），是当时的著名律师。审判轰动一时，庭审历时八天，数位科学家与包括公诉律师在内的宗教专家出庭做证，是围绕科学与宗教教义展开的公开辩论。陪审团最终裁判被告有罪，经上诉，一年后判决被推翻。圣经直解论（Biblical literalism），即严格按《圣经》叙述的字面义理解的思想——译者注

[32] 　路易斯安那州有立法，要求讲授进化论的公立学校必须也要讲授神创论。美国最高法院于1987年判定该法律违宪——译者注

[33] 　“万古磐石”（the rock of ages），18世纪英国基督教赞美诗名。作者奥古斯塔斯·蒙塔古·托普雷迪（Augustus Montague Toplady，1740—1778）是英国圣公会著名传教士，创作源于他一次在石缝躲雨的经历。“万古磐石”是他躲雨的石头，位于英国西南部萨默塞特郡（Somerset）的巴灵顿谷（Burrington Combe），在诗歌中与《圣经》典故里“击打磐石出水”的何烈山之石〔《出埃及记》（17：6）〕与“耶稣之死”中长矛刺入耶稣身体水血涌出〔《约翰福音》（19：34）〕联系起来。关于“天堂如何运转”（how heaven goes）和“如何去天堂”（how to go to heaven）的议题，来自伽利略的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo ），也是伽利略被教廷审判的一大原因——译者注

[34] 　埃德温·格兰特·康克林（Edwin Grant Conklin，1863—1952），美国动物学家，曾任美国博物学家学会会长、美国科学促进会会长，当时任教于普林斯顿大学。R.A.密立根（R.A.Millikan），即罗伯特·安德鲁斯·密立根（Robert Andrews Millikan，1868—1953），美国著名物理学家，因测定基本电荷与光电效应，于1923年获得诺贝尔物理学奖，时任加州理工学院执委会主席，履行院长职务——译者注

[35] 　作者引述“…of which no known part is present in on the existing continents”有误，实为“…of which no known part is present on the existing continents”——译者注

[36] 　圣杯（Holy Grail），即亚瑟王传说中的重要道具，常与《圣经》典故里耶稣在最后的晚餐上使用的圣杯（Holy Chalice）混为一谈——译者注

伯吉斯页岩与历史本质

我们的语言里尽是表现科学最糟糕、限定性最强的固有形象的习语。当朋友为棘手的问题所挫，我们会苦口婆心地相劝，要“科学”以待——意思是要冷静、要分析。我们谈论“科学方法”，把它当作了解自然知识最有效的唯一途径传授给学童，就好像只需一个公式，就可解开经验性现实 [1] 里五花八门的全部秘密。

“科学方法”不仅涉及反复被提及的追求思想解放，还另有一套概念和流程，量身打造出一种形象——穿着白大褂的人，在实验室里拨弄控制旋钮——实验、定量、重复、预测，将复杂的现象化简为几个可操控的变量。这些方法威力强大，但它们不能驾驭自然的一切。一些非常复杂的事件细节繁多，可能只发生一次。当科学家必须解释这种历史结果时，他们该怎么做？在一些大的自然领域，如宇宙学、地质学、进化，必须以历史为工具进行研究，适用的方法以叙事为中心，而非我们常会想到的实验。

历史不可简化，所以，在“科学方法”的固有形象中，没有它的位置。自然的法则不会随空间和时间而变化。可控实验的技术、以简要的普遍原因解释自然的复杂性，都假定时间因素是恒定的，而且可以在实验室里被充分模拟。寒武纪的石英和现在的石英一样——都是硅氧各键相互交连的四面体。在实验室可控的环境下确定了现代石英的性质，就可以借波茨坦砂岩 [2] 解释寒武纪沙滩上的沙子是什么样子。

但假使想知道恐龙为何灭绝，或为何软体动物风生水起，而威瓦西虫烟消云散，该如何去解释？在这一方面，实验室工作并非无用武之地。通过模拟实验，能获得重要的认识。〔例如有多种理论认为，环境的改变导致了白垩纪大灭绝的发生。我们可以检测现代生物（甚至是恐龙“模型”）对环境改变的生理耐受性，进而获得那次大灭绝中让我们感兴趣的信息〕但那时的地球气候和大陆位置与如今大不相同，由于技术的局限，“科学方法”不能触及那次单一事件的核心。对历史的解析，必须根植于对过去事件本身的重构，以其独特现象的叙事证据（narrative evidence）为基础还原本来面貌。不存在让威瓦西虫注定灭绝的自然法则，但在一系列复杂事件的共同作用下，它在劫难逃——如果运气好，有足够的证据蕴藏在我们散碎的地质学记录之中，我们或许能找到原因。（例如尽管作为证据的化学印记一直存在于相应地质年代的岩层中，但直到10年前，我们才知道，白垩纪大灭绝与一个或数个地外物体和地球的可能相撞在时间上是一致的）

历史解释在很多方面与常规的实验结果不同。它不涉及重复验证。因为，我们试图解释的，是细节的独一无二。根据概率的法则和不可逆的时间之箭 [3] ，这些细节不会再次同时出现。我们诠释叙事对象的复杂事件，不是将其简化为自然法则的简单结果。历史事件当然不违背物质和运动的一般原理，但它们的发生属于偶然性细节的范畴。（万有引力定律告诉我们苹果何以从树上落下，但不会告诉我们为何牛顿正巧坐在那儿，为何苹果在他灵感将至之时熟透落下）固有形象的中心元素——预测，也不会进入历史叙事。我们可以在一个事件发生后对它做出解释，但偶然性排除了它重复的可能，甚至是在与起始时刻等同的条件下。（在卡斯特最终导致其军队孤立无援的1000个事件之后，他的末日已定。但如果能从1850年从头再来一次，他或许从未到过蒙大拿，更不用说遭遇“坐牛”和“疯马” [4] 。）

若以“科学方法”限定的固有形象为评判标准，上述不同之处，就使得历史解释或叙事解释处于不利的地位。这样一来，与历史有关联的学科地位下降，落到很低的位置，不那么受待见。事实上，学科的地位排序已成为一个如此为人熟悉的主题——从位于最高的、过硬的物理学，到垫底的、带有主观性的羸弱学科，如心理学和社会学——这种评级本身就已形成一种固有形象。这些区别进入我们的语言和比喻——“硬”科学对“软”科学、“扎实实验性的”对“区区描述性的”。一些年前，哈佛大学有过一次非同寻常的教学创新。它推出一种新的概念，以程序化的风格组织科学，而不像常规那样，在核心课程之内进行。对于物理学和生物学，它没有如通常那样一分为二，而是认同了刚讨论过的那两种风格——“可用实验预测的”和“历史的”。它用字母编号而非名称来指定各个范畴 [5] 。猜猜哪个属于“科学A”，哪个属于“科学B”？我开的关于地球及生命的历史的课程，编号是“科学B-16”。

这种线性评级最可悲的一面，可能在于垫底者对卑劣名号的逆来顺受，并一直企图模仿位居阶梯更高处学科的可能有效的方法，尽管那些方法并不适合自身。这种等级本身应受到严肃的质疑，对多元和平等才该大张旗鼓加以肯定。然而，许多历史科学家的所作所为好似模范囚徒，只在意自己的蝇头小利，维护权威和保持服从的现状比狱监还积极。

因此，历史科学家通常也带上几分“硬”科学过于简化版本的讽刺漫画形象，或是简单地对地位更高的学科言听计从、卑躬屈膝。许多地质学家接受开尔文勋爵最后一次对地球年龄的估计。那一估计的局限性是最大的，地球的年龄被低估，而化石和地层的数据早已清楚地表明，地球的历史更加久远。（开尔文的估计有着数学公式的威望，物理学的厚重。其前提是，地球内部当前产生的热量记录了地球从最初的熔化状态冷却下来的过程，而那一状态并不是很遥远的过去。但很快，放射性的发现推翻了这一前提 [6] ）甚至有更多地质学家拒绝接受大陆漂移学说，因为物理学家宣称，大陆不可能横向移动——尽管大量客观数据显示，现在的大陆在从前是相连接的。查尔斯·斯皮尔曼 [7] 滥用因子分析的统计技术，将智力归结为脑袋瓜里可测量的单一物理存在，接着就为生理学喝彩，因为“这个科学里的灰姑娘身价大增，比肩荣耀的物理学真身”（Gould，1981，263页）。

但历史科学并不（像科学的固有形象那样）更糟糕，更有限定性，或者不能取得坚实的结论。因为，基于恒定自然法则的实验、预测及包摄 [8] ，皆非历史科学的研究手段。它采用的，是一种不同的解释模式，根植于对（非实验）数据观察和比较的大量积累。我们无法目睹过去发生的事件，但科学通常基于推断（inference），而非如面面俱到的观察（您看不见电子、引力或黑洞）。

科学需要谨守的原则，重点在于能可靠地验证，而非能亲眼看见。对于有着固有形象的学科如此，对于历史学科也是如此。我们必须有能力对自己的假设做出判断，看是绝对错误，还是可能正确（我们把肯定正确的断言留给牧师和政客）。历史的厚重使我们采用了不同的验证方法，但可验证性也是我们的标准。我们有丰富多样的数据，它们记录了过去事件的后果。我们充分利用它们，并没有因为不能在过去亲眼看见事件本身而唉声叹气。我们寻找反复出现的模式，证据是那么丰富、那么多样，其他的综合诠释方法无法胜任。但是，将它们分开，各自又不单独构成结论性的证据。

呼吁提高自然史学的地位 [9]

没有什么比错误地对学科排座次更能让我理解一个奇特的现象。这个现象使我产生了撰写本书的初衷，它就是——为何伯吉斯修订没有被大众及其他领域的科学家注意到。的确，我可以理解，科学写作者不会从《伦敦皇家学会哲学学报》中寻找线索。对于没有经过专业术语训练的人而言，长达上百页的解剖学专论令人生畏。但我不能责怪是惠廷顿及其同事把好新闻藏着掖着，他们另有论文发表于科学写作者愿意阅读的综合性期刊——主要有《科学》和《自然》；他们为科学界的同人们写过六篇重要的“综述论文”；他们为普通读者创作过了大量作品，包括发表在《科学美国人》和《自然历史》杂志上的文章，为加拿大公园管理局编写的一本受欢迎的游览指南。他们知道自己的成果意味着什么，他们已尝试把消息传开，其他人也有帮忙（我为《自然历史》杂志写过四篇有关伯吉斯页岩的专题文章）。为什么这个故事没有为人熟知，或被认为意义重大呢？

它与另一事件形成的反差或许可以提供一些线索，那就是将白垩纪大灭绝与来自地外物体撞击联系起来的阿尔瓦雷茨假说（Alvarez theory）。我认为两者同等重要，讲的故事基本相同（都是展示生命历史的极度不确定性和偶然性——若伯吉斯遭受不同的抽灭，我们就不会进化形成；若那些彗星进入不致危害的轨道，地球则依然被恐龙统治着，包括人类在内的大型哺乳动物不可能产生）。我认为两者的证据都很充分，伯吉斯修订的证据或许比阿尔瓦雷茨声称的更加充分。然而，吸引公众的关注度惊人地不对称。阿尔瓦雷茨的撞击假说荣登《时代周刊》封面，出现在多部电视纪录片中，每当科学的成就激起严肃的讨论时，它都可成为被拿来当作评论和引发争议的话题。听说过伯吉斯页岩的非专业人士极其之少——使得本书的诞生势在必行。

我的确理解，两者吸引的关注度有所不同，部分原因，在于我们对庞大和凶猛元素的狭隘迷恋。恐龙注定比两英寸的“蠕虫”吸引更多关注。但我相信，主要因素，尤其是让科学写作者决定避开伯吉斯页岩的原因，在于科学方法的固有形象，以及对学科排座次的错误倾向。路易斯·阿尔瓦雷茨 [10] 是诺贝尔奖获得者，20世纪才华横溢的物理学家之一，简而言之，他是一位居常规等级最高处的科学王子。他已于我撰写本书期间去世。其假说的证据产生自实验室的常见物事——使用昂贵仪器——精确测量——痕量的——铱（iridium）。撞击假说有着公众为之喝彩的一切元素——白大褂、数字、诺贝尔奖的威名、阶梯之顶的地位。而在另一边，对伯吉斯动物的重新描述，给不少旁观者留下的印象，是“一件接着一件的有趣玩意儿”——不过是把过去被冷落的、来自生命历史早期的古怪动物描述一下。

我爱路易·阿尔瓦雷茨，他为我的研究领域注入了活力。我们私交不错，因为我是少数从一开始就喜欢其观点的古生物学家之一（尽管回想起来，不是一直如此，我有我的理由）。虽说de mortuis nil nisi bonum ——“勿恶言逝者”，然而，我必须说，路易也是这个问题的一部分。我理解他的沮丧，太多古生物学家拘泥于渐变论和陆地成因的传统，从不正视他给出的证据。然而，路易迁怒于整个学科，甚至是整个历史科学。例如他在接受《纽约时报》采访时的表态就已造成不良影响：“我不喜欢说古生物学家的坏话，但他们真的不是非常好的科学家。他们更像是集邮爱好者。”

我认可路易的勇于直言，他道出了许多有着固有形象的科学家出于维护和谐而不敢说出口的心声。然而，将历史解释与集邮联系到一起的说法，体现的是一个领域典型的傲慢，对历史学家专注于比较细节的不理解——这些细节可是截然不同的。分类工作不等同于舔舔胶水纸，将小小的彩纸固定到定位册中指定的位置上 [11] 。历史学家专注于细节——“一件接着一件的有趣玩意儿”——因为对它们进行比较、综合，可以让我们归纳融通，（如果证据好的话，就）满怀信心解释过去，就像路易·阿尔瓦雷茨有信心通过测量化学物质就能确定小行星。

我们要打破对学科排座次的固有传统，认识到不同形式的历史解释与物理学或化学的成就价值等同。否则，我们永远不能体会科学的全部范畴和意义。当我们在科学领域实现这种新的多元组织安排，那时，只有在那时，伯吉斯页岩的重要性才会显现出来。我们才会理解，“人类为何能论理？”的答案，既在偶然性历史的离奇路径上，也在神经元的生理学特征中，广度（以及深度）相当。

19世纪的科学哲学家威廉·休厄尔（William Whewell）创造了consilience（“融通”）一词，意思是“结论一致”（jumping together），指许多独立来源的证据“一道”证明某一历史模式。他将这种对多个渠道贡献的各式结果进行综合的策略称作“归纳融通”（consilience of induction）。

我认为达尔文是最伟大的历史科学家。他不仅为进化提供了确信的证据，使其成为生命历史的综合原则，还为历史科学创立了一种完全不同但同等严谨的方法论，并有意识地将之作为自己所有论著的中心主题——从蠕虫、珊瑚、兰花的分类纲要，到大量有关进化论的巨著（Gould，1986）。达尔文根据信息保存的丰富程度，探索出不同的历史解释模式（Gould，1986，60—64页），但其中心论证基于休厄尔的融通。我们知道，进化必为生命秩序的基础，因为，没有其他解释，能将来自胚胎学、生物地理学、化石记录、残迹器官 [12] 、分类关系等不同类型数据综合起来。有一种观点，虽幼稚却被广为接受，即原因必须直观，以便作为一种科学解释。对此，达尔文明确拒绝。在谈及恰当地检验自然选择的文字中，他道出了以融通作为历史解释手段的想法：

现在，这一假说或许能通过一种手段加以验证。在我看来，这是考虑该问题唯一公平合理的方式——考察该假说是否能解释更多、较大类别的独立事实，例如生命在地质历史长河的演替，其当前和历史分布，以及相互间的亲缘关系和同源性。如果自然选择的原则能解释这些，以及其他大量事实，它就应该被接受。（Darwin，1868，第一卷，657页）

但历史科学家们不能止步于简单的展示——展示其解释经得起有别于“科学方法”固有形象但同等严谨的手段的检验。他们必须走得更远，而且必须说服其他科学家，这种历史类型的解释既值得玩味，也蕴含有相当丰富的信息量。如果我们将“历史本身” [13] 确立为可接受的唯一完整解释——解释所有人认为重要的现象，例如人类或地球上任何具有自我意识的生命的智力之进化成因——到那时，我们就胜利了。

历史解释采用叙事的形式。例如，E代表待解释的现象，它因之前D的发生而起，而在D之前，还有C、B及A等阶段。如果早期任一阶段没有存在过，或是发生的事件有所不同，E就不可能存在（或者可能以形式有较大改变的E’显现，需要不同的解释）。因此，E的存在有其道理，可以将之严谨地解释为从A到D产生的后果。但是，不存在偏爱E的自然法则，如果之前的阶段有变，产生的任一种E’一样可以得到解释，尽管形式和效果会大不相同。

我不是说（E作为自A及D阶段的结果有其）随机性，而是强调所有历史的中心原则——偶然性。历史解释不依赖基于自然法则的直接推导，而是在于现象发生之前的一系列不可预测的状态。任一阶段发生任何较大的变化，都会改变最终的结果。因此，最终结果依赖于，或取决于之前发生的所有一切——这是不可抹除的决定性历史印记。

许多科学家和非专业的爱好者拘泥于“科学方法”的固有形象，觉得上述偶然性解释不够吸引人，或者不够“科学”，甚至是在不得不承认这种解释的适用性及本质上的正确性之时。在南北战争结束之前，当好几百个特别的事件发生过后，如皮克特冲锋 [14] 失败，林肯赢得1864年总统选举……南方的失败无情地在所难免。但如果将美国历史的记录带倒回路易斯安那购地案 [15] 、德雷德·斯科特案判决 [16] ，或者只倒回萨姆特堡 [17] ，只进行一些小小的明智改动（加之导致的一连串后果），再重演历史，或许会产生不同甚至相反的结果，同样无情地不可改变。（我过去相信，北方的人口和工业优势几乎从一开始就决定了结果。但我已被最近的学术观点说服——如果战争不是为了征服，而是寻求被承认，那么，带有此目的的少数派会取得胜利。南方并没有想着征服北方，他们不过为了确保自己宣布的边界，作为独立的国家被承认。而对于多数人而言，甚至是在占领期间，就已是对战争足够厌倦，倾向于以打游击的形式，坚定不移地叛乱脱逃 [18] ）

那么，假使我们有一系列历史解释，它的证据与常规科学一样充分。然而，其结论并不能经由任何自然法则推导而出，甚至是在更大的系统里，有或普遍或抽象的属性（如具有人口或工业优势），也不可预测出。可是，我们又怎能否认如此解释与常规科学结论一样吸引人，一样重要？我认为我们必须给予其同等地位，基本原因有三个：

1.可靠性问题。以大量记录证据为依据，排除其他诠释为手段，提高接近事实的概率——这些策略可能与传统科学里的任何解释一样具有结论性意义。

2.重要性问题。历史偶然性解释能产生（与传统科学解释）一样大的影响，这一点难以否认。南北战争是美国历史的焦点，也是转折点。诸如种族、地域主义（regionalism）、经济水平等中心问题，它们在如今的模样，都归因于那次并非注定发生的重大事件。如果生命当前的分类状况和多样性现状更像是“历史本身”的结果，而非基于进化普遍原则的潜在推理，那么，是偶然性确定了自然的基本模式。

3.心理学问题。到目前为止，我已辩护得太多，甚至带上自觉低人一等的口吻——一开始时把“历史解释或许不够吸引人”当作前提，然后为其争取平等地位而强烈抗争。其实，我没有必要做这些辩护。历史解释本身的魅力即已无穷无尽，在很多方面，它比自然法则的无情后果更能牵动人类的神经。吸引我们特别注意的事件，并不是注定会发生的。而且，其发生有原因可查，但又让我们百思不得其解。相反，对立的两头——不可避免和完全随机，通常对我们的情绪影响较小，因为它们不受制于历史的主体和客体，因而要么按既定路线发展，要么于无序中挣扎，没有多少回头的希望。但是，有了偶然性，我们被吸引进来，参与其中。无论是成功，还是悲剧，我们都感同身受。当我们意识到结果不能确定，过程中任何一步的任何改变都会引起连锁变化，进而导致一条不同的发展路线——我们便领会到其中单个事件的因果威力。我们为每一细节争辩、叹息或雀跃，只因它们都具有导致变革的力量。偶然性是对突发事件决定成败的肯定——缺少一颗马蹄钉可致失去一个王国 [19] 。南北战争是一个令人特别心酸的悲剧，因为，若能倒回过去重演，会有成千种理由，使得五十万条生命得以挽救——我们就不会在传统美国的乡下每一片绿地，每一所县法院前，找到一座基座上刻着阵亡名单的士兵塑像。我们自身的进化是一个令人欣喜的奇迹，因为这不可思议的连锁事件可能不会再度发生。至于已经发生，自然也有其道理。偶然性是参与历史的许可证，我们从心理上接受了它。

偶然性的主题不为科学理解，学界鲜有探索，但在文学当中却是常客。如果我们在这里有所留意，或许能在艺术与自然之间的错误藩篱上开一个口子，甚至能让文学对科学有所启发。偶然性是托尔斯泰所有伟大小说的基本主题。偶然性也是许多优秀的悬念作品气氛紧张激烈、情节引人入胜的根源。这一点在最近露丝·伦德尔（以笔名芭芭拉·薇安发表的）的一部杰作——《致命老屋》（1987） [20] 里体现得尤为明显。这是一本令人惊悚的小说，讲的是一个小社区里的悲剧，随着一系列事件的发生，所有人及其未来都被卷入其中。那些事件微不足道，但每一件都有其特别之处，且难以置信（尽管完全可行），并各自引发了一系列甚至更为离奇的后果。《致命老屋》是伦德尔最优秀的作品，它的情节设计是那么精巧复杂，我必须将之看作作者对历史本质有意识的文本表达。

过去五年中，有两本流行小说以达尔文理论为主题。我为之吸引，而且很高兴见到，两者都接受了偶然性的理念，并探讨了它作为达尔文理论的主要后果对人类未来走向的影响。这是一个正确的选择，在对进化更深层含义的理解方面，斯蒂芬·金和库尔特·冯内古特超过了许多科学家。

金的《绿魔》（1987） [21] 一反科幻小说传统，没有将来自地球外的“更高智能”塑造为至高无上的形象，或更睿智，或更强大。在小说里，它们不过是诡诈的奴才，亦是在达尔文的巨大适应博弈之中形成，得益于某种环境之下的生殖分化。（金将这种固守称为“愚蠢的进化”，我简单地称其为“达尔文主义” [22] 。）这种难以理解的成功凭借的是不间断的即时调整，它催生了偶然性事件发生的环境。这也是《绿魔》的中心主题，在故事中，外星人针对地球的计划失败，主要归功于一个行事效率通常低下、玩世不恭的嗜酒英语教授——他的行动避免了正面冲突。对于一系列偶然性事件的本质，以及它们在不同尺度背景下的重要性程度，金念念有词：

有些话可能不该由我跟你们讲——在这个宇宙里，没有哪个星球不是一大团飘浮在太空里的死灰——只因最初在一个洗衣店里因某某是否霸用太多烘干机而起的纷争，最终升级为星球的灭顶之灾。无人曾确知终结何时到来——如果有终结的话……当然，或许有一天，无须外部力量，我们也会毁灭这个世界。而究其原因，我们会发现，以光年的尺度评价，它们不过是些鸡毛蒜皮。无论苏联是否侵入伊朗油田，或者北约是否决定在西德部署美制巡航导弹，从围绕银河系旋转的小麦哲伦星云 [23] 遥遥望去，其重要性跟轮到谁为五杯咖啡和同份丹麦糕点买单没什么区别。

库尔特·冯内古特的《加拉帕戈斯》（1985） [24] 甚至是作者对进化的意义更有意识、更直接的评论。作者创作该作品，主要源于一次前往加拉帕戈斯的航游。让我感到特别欣慰的是，那次航游应已表明，偶然性是达尔文圣地表达的基本主题。在冯内古特的小说里，历史的路径可能在整体上受制于自然选择等一般性原则，但在这些原则之下，偶然性仍有很大的回旋余地。无论是什么结果，它更取决于之前发生的一系列事件，而非自然法则的既定路线。《加拉帕戈斯》实际上是一部有关达尔文世界自然本质的小说。我会（而且已经）在科学课程上将它布置给学生阅读，引导他们理解偶然性的意义。

在《加拉帕戈斯》里，人口骤减的巨大灾难开始得相对温和，是一种摧毁人类卵细胞的细菌引起的。最初是在法兰克福的年度国际书展上，有女性被这种细菌侵染，由此种下祸根。很快，它传遍全球，几乎所有女人变得不孕——除了将成为现代人类孑余的几个人之外。这些人搭载一艘船，来到隔离于世的加拉帕戈斯，病菌远未能及。人类的生存就集中到背景各异的这样一小群人身上——几个坎卡波诺部族的印第安人，一两个探险游客。这些人得以生存，并匪夷所思地繁衍，是一系列古怪的偶然事件所致，但未来的人类历史全部孕育在这区区孑余之中。

用不了一个世纪，地球上每个人身体里流淌的血液，都会以坎卡波诺血统占绝对优势，另有一点来自冯·克莱斯特和堀口的贡献。这一惊人转折的发生，在很大程度上，归结于“世纪自然之旅”航行原始乘客名单中两个不折不扣的无名之辈之一——玛丽·赫伯恩。另一个无名之辈是她的丈夫，在面临断子绝孙之际，他预订了吃水线之下的一间廉价小舱房。所以，他自己也在人类命运的塑造中扮演了至关重要的角色。

历史偶然性也是电影的重要主题，对于最近的新片和经典老片都是如此。在《回到未来》（1985） [25] 里，青少年马蒂·麦弗莱回到了过去。由于他的意外出现（其母暗暗地喜欢上他，构成一种类似俄狄浦斯故事的情形），历史的记录带面临被更改的威胁。他必须前往父母就读的高中，努力按实际情况重建（被干扰的）过去。麦弗莱必须修正的事件看起来绝对没什么意义，但他知道，对于自己而言，没有什么事比它们更重要。如果失败，他的父母就永远不会相识，最终结果会使他自己从世间消失。

对历史偶然性最典型的表现、我心目中这一类型电影的“正模” [26] ，是弗兰克·卡普拉经典杰作《生活多美好》（1946） [27] 里接近末尾的情节。在电影里，乔治·贝利过着自我否定的生活。他品格正直，为了家庭和全镇的福祉，将个人梦想的实现之日一推再推。由于镇上的掠夺式大亨 [28] 、守财奴波特先生施以阴谋诡计，乔治勉强维持的房屋建设贷款联合社濒临破产，并被指控欺诈。陷入绝望的乔治决定投河自尽，这时，他的守护天使克拉伦斯·奥德博迪介入其中。克拉伦斯抢先跳进水里，因为他知道，乔治的正直会促使其优先选择救人一命，而非急着自尽。在被救起之后，克拉伦斯以直接的方式劝乔治振作起来：“你只是不知自己所做的一切（的意义）。”但乔治打断他的话：“如果不是我，大家会过得好得多……要是我从没来到这世上就好了。”

克拉伦斯灵机一动，让乔治实现了这个愿望。克拉伦斯要向他展示，在重演的版本中，没有了他，家乡贝德福斯镇会是个什么样子。那10分钟精彩片段既是影史的一大亮点，也是我见过的对偶然性基本原则的最佳演绎——倒带重演导致的后果会完全不同，但又同等切合实际；看似无关紧要的小小改变（如乔治的缺失），会因影响不断累加而导致一连串大不相同的后果。

乔治的存在看似无关紧要，却为身处的环境注入了仁爱，让受惠的人有所成就。而在没有他的重演里，从人物性格和经济状况的角度考量，一切也顺理成章，但那是一个索然无味、冷漠无情的世界，甚至够得上残酷。原本惬意的美国小镇贝德福斯，现在充斥着酒吧、台球厅、赌场。没有乔治的存在，房屋建设贷款联合社早已破产，寡廉鲜耻的对手接管了资产（至此，该镇的一切被其掌握），并将小镇改名为“波特镇”（Pottersville）。乔治以低息贷款资助修建，并一再宽容地延缓还贷期限的住宅小区，现在变成了坟场。他的叔叔因破产而绝望，住进了疯人院；他的母亲变得冷酷，经营着一所破旧的寄宿公寓；他的妻子青春不再，变成一个在镇图书馆谋生的老姑娘；100名士兵死在被击沉的运兵船上——因为，没有乔治的施救，其胞弟早就夭折于落水事故，永远不可能长大，也就不可能救得运兵船，并获得荣誉奖章。

循循善诱的天使达到了目的，在这时道出偶然性的原则：“奇怪吧，是不？每个人的存在都影响着其他很多人，如果这个人不在，就会留下很大一个漏洞，不是吗？……你看，乔治，你拥有的，真的是一个美好的生命。”

对于伯吉斯页岩的全新诠释而言，“偶然性”既是标签，也是留给我们的教训。生命的差异度在早期爆发式地达到最高，紧接着遭受抽灭，而且有可能如彩票抽奖一般随机——这是伯吉斯留给我们的启示，其迷人之处以及变革的威力，在于它肯定了历史是生命未来走向的主要决定因素。

先前沃尔科特持有的观点完全相反，其生命历史框架牢牢地建立在另一种更为常见的科学解释之上——在恒定法则的范畴内可直接预测和包摄。此外，沃尔科特眼中的恒定法则，在现在看来，只是一种文化传统和个人喜好的表现，并非对自然的一种准确表达。我们已经知道，沃尔科特将生命历史解读为一个神圣目的的实现过程——在漫长的稳步渐进之后，其结果必定是产生人类意识。这样，伯吉斯生物必须是后来改进形式的原始版本，生命必须是从局限简单开始，向前发展。

新的观点根植于偶然性。前途似乎相当的解剖学构型，在伯吉斯就曾有如此之多——仅节肢动物就有不止20种构型，而在后来遭受抽灭之后，仅有4种幸存；或许有15种或许更多独特的解剖学构型，或来自不同门类，或可以成为生命之树的主要分枝——它们的去留决定了解剖学构型差异度的现状，这些都是由偶然性定夺的。现代生命秩序的形成不是基本法则（如自然选择，在解剖学构型方面占有优势）的必然后果，也不是最基本的生态学或进化理论决定的。现代生命的秩序主要是偶然性的产物。生命就像有乔治·贝利的贝德福斯，有着合理且可解析的历史。既然我们所属的物种在地质学尺度的片刻之前的确形成了，这一历史是可以让我们满意的。但是，就像没有了乔治·贝利的波特镇，任意一次重演只在开始时发生看似微不足道的改变，虽然产生的后果形式完全不同，但它也是同等合理且可加以解析的。只不过由于不能产生具有自我意识的生命，这一历史会让我们的虚荣心感到十分不快。（不过，毫无疑问，在那些不同的世界里，这种虚荣几乎不成为一个问题。因为，在那里，我们根本就不存在）在生命历史框架和当前局面的形成过程中，偶然性起到决定性的作用。伯吉斯页岩在一开始即为我们提供了最大可能丰富的解剖学构型，它成为我们理解偶然性这种作用的中心。

最终，如果您接受的我的论证，认同偶然性既可以解析、地位重要，也有其特别的迷人之处，那么，伯吉斯便不仅成功地扭转了我们对历史框架成因的一般想法，还让我们对人类进化的现实感到前所未有的惊奇（该事件发生的概率微乎其微，我们为之激动而颤抖）。历史可以转向另一合理的发展方向，我们会被抹去。无数次，我们距离它如此之近（将您的拇指和食指紧捏到一起，然后松开一毫米）。倒带回伯吉斯的时代，重新开始，即使重演100万次，是否可以进化形成类似现代人的物种？我有所怀疑。人类的进化来之不易，我们拥有的，的确是一个美好的生命。

关于“可预测”对“偶然性”，最后澄清一点——我真的是在辩称生命历史中的一切皆不可预测，或不直接遵循自然的一般法则吗？当然不是，要回答我们面对的这个问题，得看指的是什么尺度，或焦点针对的是哪个水平。生命的结构组成遵循物理学原理。我们不是生活在一个无序的历史环境当中，它并非绝缘于传统认可的“科学方法”可解析的任何事物。鉴于早期海洋和大气的化学组成，以及自组织系统 [29] 的物理学原则，我想地球上有生命产生几乎是不可避免的。多细胞生物的基本形式在很多方面必须遵循结构组成的准则，符合较好的构型。表面积—体积比的法则最早由伽利略提出，根据该准则，从体形较小的生物进化而成较大生物，形态需要发生变化，以保证表面积占比相当。相似的准则还有，运动生物的细胞分裂可使之具有两侧对称的体形。（伯吉斯的“怪异奇观”也是两侧对称的。）

但是，这些现象无论数量多大，范围多广，都与我们感兴趣的生命历史细节相去甚远。恒定自然法则影响生物的一般构型和功能，它们确立了必能使有机体构型进化形成的方向。但相对使我们为之着迷的细节而言，这些方向的范围太大了！这些物理学的方向不会具体到是形成节肢动物、环节动物、软体动物，还是脊椎动物，最多不过限定某些生物具有基于重复组分的两侧对称特征。——为何哺乳动物会在脊椎动物中产生？为何灵长类动物上了树？为何形成现代人类的小小一支会在非洲产生并幸存下来？当我们问到有关我们自身起源的关键问题时，那些方向的界限甚至会推得更远。当我们把焦点拉到最常问到的有关生命历史问题的细节水平时，偶然性便占据主导地位，而具有普遍性意义的可预测性退到后面，成为无关紧要的背景。

在与虔诚的基督教进化论者阿萨·格雷 [30] 的著名通信中，查尔斯·达尔文承认，在“主导背景的法则”与“决定细节的偶然性”之间有这一重要区别。格雷是哈佛大学的植物学家，他不仅支持达尔文的进化论，还认同自然选择的原则是进化的机制。但是，格雷担心该学说的引申会影响到基督教信仰和对生命意义的解释。令他尤其不安的是，达尔文的观点没有为法则的引导留下任何余地——自然变成现在的模样纯属偶然。

达尔文的回复富有深意。他承认存在广义上引导生命的一般法则。针对格雷所担忧的主要问题，他进一步辩称，这些法则甚至可能反映了（我们所知的）宇宙中某种崇高的意图。但自然世界充满了细节，它们构成生物学的主要内容。如果不合时宜地以人类的道理标准衡量如此细节，其中有些会显得“残酷”。他在致格雷的信中写道：“我不能说服自己，慈爱万能的上帝创造姬蜂科（Ichneumonidae）昆虫的意图，怎么可能是为了让它们到鳞翅目幼虫体内取食，猫怎么就该玩弄老鼠。”那么，细节无关道德如何与那个宇宙——其中的一般法则可能反映某种崇高意图的宇宙——相调和？达尔文还在回复中表示，细节属于偶然性的范畴，不被引导方向的法则左右。宇宙的运转依循自然法则，而“细节无论好坏，皆形成于偶然”。

最终，问题的重中之重，浓缩为如何设置底线，自然法则主导的可预见性在上，历史偶然性产生的各样可能性在下。像沃尔科特那样的传统主义者，他们将底线划得如此之低，生命历史的所有主要框架皆升到界线之上，被划入可预见性的范畴（对于他个人而言，这也神明意图的直接显现）。不过，在我眼中，这条界线的实际位置如此之高，几乎每一件有吸引力的生命历史事件都落入偶然性的范畴。我认为，对伯吉斯页岩生物的全新诠释，就是自然最精彩的申辩，证明这一底线就应划得如此之高。

这意味着，我们必须公平地面对这样一种引申——现代人类，作为运气之树上的——偶然性主枝上的——小概率事件分枝上的——小小末梢，它的起源远在这条底线之下。在达尔文学说的图景中，我们是细节，不是一个实现的意图，或万物的体现——“细节无论好坏，皆形成于偶然”。至于任何具有自我意识的智能生命形式，它们的进化起源是在界线之上，还是之下，我一点也不知道。我们只能说，我们的星球从未按现实原样再来过一遍。

我们仅是偶然性界域之中的一个细节，有人会对此番景象感到无比沮丧。为此，我引用罗伯特·弗洛斯特 [31] 的一首精彩的诗歌以表安慰。它清晰地表达出这样一种忧虑——《设计》。一天上午，弗洛斯特在散步途中发现一派奇怪的景象，三件形状完全不同的白色物体混在一起。他觉得，这种奇特但又相配的组合一定体现了某种形式的意图——不可能是个意外。不过，它若果真是某个意图的体现，我们该如何看待身处的这个宇宙——因为这一景象太过邪恶，以人类任何道德标准评判，都能得出这一结论。我们必须对达尔文的正确解决方案抱有信心。我们观察到的一切，是偶然产生的细节，然而，我们仍希望这个宇宙里有它们存在的原因，或至少希望让我们保持中立的状态。

我发现一只蜘蛛，酒窝深深，白白胖胖，

握着一只飞蛾，在纯白的夏枯草上

好似举起一张，硬挺的白色布缎——

草虫各样，渲染着疾病与死亡

混到一起，好待到来的早上

好似食料，要掺入女巫的肉汤——

雪粒般的白蛛、白沫般的花儿、

死透的翅膀，像是白纸风筝，挂在身上。

是什么让那一朵花儿变得那样白

而路旁无邪的夏枯草又那样蓝。

是什么把近色的蜘蛛带到那样高

又在黑夜里为白色的飞蛾引航

是什么让设计如此黑暗，令人如此恐惧——

若对区区小生灵的设计都是这般。

我想，现代人类，恐怕就是无边宇宙中的一个“区区小生灵”，在偶然性的界域之内发生的一次概率小得让人难以置信的进化事件。面对这个结论，每个人会有不同的反应。有的人会觉得此番景象令人沮丧，但我一直认为它是激动人心的——它是自由及随之而来的道义责任之源泉。

注解：

[1] 　经验性现实（empirical reality），基于感知认识到的可观察的现实，与宗教信仰宣扬的“真理”（或“真相”）相对。也可理解为“经验的现实性”，与唯理论（rationalism，即理性主义）及“先验的观念性”（transcendental ideality）相对——译者注

[2] 　波茨坦砂岩（Potsdam Sandstone），即波茨坦群（Potsdam Group），以美国纽约州波茨坦镇（而非德国波茨坦市）命名，形成于寒武纪中晚期，石英含量极高，分布于美国纽约州北部、佛特蒙州北部及加拿大魁北克、安大略等省——译者注

[3] 　时间之箭（time’s arrow），即arrow of time，亦称为“时间箭头”，是英国天文学家亚瑟·埃丁顿（Arthur Eddington，1882—1944）提出的概念，涉及微观的时间反演对称性（time reversal symmetry）和宏观的时间单向性。但此处应指本书作者在另一著作《时间之箭，时间之环》（Time’s Arrow，Time’s Cycle ，1987）中讨论的比喻。在书中第一章末节开篇，作者以“时间之箭”指代历史本身的不可逆转、不可重复，以“时间之环”指代周而复始的不变秩序和规则框架——译者注

[4] 　卡斯特（Custer），即美国军官乔治·阿姆斯特朗·卡斯特（George Armstrong Custer，1839—1876）。1876年6月25日，卡斯特率领的陆军第七骑兵团在蒙大拿领地（Montana Territory）小巨角河（Little Bighorn River）与印第安部落联军遭遇，伤亡惨重，五个连被全歼，卡斯特战死。这次冲突被称为小巨角河战役，是印第安部族的重大胜利，“疯马”（Crazy Horse，约1840—1877）和“坐牛”（Sitting Bull，约1831—1890）是领导战斗的著名印第安首领——译者注

[5] 　美国大学的课程编号通常为开课院系所代表学科的简写与三位数数字的组合。同一学科内，第一位数字越大，代表难度或级别越高——译者注

[6] 　在第一章“‘进步’图说：阶梯和圆锥”节末，作者在脚注中已提及开尔文勋爵对地球年龄的估计。开尔文的估计基于热力学原理，但由于当时人类认识的局限性，对地内温度及热导率不能确定，对反射性衰减产生热量、核聚变等的认识都尚未形成，导致其估算远非准确。但他是一代学术泰斗，其观点是当时的主流。此外，他同本书的各位主角——从保守的沃尔科特到“激进”的康维·莫里斯一样，都有深厚的宗教信仰情节，对生命起源的看法有一定的“神创”倾向——译者注

[7] 　查尔斯·斯皮尔曼（Charles Spearman，1863—1945），英国心理学家，对统计学有相当大的贡献。他率先在心理学领域采用因子分析（factor analysis），提出一般智力因素（general intelligence factor），即g因素理论，用于智力评估。本书作者反对这一概念，另著有《对人类的误测》（The Mismeasure of Man ，1981）对其加以批判。该著作享有盛名，也引起巨大争议，多年来出现大量驳斥数据及观点，但作者在生前并未改变看法，甚至在该著作的1996年增补版中，也未有实质性的回应——译者注

[8] 　包摄（subsumption），在此指证明研究对象实为三段论（syllogism）推理中大前提的小前提，即证明对象为大前提的“包摄命题”。大致含义是，因为小前提是大前提的具体化，所以小前提符合大前提的引申——译者注

[9] 　natural history在如今多被译作“博物学”或“博物”，但如本书及本节的标题所示，在此讨论的话题有关发生在过去、不可重复的“历史”之本质。所以，译者在此采用传统的称谓“自然历史”，即“自然史学”——译者注

[10] 　路易斯·阿尔瓦雷茨（Luis Alvarez），即路易西·沃尔特·阿尔瓦雷茨（Luis Walter Alvarez，1911—1988），美国著名物理学家，成就斐然，对粒子物理学贡献巨大，发现共振态（强子），并因此获得1968年诺贝尔物理学奖。他曾参与曼哈顿计划，与另一获奖者物理学家唐纳德·格拉泽（Donald Arthur Glaser，1926—2013）研制出液氢气泡室，与其子地质学家沃尔特·阿尔瓦雷茨（Walter Alvarez，1940—）等人于1980年提出小行星撞击地球导致白垩纪大灭绝的阿尔瓦雷茨假说。其名“路易西”为西班牙语发音，但在日常几乎所有人以昵称相称，即后文出现的路易（Luie）——译者注

[11] 　与集邮有关的比喻。文中的胶水纸（hinge）也称背贴，用于在集邮册上邮票的固定，可以轻易移除；彩纸指邮票；定位册是一种集邮册，但指定了具体的邮票及其固定位置。在我国大陆地区最为常见的定位册，即每年的年度《中华人民共和国邮票》——译者注

[12] 　残迹器官（vestigial organ），也称痕迹器官（vestigiality），即在进化的过程中失去功能但余有结构残迹的器官——译者注

[13] 　“历史本身”（just history），并非术语或约定俗成的用法，而是作者常用的一种表达，字面义为“只是历史而已”。关于这一话题，作者在《时间之箭，时间之环》中写道：“Time’s arrow expresses the profundity in a style of explanation that many people find disappointing，or maximally unenlightening——the argument that ‘just history’ underlies this or that phenomenon（not a law of nature，or some principle of timeless immanence）.”意为“时间之箭表达出的深意有着解释的意味——‘历史本身’（而非自然法则，或某种永恒的固有原则）是这样或那样现象背后的原因，但这种解释让人们觉得失望，或者毫无启发。”——译者注

[14] 　皮克特冲锋（Pickett’s charge），指在美国南北战争转折点葛底斯堡战役（Battle of Gettysburg）最后一天（1863年7月3日）下午，南方联盟军在乔治·爱德华·皮克特（George Edward Pickett，1825—1875）等三位指挥官的率领下发起的旨在夺取墓园岭（Cemetery Hill）高地并控制道路的进攻。这次进攻是战役的高潮，南军到达整个战争的最北点，但冲锋的伤亡惨重，导致南军在宾夕法尼亚州攻势的失败——译者注

[15] 　路易斯安那购地案（Louisiana Purchase），指美国于1803—1904年自法国拿破仑政府购得法属路易斯安那214万平方公里的土地，南自今路易斯安那州，北及蒙大拿州以北加拿大境内。由于之前法国的黑人政策（Code Noir）有别于美国其他地区，该区域在当时不仅有大量黑奴人口，也有大量自由有色人（包括自由黑人）。购地之后，自由有色人失去自由的地位。因此，该购地案可谓后来南北战争爆发的缘起之一——译者注

[16] 　德雷德·斯科特案判决（Dred Scott decision），即1857年裁决的斯科特诉桑福德案（Dred Scott v.Sandford）。德雷德·斯科特（Dred Scott，约1799—1858），美国黑奴，因随奴隶主美国军医约翰·艾默生（John Emerson，？—1843）出入于蓄奴州和自由州，致使奴隶主在后者境内蓄奴违法。而且，斯科特有女儿出生在自由州，应属自由人。但在奴隶主去世后，奴隶主遗孀拒绝斯科特赎买全家人自由的请求，斯科特因而自1847年始上告法庭以求自由。最终，最高法院判决以蓄奴州的法律裁判，斯科特败诉，并裁定自由州实行的国会法案，即规定北纬36°30′以北区域禁止蓄奴的“密苏里妥协”（Missouri Compromise）违宪。这一判决是导致后来南北战争爆发的重要事件之一——译者注

[17] 　萨姆特堡（Fort Sumter），是位于美国南卡罗来纳州查尔斯顿（Charleston）的海岸堡垒。1861年3月4日，林肯就职总统，不承认南方联盟政府，南方议和企图破灭。4月12日清晨，联盟军炮击联邦军驻守的萨姆特堡，美国南北战争爆发——译者注

[18] 　作者大致是从假设的角度，暗示南方主和派本可不战或不扩大战争而达到目的，北进适得其反，因而决胜关键并非在于北方——译者注

[19] 　原文为“the kingdom lost for want of a horseshoe nail”，出自民谚《只因少了一颗钉》（For Want of a Nail ）。大致意思是缺少一颗马蹄钉，导致无法钉牢马蹄铁，进而影响到马、骑马的人、所送的情报，战斗因此失败，以致亡国或国王失去王位——译者注

[20] 　《致命老屋》（A Fatal Inversion ，1987），英国著名悬疑小说作家露丝·伦德尔（Ruth Rendell，1930—2015）以笔名芭芭拉·薇安（Barbara Vine）发表的获奖小说，题名中的inversion指主角将年轻时继承的乡间豪宅老屋称为someplace的倒置Ecalpemos。一个汉译版本将题名译为《真相的故事》（李春江译，2007，群众出版社）——译者注

[21] 　《绿魔》（The Tommyknockers ，1987），美国著名悬疑小说作家斯蒂芬·金（Stephe King，1947—）的一部小说。据小说前言，标题中的Tommyknockers指因饥饿而死但仍敲门乞食求援的矿工鬼魂。在小说中，Tommyknockers至少指外星飞船施加于当地居民的一种神秘影响。译者在此采用同名电视剧改编（1993）的片名汉译之一。另有译名为《燃烧森林》，应取自故事虚构的森林地名Burning Woods。金在前言中特别感谢本书作者，提到了下文“作者注”所涉话题，如本书作者的意见、“愚蠢的进化”及棒球队球迷等，并戏称该小说原本与本书作者上一本文集《火烈鸟的微笑》（The Flamingo’s Smile ，1985）同名。另外，故事开头即有上文引用的民谚《只因少了一颗钉》。然而，本书的主旨可能与两位作者当时声称的都有所不同，其中的情节虽涉及偶然性，但与进化和适应无关。尽管该书是20世纪80年代畅销一时的小说，但由于作者个人生活的原因，创作过程拖沓，出版仓促，对质量有一定影响。而且，多年以后，作者本人对该书亦持不认可的态度——译者注

[22] 　尽管我们所用的词语不同，但对这一主题的看法是一致的。它让我们看到希望，即使是最不相容的不同见解，无论有关个人风格，还是道德根源，在这个最重要的智识山头上，它们也能产生共识——即便斯蒂夫（Steve【本书作者对金的昵称——译者注】）是新英格兰地区（波士顿）红袜队（Red Sox）最狂热的球迷，而我的心属于（纽约）洋基队——作者注

[23] 　小麦哲伦星云（Lesser Magellanic Cloud），即Small Magellanic Cloud（SMC），本星系群成员，矮星系，距银河系约20万光年，在地球南半球肉眼可见。该星系围绕银河系旋转，被认为是其卫星星系，但据2006年哈勃望远镜的观察结果，有观点认为它移动太快，对其卫星星系的属性有所怀疑——译者注

[24] 　《加拉帕戈斯》（Galápagos ，1985），美国著名作家库尔特·冯内古特（Kurt Vonnegut，1922—2007）的代表作之一。加拉帕戈斯即科隆群岛（Archipiélago de Colón），重要的生物多样性热点之一，隶属厄瓜多尔，位于南美洲以西赤道附近。该群岛因达尔文发现喙部大小形态各异的燕雀（finch）进而作为自然选择的关键事实而闻名，在后文中被称为达尔文的地理圣地。在小说中，经过一系列偶然性事件，不懂驾驶的船长阿道夫·冯·克莱斯特（Adolf von Kleist）使“达尔文湾号”（Bahía de Darwin）迷失于加拉帕戈斯的一个虚构小岛圣罗莎莉娅（Santa Rosalia）。幸存者除本身不孕的寡妇玛丽·赫伯恩（Mary Hepburn），还包括有孕在身的新寡堀口久子（Hisako Hiroguchi）——一个只会讲日语的广岛核辐射受害者第三代，以及将来与其结伴的盲女赛琳娜·麦金托什（Selena MacIntosh），她们是原计划“世纪自然之旅”（the Nature Cruise of the Century）的乘客。另有六个来自亚马孙雨林神秘印第安部落的坎卡波诺（Kanka-bono）女孩——译者注

[25] 　美国幻想影片《回来未来》（Back to the Future ，1985）的主人公马蒂·麦弗莱（Marty McFly）是一名高中生，由迈克尔·J.福克斯（Michael J.Fox）饰演，因意外的时间旅行回到父母就读高中的年代，而且由于被其母的家庭收留，被迫成为其父强有力的情敌。俄狄浦斯（Oedipus）是希腊神话人物，著名事迹为应验了杀父娶母的预言——译者注

[26] 　“正模”（Holotype）是一个分类学术语，指物种命名所依据的标本。之所以指定某个标本为正模，是因为所代表物种的分类地位在将来可能会发生改变，生物学家必须在最初命名时选定一个标本作为标准。（例如如果后来的分类学家认为，在最初描述时，有两个物种被错误地混到了一起，那么，最初的命名就得归正模标本所代表的那种所有。）——作者注

[27] 　美国经典幻想影片《生活多美好》（It’s a Wonderful Life ，1946）是著名导演弗兰克·卡普拉（Frank Capra，1897—1991）最后一部杰作，主人公乔治·贝利（George Bailey）由詹姆斯·史都华〔James Stewart，1908—1997，即吉米·史都华（Jimmy Stewart）〕饰演。故事的发生地点是一个虚构的美国小镇贝德福斯，因镇外贝德福斯山间的瀑布得名。贝德福斯镇的绝大多数产业被由莱昂纳尔·巴里摩尔（Lionel Barrymore，1878—1954）饰演的全县首富波特先生（Mr. Porter）控制。波特先生全名为亨利·F.波特（Henry F.Potter），在其眼中，乔治父辈创办的“贝利兄弟房屋建设联合社”（Bailey Bros. Building＆Loan Association）是阻碍他掌控全镇的最后一根钉子。乔治才华横溢，从小梦想离开偏僻的小镇闯荡世界，但由于疾恶如仇、乐善好施、责任感强，屡屡在最后时刻为了家庭和地方百姓，或不得不放弃计划，或严词拒绝被收买（大多数时候是波特先生从中作梗）。在1945年圣诞前夜，乔治的叔叔因大意遗失了8000元业务款，并落到波特先生的手里。正值银行审计官前来查账，身为负责人的乔治无计可施，前往首富波特先生处求援，但遭落井下石。绝望的乔治心生自杀的念头，被其守护天使克拉伦斯·奥德博迪（Clarence Odbody）及时施计阻拦。乔治仍自暴自弃，天使顺水推舟，为其重演历史，看小镇没有他会变成什么样。乔治最终被说服，困难得到圆满解决，天使因而被升级——译者注

[28] 　掠夺式大亨（robber baron），指为获取财富、牟取暴利不择手段的19世纪美国资本家，也被译作“强盗资本家”——译者注

[29] 　自组织系统（self-organizing system），根据全国科学技术名词审定委员会2016年公布的《管理科学技术名词》（第一版），指能够在与环境相互作用下，通过系统自身的演化而形成新的结构和功能的开放系统——译者注

[30] 　阿萨·格雷（Asa Gray，1810—1888），美国著名植物学家，《北美植物志》（Flora of North America ，1838）最早版本的两位作者之一，曾任美国人文与科学院（American Academy of Arts and Sciences）院长，也是美国国家科学院最初的50位院士之一，对美国植物学界有重大影响。格雷与达尔文及英国著名植物学家胡克父子〔威廉·杰克逊·胡克（William Jackson Hooker，1785—1865）和约瑟夫·道尔顿·胡克（Joseph Dalton Hooker，1817—1911）〕私交甚厚，在达尔文去世前的20多年里与其有过数百次通信。他是达尔文进化论的坚定维护者之一，与著名进化论反对者、沃尔科特的指路人路易斯·阿加西斯有过激烈的争论。但他也是著名的基督教进化论者（Christian evolutionist），著有《达尔文主义》（Darwiniana ，1876），试图解释自然选择与神学并不矛盾——译者注

[31] 　罗伯特·弗洛斯特（Robert Frost，1874—1963），美国著名诗人，四次普利策诗歌奖得主。其作品的内容主要为20世纪初美国新英格兰地区的农村生活。诗歌《设计》（Design ）是一首十四行诗，标题所指为神创论者所谓“智能设计”（intelligent design）之“设计”，“设计”的主体为神祇，客体为万物生灵。作者在此认同如此“设计”，但认为主体过于残忍。诗中的夏枯草（Prunella vulgaris ），英文为heal-all，意为“万灵药草”，有观点认为此引用有反讽的意味。此外，夏枯草有白花变种（P.vulgaris var. leucantha），与诗人暗示的疾病无关。诗歌原文为：I found a dimpled spider，fat and white，/ On a white heal-all，holding up a moth / Like a white piece of rigid satin cloth ——/ Assorted characters of death and blight / Mixed ready to begin the morning right，/ Like the ingredients of a witches’ broth ——/ A snow-drop spider，a flower like a froth，/ And dead wings carried like a paper kite. // What had that flower to do with being white，/ The wayside blue and innocent heal-all？// What brought the kindred spider to that height，// Then steered the white moth thither in the night？// What but design of darkness to appall？——/ If design govern in a thing so small.——译者注

第五章　种种可能的世界：『历史本身』的力量

一个有关其他可能情形的故事

在上一章里，我对偶然性进行了概括而抽象的简要介绍。但是，光凭具有可行性或论证的力度，还不足以为“历史本身”正名。为了能让您心悦诚服，我必须举出实际的例子，证明其他种种极其不同的可能情形一样令人起敬、合情合理、充满魅力，也能形成实质上趋异的生命历史，而且，在其中不会有类人的智能生物产生。

当然，描述其他不同情形是有困难的。因为它们从未发生过，我们不可能知道，如果发生，合理的细节会是什么样。例如我可以肯定，如果让古生物学家身处伯吉斯的时代，对节肢动物的25种构型进行研究，没有谁会拒绝最常见的马尔三叶形虫，也不会将美丽而复杂的林乔利虫，或强壮且比比皆是的西德尼虫抛到一边，而把生态学习性特化的埃谢栉蚕，或不多见的多须虫作为未来的候选对象。但即便我们能想象一个由马尔三叶形虫、林乔利虫和西德尼虫的后代组成的现代世界，我们又怎么可能知道这些后代具体是个什么样子。毕竟，即便对于那些系谱已经为人所知的类群，我们也无法做出预测——我们无法从埃谢栉蚕想象出蜉蝣的样子，也无法在多须虫身上看到黑寡妇蜘蛛的影子 [1] 。在经过不同的抽灭过程之后，形成的世界具体会是什么样子，要如何才能说清？

我相信，应付这种两难境地，最好的办法是退一步。对于未能幸存的类群，它们可能的后代会是什么样子，我们不可知晓。我们与其想象它们的模样，不妨考虑另一个合理可行的世界——它与现实世界的不同之处，仅在于两个类群的丰富程度，而这两个类群在伯吉斯的时代就有，在现实中也幸存下来。这样，我们需要凭空臆测的，只是导致多样性变化的原因而已。选取现代的两个海洋类群，一个多样性丰富，另一个几近不存。在它们缘起的伯吉斯时代，是否可以预料到哪一个注定占据主导地位，哪一个沦落到边缘，苟存于一个无情世界的角落？若将生命的记录带倒回重演，得到相反的结果，我们也能为之正名吗？（本书大部分内容与西蒙·康维·莫里斯有关，我举这个例子，也要归功于他给予的建议及其之前有过的探索。）

这两个门类都具有最常见的无脊椎动物体形构型——都是柔韧、细长、两侧对称的“蠕虫”。下面来看看它们当前的分布如何。多毛类是环节动物门（陆生蚯蚓所属的门类）海洋类群的主要组分，也是精彩的生命成功故事的代表之一。在西比尔·P.帕克（Sybil P.Parker）主编、由麦格劳—希尔（McGraw-Hill）公司出版的《生物分类与概要》（Synopsis and Classification of Living Organisms ，1982）中，多毛类所占篇幅长达40页，对87个科、1000个属、8000多种一一做出简介，令人叹为观止。多毛类动物的尺寸，最短不足一毫米，最长不止三米。它们几乎无所不在，但大多数生活于海底，也有一些生活在淡水里，还有少许生活在潮湿的土壤中。其生活方式也涵括了所有可以想象的类型——所属的大多数动物独立生存，为肉食性或腐食性，不过，也有一些与海绵动物、软体动物或棘皮动物共生，还有一些营寄生。

相反，看看曳鳃类——它们是穴居蠕虫，身体大致分为三部分——生有一两对附肢的后端、居中的体干、可伸缩的前端或吻突。吻突因形状以及可从体干直挺而起的特性，让早期的男性动物学家们不可避免地想起另外一种结构，对于他们来说，该结构也是牢不可分、十分亲密的——这种生物因此被命名为Priapulus ，意思是“小鸡鸡” [2] 。

或许是曳鳃动物的盔状结构让人心头一紧，联想到这个不必要的比喻。在大多数曳鳃动物物种中，这种结构下部生有25列小齿状突起，称作吻刺（scalid），之上是一围颈圈状结构，称作口环（buccal ring）；结构上部有齿状结构环围口部，形成数个（嵌套）内切的五边形。曳鳃类大多数是积极主动的肉食动物，能将捕获的猎物整体吞咽，只有一种以碎屑为食。

但当我们翻开帕克的“生物大全”时，会发现留给曳鳃动物的篇幅仅有三页，只对各科随意描述了一下。曳鳃动物对有机生物的多样性贡献不大，动物学家只发现了15种。出于某种原因，在现代生物学的成功故事里，没有曳鳃动物的位置。

审视曳鳃类的分布，可以发现这类动物相对失败的一条线索。所有曳鳃动物都生活在非同寻常的环境里，或条件恶劣，或处于边缘地带——就好像它们无法在开放的浅水环境中与出没于其中的“典型”海洋生物竞争，只能死守在一般生物懒得去的地方。其中的两科动物，个体尺寸非常之小，以致生活于沙粒之间。那儿是所谓“潮间带动物群”的世界，资源丰富，也有吸引人之处（但绝对是个“不典型”的去处）。大多数曳鳃动物属于曳鳃虫科（Priapulidae），是生活在海洋底部的大型蠕虫（长可达20厘米）。不过，它们生活的环境不是资源极为丰富的热带浅水地区，而是处于最寒冷的地域，或是热带的（寒冷）深渊之底，或是高纬度苦寒之地的浅水中。它们可以耐受多种非同寻常的环境压力——低氧、硫化氢、低盐或盐度的波动，能生存于长期贫瘠的不毛之地。尽管如此，我们并不能缩小合理推断的范围，认为曳鳃动物得以在残酷的世界里苦撑下来，就是因为选择了可以避开竞争的艰难环境。

我们或许可以如此假定——现代多毛类和曳鳃类的差别如此之大，表明这两个类群的“气质”不同必有其内在原因——这一原因如此根深蒂固，以至于在它们的地质历史中，从来都是多毛类欣欣向荣，曳鳃类苦苦挣扎，从未间断过。若果真如此，令人敬畏的伯吉斯动物群呈现给我们的，就又是一个意外。在这现代软体构型生命的最早记录里，包含的多毛类有六属，而曳鳃类有六或七属（康维·莫里斯有关曳鳃类的专论，详见Conway Morris，1977d，有关多毛类的专论，详见Conway Morris，1979）。

此外，从数量上看，曳鳃动物是伯吉斯动物群的主要组成部分。它和奇虾及一些节肢动物一样，都是地球上最早的重要软体构型肉食动物。丰奥托径虫（图5.1）是在伯吉斯最常见的曳鳃类物种。它能将猎物整体吞食，软舌螺（一种从属地位不明的锥形贝类生物）是它最爱的食物，有31件软舌螺标本是从奥托径虫体内发现的。被吞食的软舌螺身体朝向大多相同（因此，几乎可以肯定，奥托径虫猎取和进食有其固定的方式）。在一只奥托径虫体内，曾发现有六只软舌螺。而在另外一件标本体内，曾发现有同类的残骸——这是同类相食的最早化石记录。

相反，多毛类（图5.2）尽管在分类学上的多样性（属类）与曳鳃类相当，数量却要少得多。康维·莫里斯评论道：“较之在现代海洋环境的状况，多毛类在伯吉斯页岩发挥的作用，相对来说是很小的。”

图5.1　在穴内的伯吉斯曳鳃动物奥托径虫，吻突半展。（玛丽安娜·柯林斯绘图）
图5.2　伯吉斯多毛类动物加拿大虫。（玛丽安娜·柯林斯绘图）

显然，曳鳃动物在伯吉斯之后的时期曾经历过戏剧性（的灾难性）事件。曾几何时，从数量上讲，它们在软体构型动物中无可匹敌，甚至比在将来显赫的多毛类还多。如今，它们势单力薄，已被遗忘。它们在海洋里的栖息之所，无论是从空间上，还是从生活环境上，都属于边缘地带。全世界范围内的现代曳鳃动物属类加起来，还没有在不列颠哥伦比亚一个采石场内的单一伯吉斯动物群里的多。在伯吉斯的时代，曳鳃动物处于舞台的中心，那儿不是毫无品位的偏僻处。到底发生了什么？

我们不知道。很容易想到的一种说法是，不管多毛类在最初的状况有多么卑微，它在那时就已具备了某种生物学优势，在后来必然会取得主导地位。但是，这会是一种什么样的优势？我们一无所知。康维·莫里斯的观察结果令人不解——伯吉斯的多毛类没有颚，这类作为成功捕食者的多毛类动物都具备的器官，在奥陶纪之前还没有进化形成。或许颚的形成使多毛类具有了优势，借以战胜之前数量多得多的曳鳃类。

这种推测说得通，也有可能正是原因所在，但我们还不能确定。（形成颚与取得主导地位的）相关未必一定能表明具有因果关系。无论事实为何，如果假定在伯吉斯时代存在一位地质学家，他不可能知道，卑微的多毛类在5000万年后会进化出颚的结构。

与在伯吉斯的情形不同，曳鳃动物的现代种类稀少，加之非同寻常的分布，的确可以表明它们基本上是一个失败的类群。但是，又有谁能重构其原因？而且，谁又能肯定，生命记录带的一次重演不会产生由曳鳃动物主导的现代世界，而多毛类没有颚，且为数不多，脆弱地挣扎于边缘？已经发生的事可以解释得通——我们的世界并非不可思议。但是，也有许多可行的其他情形，不仅可以满足现代人对进步的迷恋，还能使他们信服。在那些“或该发生的情形”当中，“曳鳃动物取得主导地位”稳居其间。

这等伯吉斯奇事在生命历史中司空见惯，还是一个始料未及的异常，只不过到了后来，走势变得不可避免？再看一个“或该发生情形”的例子：恐龙在白垩纪的灾难中灭绝之后，形成了大型肉食动物的真空。那么，当前猫科及犬科动物占据肉食动物的主导地位，是可预测的必然，还是幸运的偶然？5000万年前，一个（假定的）始新世古生物学家在调查了当时的脊椎动物之后，会将万兽之王里奥 [3] 的祖先挑出来，认为它将会占主导地位吗？

我估计他不会。在始新世，已存在有很多肉食性哺乳动物的谱系，其中只有一支成为现代类型的祖先，而且在当时并不特别突出。但是，始新世是肉食动物历史的一个特别时刻，两种可能性在杠杆上的支点两边——一种实现了，另一种被遗忘。哺乳动物并没有掌握所有筹码。1917年，美国古生物学家W.D.马修和W.格兰杰 [4] 描述过在怀俄明州发现的一具“壮观且相当始料未及”的骨架，它属于始新世巨型捕食性鸟类——巨不飞鸟（Diatryma gigantea ） [5] ：

不飞鸟为一类巨型的鸟，翅膀为残迹，生活于地面。体部与肢部加起来，体量仅次于恐鸟中的最大者，超过所有现存的鸟类……重构的骨架高近7英尺（2.1米）。颈部短而粗壮，头部巨大，喙扁平且非常之大，这些特征完全不同于任一现存鸟类。（Matthew and Granger，1917）

巨大的头、短而强大的颈，都表明不飞鸟是凶猛的肉食动物。而相对温顺的平胸类鸟 [6] （鸵鸟、美洲鸵鸟及亲缘类群）头小，颈纤细修长，与之形成强烈的反差。暴龙属恐龙前肢退化，但头部强大，后肢粗壮。不飞鸟一定也能像它那样，能踢、能抓、能咬，将猎物制服。

不飞鸟在北美和欧洲存在过数百万年。它们或许是鹤的远亲，但与鸵鸟及其“同伙”不是亲戚。成为主导性肉食动物的机会应会落在鸟类身上，但最终是哺乳动物“战胜一切”，而我们不知原因为何。我们可以凭空而论——仅有两足、不同的脑 [7] 、没有牙齿，这些鸟类的特征，在牙齿锋利的四足犬类面前，显然处于劣势。然而，我们打心底里清楚，如果胜者是鸟类，我们同样可以说，正是那些特征使它们的成功不可避免。A.S.罗默 [8] 是上一代顶尖古脊椎动物学家，其编著的教科书堪称行业“圣经”。他在书中写道：

在这种大鸟存在的年代里，大部分哺乳动物的个体都非常之小（当时的马只有猎狐犬那么大）。这暗示了一些非常有趣的可能情形——只是没有成为现实而已。大型爬行动物相继灭绝，陆地已经敞开，等待被征服。可能的（主流）继任者是哺乳动物和鸟类。前者（最终）在征服的过程中胜出，但是，曾有像不飞鸟类型的生物出现过，说明在开始的时候，鸟类是哺乳动物的劲敌。（Romer，1966，171页）

我们对重演生命记录带有种种猜测，为缺乏对照实验而叹气。我们无法让那种重演付诸现实，再说我们的星球一次只提供一次排演的机会。但是，作为支撑鸟类和哺乳动物杠杆的支点，始新世提供了更多的不同证据。实际上，这个不被我们左右的复杂星球为我们进行过一次得当的实验。这一特别的记录带的确重演过，就在南美洲——这次，鸟类胜出，或者说，至少跟哺乳动物体面地打成平手。

在巴拿马地峡 [9] 于几百万年前隆起之前，南美洲是一个岛屿大陆，一种“超级澳大利亚”。大多数通常被认为是南美特有的动物，如美洲豹、羊驼、貘，其实是在地峡形成以后从北美迁徙而来，而原产南美本地的大型动物群现已基本消亡（幸存者为数不多，可怜兮兮，不过自有其魅力，如犰狳、树懒及“弗吉尼亚”负鼠等） [10] 。在这艘巨大的方舟上，没有肉食性胎盘动物。大多数科普书籍告诉我们，原产南美本地的肉食动物都是有袋类，是所谓的“古鬣狗” [11] 。人们通常会忽略另一重要的类群——“骇鸟” [12] ，一种生活在地面的鸟类，它们同样有相当的实力，甚至可能更强。骇鸟也有巨大的头，短而粗壮的颈，但与不飞鸟并非近亲。在南美，鸟类曾有过独立的第二次尝试。那一次，是它们胜出，成为主导性肉食动物。查尔斯·R.奈特的一幅著名复原图暗示了这一观点，其中，骇鸟以胜利者的姿态将一只遇难的哺乳动物踩在脚下（图5.3）。

图5.3　在这幅查尔斯·R.奈特绘制的图中，南美的一只骇鸟类动物以胜利者的姿态将一只哺乳动物猎物踩在脚下。

抱着自满的、以胎盘动物为中心的狭隘想法，我们或许会说——鸟类在南美取得胜利，是因为有袋动物不如胎盘动物；在欧洲和北美，捕食性地面鸟类就被征服了，而在南美，本地的有袋动物不能构成如此挑战。但我们就这么肯定吗？古鬣狗又大又凶猛，个体大可及熊，另外，还包括像袋剑虎（Thylacosmilus ）那样的生物。对于这一点，我们或许也会加以讥讽，并指出，无论如何，在地峡隆起后，有优势的胎盘动物一涌入，骇鸟（和古鬃狗）便迅速灭绝了。但是，这种常见的有关进步的传奇故事，一样不能达到洗地的效果。G.C.辛普森 [13] ——我们最伟大的南美哺乳动物进化学专家——在他最近的一本著作中写道：

曾有种说法，这些及其他不能飞翔的南美鸟类……得以幸存，是因为在那个大陆上，相当长时间内没有肉食性胎盘动物。这种猜测远远不能让人信服……大多数骇鸟在肉食性胎盘动物到达南美之前就已灭绝，仅剩一或两种苟延残喘。许多古鬃狗与这些鸟类共同存在的数百万年，它们是高效的捕食性动物……骇鸟……更有可能捕杀哺乳动物，而非被其捕杀。（Simpson，1980，147—150页）

我想，我们一定可以做出结论，南美的案例的确代表了一次合理的重演——鸟类再下一城。

注解：

[1] 　蜉蝣（mayfly），一类生命周期极短，被形容为“朝生暮死”的蜉蝣目（Ephemeroptera）昆虫。黑寡妇蜘蛛（black widow spider），一类寇蛛属（Latrodectus ）蜘蛛——译者注

[2] 　曳鳃动物的拉丁词根priapus 来源于希腊文，即希腊神话中的生殖之神普里阿普斯，他拥有永久勃起的巨大阴茎。priapus 也是英文阴茎异常勃起（priapism）的词根。曳鳃动物常被称为“阴茎虫”（penis worm），曳鳃虫属（Priapulus ）的直译即为“小阴茎”，作者在后文中将之称作“小鸡鸡虫”（little penis worm）——译者注

[3] 　里奥（Leo），天文学所指的狮子座、西方占星术黄道十二宫中的狮子宫、米高梅电影公司的吉祥物，在此指狮子——译者注

[4] 　W.D.马修（W.D.Matthew），即威廉·迪勒·马修（William Diller Matthew，1871—1930），美国古生物学家，认为人起源于亚洲，气候变化是现代生物地理分布的成因。W.格兰杰（W.Granger），即沃尔特·威利斯·格兰杰（Walter Willis Granger，1872—1941），美国古生物学家，在美国、亚洲和中东有丰富的采集经历，参与过发现“北京人”（Homo erectus pekinensis ）的前期勘查工作——译者注

[5] 　不飞鸟（Diatryma ）的属拉丁名指足骨骼上有穿孔。该属现已被撤销，原属物种并入冠恐鸟属（Gastornis ）——译者注

[6] 　平胸类（ratite）不是一个严格的鸟类分类阶元。这些动物的胸骨没有龙骨突（carina），不能为翅肌（或飞翔肌）提供附着点，所以不能飞翔。但是，该阶元并不包括所有没有飞行能力的鸟类。此外，它属于古颚下纲（Palaeognathae），而冠恐鸟从属今颚下纲（Neognathae）——译者注

[7] 　原文为bird brains，也指笨头笨脑——译者注

[8] 　A.S.罗默（A.S.Romer），即阿尔弗莱德·舍伍德·罗默（Alfred Sherwood Romer，1894—1973），美国著名古生物学家，编著的经典教科书名为《古脊椎动物学》（Vertebrate Paleontology ），1933年初版，后经两次修订，于1966年由芝加哥大学出版社出版。罗默久负盛名，有多个分类阶元以其命名——译者注

[9] 　地峡（isthmus），指连接两个大陆或一个大陆与岛屿的狭长陆地。巴拿马地峡（Isthmus of Panama）连接南美和北美两个大陆，形成于约280万年前，因太平洋一侧的科科斯板块（Cocos Plate）与大西洋一侧的加勒比板块（Caribbean Plate）长期积压导致的海底火山爆发形成，进而促成南北美洲大陆生物大迁徙（Great American Interchange）——译者注

[10] 　貘（tapir），体形似猪的貘科（Tapiridae）动物，与驴、马、犀牛同属基蹄目（Perissodactyla）。犰狳（armadillo），产于新大陆的贫齿总目（Xenarthra）、有甲目（Cingulata）动物，周身覆有角质骨板。旧大陆的穿山甲与之有相似之处，但属于鳞甲目（Pholidota），不在贫齿总目之下。“弗吉尼亚”负鼠（“Virginia” opossum），即北美负鼠（Didelphis virginiana ），作者加引号，是因为弗吉尼亚（Virginia）是北美的美国州名，而该物种原产南美，因巴拿马地峡的形成迁徙至北美。该物种是负鼠目（Didelphimorphia）动物，与家鼠等啮齿目（Rodentia）动物不属一类——译者注

[11] 　古鬣狗（borhyaenid），已灭绝的古鬣狗科（Borhyaenidae）动物，所属的袋犬目（Sparassodonta）原被认为是真正的有袋动物，但现在的观点认为是其姐妹群——译者注

[12] 　骇鸟，原文为phororhacid，应为phorusrhacid，属鹤形目（Cariamiformes）、骇鸟科（Phorusrhacidae）。图5.3所示为其模式属恐鹤属（Phorusrhacos ）动物——译者注

[13] 　G.C.辛普森（G.C.Simpson），即乔治·盖洛德·辛普森（George Gaylord Simpson，1902—1984），美国著名古生物学家，推动现代综合论（Modern Synthesis）的主要人物之一，主要研究灭绝的哺乳动物及大陆间的生物迁徙，曾提出与本书作者最著名的点断平衡理论相似的聚量演化（Quantum Evolution，亦称量子式进化）理论，但也是大陆漂移学说最有影响的反对者之一——译者注

可阐明偶然性的一般模式

上面关于蠕虫和鸟类的故事，前一半讲历史，从伯吉斯的时代到当前，后一半讲一个浑然天成的重复实验。在这个故事里，偶然性作为对历史的普遍性描述，被推入具体的现实世界。一个故事可以作为一个案例，表明论点可行，但并不足以证明该论点成立。本书的论证还需要最后两件工作——第一，对生命历史的一般属性做出陈述，巩固偶然性之论点。第二，按年代先后列举实例，阐明偶然性之影响并非具有选择性，仅施加于特定的案例，其实，我们星球上生命形成的主要路径和可能都是它的作用对象。在本节及下节，我将完成这最后两件论证工作。之后，以一个极有吸引力的事实收场，本书便大功告成。

即便地质历史的形成完全如同达尔文想象的那般，偶然性依然可能是主导，只不过生命历史的一般模式更多地落入广义原则下可预测的范畴。还记得达尔文是如何看待生命历史的吗？——是通过有关竞争的中心隐喻。还记得尖劈吗？（见前文此处）——充满物种的世界，就像一根插满尖劈的木头。新的生命类型要进入生态群落，只有通过取代当前的部分成员才能得以实现（将一定数量的尖劈从木头中挤出）。取代的过程以自然选择为原则，竞争中的优胜者是适应得更好的物种。达尔文觉得，这一过程在当前也无时无刻不在发生着，将它扩展到地质年代的尺度，就能构成生命历史的总体模式。例如，达尔文在《物种起源》第十章中极力向我们展示（尽管现在看来可能并不正确），灭绝不是迅速实现的，大量不同的生命类型从不同的环境中消失，也不是同时发生的；与之相反，各个终将灭绝的重要类群走下坡路，都是一个缓慢的过程，而且与强有力的竞争对手出现有关 [1] 。不过，达尔文说的“适应得更好的物种”，仅指它们“更适于不断变化的局部环境”，并没有泛指在解剖学结构上拥有优势。从长远看，对所处局部环境的适应既有可能限制成功，也有同等可能促进成功（过于简化如寄生虫，过于精妙如孔雀）。此外，在我们的星球上，在我们用到的比喻里，没有什么像气候和地表的变化趋势那样奇怪、不可预测——大陆裂开，碎片各分东西；洋流发生变化；河流改变方向；高山隆起；河口干枯。如果生命历史的形成过程不是攀爬“进步”的阶梯，而是顺应所处的环境，那么，偶然性理应占据主导地位。

在达尔文的体系中，偶然性发挥着很大的作用。我敢肯定，它并不是其理论的逻辑推论，而是其自身工作生活中显而易见的中心主题。达尔文引入偶然性的方式很有意思，是作为进化事实本身的主要证据，夹带到一个悖论当中——大家应会认为，证明进化最好的证据，在于那些无与伦比的最优适应的例子——羽毛在空气动力学方面堪称完美，形似叶片或枝干的昆虫在拟态方面天衣无缝。这些现象被当作自然选择的产物，为我们展示进化改造威力提供了标准的教科书式案例——自然选择的磨盘转得虽慢，但出的活儿是极为精细的。然而，达尔文也承认，完美并不能作为证明进化的证据——因为最优的表象掩盖了历史的真实轨迹。

如果羽毛是完美的，可以将之解释为在以往结构的基础上自然形成的特征，同样，也有人会将其归结为全能上帝的精心设计。达尔文发现，进化的主要证据，必须从历史路径中的怪事、奇物、不完美中寻找。鲸有髋骨的残迹 [2] ，因此，它的祖先必来自陆地，具备有功能的腿。熊猫要以竹子为食，就得从腕骨上长出籽骨，形成不完美的“拇指” [3] 。因为，它的祖先是肉食动物，无须第一趾能活动，因而失去了该功能。加拉帕戈斯的不少动物与邻近厄瓜多尔的相差甚微。不过，加拉帕戈斯是温度相对较低的火山群岛，气候与邻近的南美大陆差别极大。如果鲸的身上没有一丝陆生祖先的印记，如果熊猫生有完美的拇指，如果加拉帕戈斯的生命与所处的奇异环境相称——那么，历史就不是自然的固有产物。“历史本身”充满着偶然发生的事件，确实是它们塑造了我们的世界。进化就蕴藏于那些（奇异的）结构之中，至于它们是如何形成的，唯一的解释恐怕是——过去发生过的什么所留下的阴影。

就这样，即便是达尔文的世界，那个源于挤满物种的局部群落内部竞争的世界，也是由偶然性主导的。过去25年中，激动人心的知识运动让我们认识到，自然的历史并非有条不紊、连续不断；单凭日积月累，不能使个体小的物事变大。在自然历史的路径中，有一些发展模式留下了印记，它们纵深的尺度较大，属于宏观进化学的范畴，与环境的历史变迁有关。这些发展模式能将任何须经时间积累的过程打乱、重置或改向，而且随时随地都可以发生。它们的大多数强烈地深化了偶然性这一主题（Gould，1985a）。下面我们只看看其中两个。

最大初始激增的伯吉斯模式

本书的主要论证表明，偶然性的地位大为提高、程度难以估量，得益于从伯吉斯页岩获得的洞见——当前生命框架的进化形成，不是一个连续渐增的缓慢过程，而是由（解剖学构型在一开始即迅速分化之后发生的）严重抽灭事件决定的，其中有很大的彩票抽奖式因素，可能还是主导因素。

但我们必须清楚，伯吉斯代表的，到底是一次古怪的事件，还是生命历史的一般性主题——因为，如果大多数类群的进化树看起来，都像是底部幅度最阔的圣诞树，偶然性的地位就会被托到最高，被当作有机生物趋异历史的主要动力。我认为这个问题很重要。因此，在过去15年里，我的技术性研究工作有相当一部分，是围绕着进化树“底重”（bottom-heaviness）现象的出现频次展开的（Raup et al.，1973；Raup and Gould，1974；Gould et al.，1977；Gould，Gilinsky，and German，1987）。

古生物学家早就认识到，在具有硬体结构的常见类群化石中，存在着差异度在早期达到最高的“伯吉斯模式”。棘皮动物是最好的一个例子。棘皮动物门是一个特别的海洋门类，其现代代表可分为五个主要类群——海星〔海星纲（Asteroidea）〕、蛇尾〔蛇尾纲（Ophiuroidea）〕、海胆和沙钱〔海胆纲（Echinoidea）〕、海百合〔海百合纲（Crinoidea）〕、海参〔海参纲（Holothuroidea）〕。它们都是五辐射对称。然而，在下古生界（Lower Paleozoic）地层里，我们发现该门类在形成之初有20～30个基本类群，有些类群的解剖学特征远远在现代的边界之外。海座星的球状骨骼呈三重对称；有些海扁果的两侧对称特征十分显著，以至于有古生物学家将其视作鱼类乃至我们所属类群的可能祖先（Jefferies，1986）；古怪的海旋板只有一条（而不是五条）取食沟 [4] 。这些类群无一在古生代后幸存，所有的现代棘皮动物皆局限于五重对称。然而，这些远古类群也无一在结构方面显露出不足的征兆，或有在竞争中被幸存构型淘汰的迹象。相似的模式，在软体动物和脊椎动物的历史中也有发现（在脊椎动物中，早期的无颌或仅有原始形式颌的“鱼类”在骨的数目和排列方面，比后来的鸟类、爬行动物和哺乳动物还多样。而基于固有解剖学类型的外在变化，正是脊椎动物的一大标志） [5] 。

图5.4　古生物学纺锤图重心（A）“底重”型，重心低于0.5。（B）对称型，重心为0.5。（C）“顶重”型，中心高于0.5。

我最近的研究得出结论，（谱系的）阔度在早期达到最大的特征，并非为产生于寒武纪生命大爆发中的主要类群所特有。它是许多谱系的普遍特征，也见于早期的其他阶段、其他层次的一些类群。实际上，我们已经提出如下观点——这种不对称的“底重”表现可能是为数不多能赋予时间方向属性的自然现象，因而是“时间之箭” [6] 的罕见实例（Gould，Gilinsky，and German，1987；Morris，1984）。在研究中，我们将进化学中的谱系和分类学中的类群以古生物学的传统“纺锤图”展现——垂直方向代表时间，横向的阔度代表相应时期幸存的类群数量（图5.4），我们凭直觉就可看懂。这些图的形状可以是“底重”“顶重”，或“对称”（在处于地质年代范围中间的时期，代表数量达到最高）。如果“底重”的谱系是生命历史的体现，那么，“伯吉斯模式”具有普遍性（因为我们的纺锤图说展现的，是分类级别较低的类群，通常是科之下的属）。如果图形呈对称的谱系占据主导地位，分化的趋势就不会赋予时间方向性。

我们通过确定图形的相对重心位置来衡量其不对称的程度。这一解释听似拗口，不过，我们的结果倒是十分直观，易于理解。谱系的重心低于0.5（按我们的术语，即为“底重”），说明其多样性的程度在时间尚未及半之时就已达到最大，也就是说，符合“伯吉斯模式”，高于0.5，则是在地质年龄过半以后才达到最大（见图5.4）。

利用这种方法，我们对海洋无脊椎动物整体进行了调查——得出708幅纺锤图，分别代表不同科的属类组成数量。其中，我们只发现一幅在统计学上显著高于对称的水平。在多细胞生命历史早期——寒武纪和奥陶纪——形成的谱系，重心均值低于0.5。而之后形成的谱系，重心均值不显著有别于0.5。因此，可以肯定，对于具有硬体结构的海洋脊椎动物而言，其常规化石记录代表的所有类群都符合“伯吉斯模式”。多细胞生命早期历史的一大特点，是谱系皆为“底重”型，而在后来的历史中形成的谱系皆为“对称”型。

此外，我们发现这一模式在类群扩张早期十分普遍。“底重”不是寒武纪无脊椎生命独有的奇特标志，而是演进分化本质的普遍性特征。例如，恐龙灭绝后，在古新世形成的哺乳动物谱系，初期曾有爆发式的分化，呈“底重”的趋势，而后来形成的谱系是“对称”型的。

我们可以对这种“底重”模式做出种种不同的诠释。我倾向“早期的尝试，后来的标准化”的说法。主要谱系似乎在其历史之初，就能形成大量差异度相当高的解剖学构型，即“早期的尝试”。一次抽灭过后，这些构型能幸存下来的为数不多，后来的分化仅发生在十分有限的解剖学构型范围之内，即“后来的标准化”。物种的数目或许会不断增加，或许还会在谱系历史晚期达到最大值，但这些极大的分化仅发生于十分有限的解剖学构型之上——现代昆虫有近100万种，但节肢动物的基本构型，如今仅有3种，而在伯吉斯的时代，20种都不止。

无论我们如何诠释，这种“底重”模式都极大地巩固了偶然性的地位，同时也使本书的重要主题得到证实。首先，这种基本模式的存在，是令人舒心的标准图说——多样性不断丰富的圆锥——的一个反证。受到圆锥图说及其背后概念基础的束缚，沃尔科特没能认识到伯吉斯差异度的真实水平，继续将进化的中心模式描绘成与实际情况相反的样子。其次，差异度在初始时达到最高以及后来抽灭的发生，将偶然性影响的范围扩展到最大。因为，如果当前生命的分类框架所记录的，不是通过适应改良达到不断分化的最终结果，而是一次彩票抽奖式抽灭过后的少数幸运生存者——那么，若将生命的记录带重演一次，幸存的解剖学构型可能与现实相当不同，之后的历史也完全能解释得通，但那是一个与我们所知截然不同的世界。

大灭绝

我们在推断进化原因时，如果能发现“从小到大”的连贯例证，那么，根据当前（也在）发生的（以自然选择为原则取代的）“达尔文过程”，就可以构建出进化树的拓扑结构，不断延伸即可。从这由小（外推）扩展到大的主题中，达尔文自己也读出了“进步”的启示——尽管他没有持之以恒，态度也不坚决。既然如此，若这种（“从小到大”的）积累模型在地质历史中出现任何异常，这种对生命历史中“进步可预测”的最好辩解也就失效了。

在古生物学学科诞生之初，就已有了对大灭绝的记录——这些灭绝事件是地质年代划分的主要界线。然而，直至10年前，达尔文传统的两个方面仍促使古生物学家将大灭绝融入积累模型。一方面，可以尝试将大灭绝解释为不完美化石记录导致的假象，达尔文自己就试过。事件中的灭绝比率可能的确很高，但众多生命的灭绝是均匀地分散到数百万年中完成的。它们在同一时代的地层中出现，只是因为大多数时期并没有相应的沉积层作为代表，而相当长的灭绝时期或许被“挤压”到单一的地层平面上。另一方面，有人会承认如此事件发生得极为迅速，但辩称加强的（环境）压力只会使导致进步的“达尔文过程”的“收益有所提升”——如果平常时期的竞争都能逐渐促使最优者脱颖而出，那么，在一个艰难得无法估量的世界里，进行残酷得无与伦比地搏杀，其结果会产生什么，可想而知——大灭绝只会使预计的进步加快实现。

在过去10年中，大灭绝的话题获得了新生，新观点的形成，过硬数据的支持，都令人兴奋不已。最初的激励，当然是阿尔瓦雷茨提出的地外物体撞击引发灭绝的理论。不过，讨论的议题已远远超出偏离轨道的小行星的范畴，扩展到彗星雨、2600万年的灾难潜在发生周期及数学模型。要把这项工作讲清楚，得用一本书的篇幅。不过，我的确发现有一个具有普遍性的主题，可以归纳为意义深远的一句话——大灭绝的发生更频繁，完成更迅速，破坏力更大，产生的影响与我们先前想象的有很大的不同。换言之，大灭绝似乎打乱了地质历史的进程，而非仅作为连续历史中凸起的高点。灭绝的发生，可能是因为环境的变化过于迅速，影响过大，生物平常在自然选择中的适应能力派不上用场。就这样，大灭绝可以将在上一次发生过后“正常”时期积累的所有结果——破坏、清零、改向。

由大灭绝联想到的主要问题永远是——是否存在何种模式，决定哪些幸存，哪些难免；如果有的话，该模式形成的原因为何。有关大灭绝的新观点不止一种，其中最激动人心的一个认为，在灭绝中幸存与在“正常”时期成功，两者的原因有实质性不同——因此，前者的原因成为生命历史中多样性和差异度的一个鲜明特征，或许还是主导性特征。这一特征鲜明的原因影响到整个地质历史，波及面甚广。它的存在，否定了过去的积累模型——那可是进步教条所剩的最大希望。古生物学家对这种幸存因果结构的研究才刚刚起步，将来自有人评判。不过，已有明显的迹象表明，两种形成于大灭绝中的模型——我将其分别称作“随机模型”和“不同规则模型”——不仅能彰显上述鲜明特征，还能极大地巩固偶然性的主题。

1.随机模型。如果大灭绝真的像彩票抽奖那样，每一类群各代表一个与自身解剖学构型优劣无关的号码，那么，偶然性就已被证实了，重演生命记录带的可能结果会有很多种。这一点，无须多言。我们已经发现一些迹象，完全随机的确（在灭绝中）扮演了角色。有些灭绝事件发生得太过猛烈，幸存者的类型过于局限，以致在小样本内发生的随机波动，或许都会产生有影响的后果。例如据大卫·M.劳普 [7] 估计，在所有灭绝的“至尊”——二叠纪—三叠纪大灭绝当中，物种消失了96％。既然生物多样性猛降至原先水平的4％时，我们必会产生这样一种想法——一些类群之所以不存，纯粹是走了霉运。

在另一项更直接的研究中，雅布隆斯基 [8] 归纳了有利于海洋软体动物在“正常”时期生存或物种形成的特征，考察其在大灭绝中发挥的作用。他发现，在大灭绝的不同情形下，这些特征既非生存的有利因素，也非不利因素（Jablonski，1986）。鉴于这些特征都是“正常”时期的重要因果要素，至少可以表明，大灭绝要灭掉哪些、放过哪些，都是随机的。生物的地理分布，是雅布隆斯基能发现的唯一与幸存概率相关的因素——类群分布的范围越广，幸存的机会越大。或许，当时的世道过于艰难，以致在平常占据的地盘越多，找到藏身之所的机会才越大 [9] 。

2.不同规则模型。我个人并不相信完全随机是大灭绝的主导（尽管它或许发挥了一些作用，尤其是在规模最大的二叠纪—三叠纪大灭绝当中）。我认为，幸存者幸存，必有其特别的原因，而且常是一系列复杂的原因。但是，我也强烈地怀疑，大多数情形是——在灭绝发生的过程中，促使幸存的性状得以发挥作用，实际上是附带的结果，与生物自身进化的原因无关 [10] 。

这一观点是“不同规则模型”的核心。在“正常”时期，以自然选择为原则，动物在大小、形状、生理学特性上有所进化，原因种种（通常涉及适应性优势）。与大灭绝相伴而来的，是生存的“不同规则”。在新的规则下，之前的鼎盛之源、最优的性状，可能会变成死穴。一个之前没有任何意义的性状，在发育的旅途中不过是个搭顺风车的——其他适应过程的次要后果，而到此时，却掌握了幸存的关键。原则上讲，在一种特征进化形成的原因与该特征在新规则下发挥的作用之间，不存在因果关系。（因此，验证这个模型的关键，在于确定新规则的确广泛存在。）毕竟，一个物种在进化中获得某种结构，不是为了在数百万年后能派上潜在的用场——除非我们关于因果关系的一般想法变得无比扭曲，认为可以从未来控制现在。

我们人类自身的存在，可能就归功于这种好运。出于尚未明了的原因，小型哺乳动物在大多数大灭绝中逃过劫难，尤其是从将剩下的恐龙一扫而空的白垩纪大灭绝事件中幸存。哺乳动物从大灭绝中幸存，或许主要是因为它们体形小，而非与因体形大而遭灭顶之灾的恐龙相比，能体现出某种解剖学构型的优势。当然，哺乳动物在当时体形小，并不是因为它们察觉到这一性状在未来具有优势。在“正常”时期，保持较小体形的原因可能是负面的——因为，恐龙占据了大型陆生脊椎动物所有的生存环境，而作为地球的在任统治者，无论是从个体实力讲，还是从政治上讲，都占有很多优势。

硅藻是海洋中的单细胞浮游植物，基切尔（Kitchell）和她的同事们从它们之中发现了一个有趣的案例（Kitchell，Clark，and Gombos，1986）。长期以来，古生物学家百思不得其解——为何在白垩纪灭绝事件中，硅藻相对而言丝毫无损，而其他浮游动物在劫难逃？硅藻的生长和繁殖，依赖于从水深处上涌到表面的季节性营养物质。（这种上涌事件即所谓“水华现象”）当这些营养物质消耗殆尽，硅藻就会改变自身的形式，成为“休眠孢子”，停止代谢，沉入水体深处。而当营养物质再次形成之时，硅藻就会打破休眠。基切尔和她的同事们将硅藻在白垩纪的成功归结于休眠行为附带的次要后果。进化形成休眠孢子，是一种应对可预见的季节性营养波动的策略，显然不是针对大灭绝的灾难性环境。但是，在大灭绝的不同规则下，可能是具有休眠状态时沉到水底的能力，使得硅藻幸免于难。如果白垩纪灭绝事件的情形与“核冬天”相符，这种解释就更说得通了——因为，黑暗会使光合作用无法进行，致使依赖初级生产的食物链中上上下下的生物不断灭绝，而硅藻以休眠孢子的形式深沉于透光带之下，安然度过了那场黑暗的风暴 [11] 。

达尔文想象的，是将在局部种群内（竞争获得）成功的原因，（外推）扩展到地质学尺度，解释幸存及繁衍的原因，而“不同规则模型”打破了这种因果连续。所以，这种模型主要将偶然性视作不可预测的属性，强烈支持其在进化中发挥的作用。如果长远的成功有赖于某些特征的附带方面，而那些特征的进化形成又出于其他原因，那么，若将生命的记录带倒回遥远的过去，我们怎么可能知道哪些类群将注定成功？在重演过程中，它们如何表现，如何进化，可能并不重要。我们可能会根据它们的附带特征做出一些猜测——具有这些特征，通常意味着可以从大灭绝中幸存，不过，我们怎么就这么自信？重要的是，在大灭绝到来之前，这些至关重要的特征根本不会显现出来，只有在不同的规则出现时，其附带功效的重要性才得以彰显——因为，要“激活”其功效，必须有极度的外部压力，而动物在“正常”时期从来不会经受这种压力。而且，在我们丰富多样的世界里，下一次大灭绝在未来某时发生时，有什么样的不同规则，我们怎么会知道？如果生命在地质历史中的寿命取决于——基于其他原因进化而得特征的幸运次要后果，那么，处于主导地位的一定是“不可预测性”。

这些大规模进化的一般性原则突出了偶然性的重要性，将它们呈现出来，我乐意之至。对“底重”谱系和大灭绝的属性进行归纳，本是传统的非历史科学的活儿，但它们通常反对或至少贬低像偶然性那样的历史性原则。对于科学多元论而言，这种（来自传统反方的）加强是一种可喜的局面。我为历史科学辩护，但无意建造一个地下堡垒，躲到里面为自尊和自主而战，最好还是求合作，向前走。由进化的一般模式可知，进化的具体结果是不可预见的。

注解：

[1] 　大灭绝并不否定自然选择的原则。因为，环境改变发生得太快、太剧烈，有机生物无法做出适当的对策。若是一同消亡，就的确与达尔文的倾向相反。他倾向的是小中见大，并将有机生命不同类群之间的竞争视作生命总体模式形成的主要根源——作者注

[2] 　原文为“vestigial pelvic bone”，应指腰痕骨（pelvic rudiment bone）——译者注

[3] 　原文为“nubbin of a wrist bone”，指熊猫的桡籽骨（radial sesamoid）。作者有关该议题的文章见《熊猫的拇指——对自然史的更多思考》（The Panda’s Thumb：More Reflections in Natural History ，1980）第一部分——《完美与不完美：熊猫的拇指三部曲》（Perfection and Imperfection：A Trilogy on a Panda’s Thumb ）——译者注

[4] 　海座星（edrioasteroid），指海座星纲（Edrioasteroidea）动物。实际上，该类群的一些动物亦为五重对称，即五辐射对称。海扁果（carpoid），指海扁果亚门（Homalozoa）动物。海旋板（helicoplacoid），指海旋板纲（Helicoplacoidea）动物——译者注

[5] 　十分幸运的是，“伯吉斯模式”在具有硬体结构的常见类群中反复出现，这一事实有助于验证抽灭现象展现的主要议题——失败者的消失是因为在竞争中处于劣势，还是因为走了霉运？对于这个关键问题，我们从伯吉斯页岩本身得到的启发十分有限，因为它的软体构型动物群只是历史长河中的一粒水滴——这也是令人遗憾之所在。（有一类泥盆纪节肢动物——产自洪斯利克页岩的海星形虫，或许是马尔三叶形虫的幸存亲缘类群。不过，伯吉斯的大多数解剖学构型没有继承者，消失得无影无踪。我们也不知它们消失的原因和发生时期）不过，具有硬体结构的类群的灭绝模式是有迹可查的。如此一来，与我们期待的相反，验证伯吉斯遭受抽灭的原因，最可行、也是最佳的办法，是研究在棘皮动物中有迹可查的相似情形。我的第一个问题是——棘皮动物的“失败者”是在大灭绝事件当中迅速消失殆尽，还是逐渐破败，在互不相干的不同时期出局？前一种情形可以构成强烈的证据，证明彩票抽奖式的选择（走霉运）是抽灭的一大属性。我们不知道这个问题的答案，不过，从理论上讲，答案是可以找到的——作者注

[6] 　有关“时间之箭”，详见此处脚注[3]——译者注

[7] 　大卫·M.劳普（David M.Raup，1933—2015），美国古生物学家，上文所述的2600万年的灭绝周期，即为他与作者以前的学生杰克·塞普科斯基的共同研究成果——译者注

[8] 　雅布隆斯基（Jablonski），应为大卫·艾拉·雅布隆斯基（David Ira Jablonski，1953—），美国古生物学家，与劳普等皆在芝加哥大学从事研究——译者注

[9] 　地理分布是种群级别的属性，不适用于像蛤或蜗牛那样分散的个体。所以，即便生存与地理分布相关，物种的命运也是随机的，与个体的解剖学构型优劣没有联系——作者注

[10] 　实际上，作者将这种进化的附带产物称为spandrel，取自拱上的土木结构，于1979年提出。详见Gould，S.J. and Lewontin，R. 1979. The Spandrels of San Marco and the Panglossian Paradigm：A Critique of the Adaptationist Programme. Proceedings of the Royal Society of London B，205（1161）：581—598——译者注

[11] 　初级生产（primary production），生态学概念，指主要通过光合作用，将无机物质转化为有机物的过程。初级生产者是食物链的基础，以植物和藻类为主。透光带（photic zone），指光线可以透过的水体上层，光合作用大于呼吸作用的水平，即在光补偿点之上——译者注

七种可能的世界

圆锥和阶梯的坍塌，就像打开了泄洪的闸门，其他可能的世界汹涌而出，只是它们从未形成过。不过，只要在早期的事件中发生轻微但又合理的变化，这些世界就会形成。这些未曾实现的世界，就如我们所知的世界一样井井有条，可以解释得通。但是，它们又是那么不同，我们无法具体阐明。将未曾实现的世界逐一列出，就像是玩一场没有结束时间的室内游戏 [1] ——谁又能数得清全部的可能？虽说世间万物之间的紧密联系还不至于让一瓣花落就能扰乱一颗遥远的星——无论诗人们如何吟唱也不会，但大多数时候，地貌或环境的离奇改变，或类群（若不是由单一物种组成）的出现或消失，都会从实质上不可逆转地改变生命的路径。偶然性的应用场景数不胜数，下面，让我们只看看七种不同的其他情形，它们依时间先后为序，直指最能激起我们狭隘情感的生物——现代人类——的形成。

真核细胞的进化形成

最晚在35亿年前，地球冷却到足以使主要化学组分稳定的程度，生命就开始形成了。（顺便说一句，我并不是将生命起源看作偶然或不可预测的事件。我想，从早期大气和海洋的组成来看，生命起源是必然的化学结果。后来，当进化具备历史的复杂性以后，偶然性才得以发挥作用）

考虑到有关稳步进展的传统信念，没有什么比早期生命的进化更为奇异的了——因为，在那么长的岁月里，并没有发生什么。最古老的化石是约35亿年前的原核细胞形成的（见前文此处）。这一时期的化石记录，同时也包括这些原核生物能进化形成的最高形式的宏观复合体——叠层石。它们由原核细胞以黏着和胶结的方式沉积而成，当一层被潮汐掩埋以后，其上会沉积新的一层，进而形成上下层叠而成的垫状体——整个结构的断面就像是一棵切开的卷心菜。

从化石记录看，叠层石及其原核细胞构建者主导世界超过20亿年。最早的真核细胞（已经像教科书上说的那样复杂完整，有核以及细胞质里的多种结构）出现于约14亿年前。通常的解释认为，真核细胞是形成复杂多细胞生命的先决条件，即便只是因为有性繁殖需要成对的染色体，而只有两性行为才可能保证自然选择所需的变异发生，为形成更复杂的生命提供原材料。

不过，在真核细胞起源之后，多细胞动物并没有立即形成。直到约5.7亿年前发生的寒武纪生命大爆发之前不久，它们才首次出现。因此，（迄今）地球生命历史的（前面）一大半，都是关于原核细胞的故事，而有多细胞动物参与的，仅是刚刚过去的六分之一。

（原核细胞起源之后）各个阶段拖延的时间如此漫长，充分说明偶然性有巨大的发挥空间，能导致大量未曾实现的可能结果。如果原核细胞必定向着复杂的真核细胞进化，那么，花费的时间确实太长了。此外，当我们打算接受最受欢迎的一种有关真核细胞的起源假说时，就进入一个离奇的界域。在其中，意外发挥作用的次要结果是改变的根源，不可预测。这一理论认为，至少一些主要的细胞器——几乎肯定包括线粒体和叶绿体——以及其他不太确定的几种，是由整个原核细胞进化而成，它们一同共生在其他细胞中（Margulis，1981）。根据这种观点，从亲缘关系看，每个真核细胞就是一个集落 [2] ，只是到后来集落整合为一体。当然，线粒体最初进入另一个细胞，不是为了未来的（与其他细胞器）合作及整合着想，而仅仅是为了在残酷的达尔文世界中求得生存。所以，多细胞生命进化的这关键一步，迈出的直接原因与最终对复杂有机体的影响完全无关。这一情形反映出的，似乎是偶然的好运，而非可预测的因果。即使有人希望，将细胞器的起源，以及从共生到整合的转变，视作可预测的、以某种有条不紊的方式形成的必然结果，那么，请告诉我，为什么在过程开始之前，要浪费大半个生命历史的光阴？

在另一个可能的世界里，类似人类进化的概率有多大？关于这个问题，最后还有一点让我不寒而栗——尽管这第一个事件发生的时候，已经过去已知生命历史的一大半，但如果地球的寿命可达数千亿年，迈出这第一步花费的时间只是其极小的一部分，那么，我还是做好准备，愿意承认高级智能生物有产生的可能。但宇宙学家告诉我们，太阳当前的寿命已近一半，约50亿年之后就会爆炸，影响波及的半径可达木星的轨道之外，地球将被吞噬。生命将会终结——除非能去别的地方。反正，留在地球上的生命唯有死路一条。 [3]

以地质年代的尺度衡量，人类智能不过产生于瞬间之前。既然如此，我们面对的事实令人震惊——自我意识的进化形成需要地球潜在寿命近一半的时间。若重演生命的记录带，会有种种误差和不确定性存在，事件发生的速率会有所不同，形成的路径也有所不同。那么，我们有多少信心，能肯定我们独一无二的心智最终会产生？重演一次生命记录带，即便选择的路径相同，或许要200亿年才会走到自我意识形成这一步——只是地球在100亿年前就已不复存在。重演一次记录带，从原核细胞到真核细胞的第一步，或许会花上120亿年，而不是20亿年——那么，叠层石永远也不会有继续发展的机会，它们会是默默见证世界末日的最高级生物。

第一个多细胞动物群

有人可能会接受上面发人深省的情形，但仍要说——好，就算走出原核细胞的境地不可预测，可一旦多细胞动物形成，基本的路径就定型了，往后，意识一定会产生。不过，让我们来仔细看一看。

如在第二章已讨论过的，最早的多细胞动物是全球广布的动物群，它们以澳大利亚最著名的露头埃迪卡拉命名。对埃迪卡拉动物的描述工作，主要由马丁·格莱斯纳 [4] 完成。他坚持传统的圆锥概念，将这些动物诠释为现代类群的原始代表——主要属于腔肠动物门（软体珊瑚虫、水母），但也有环节动物门的蠕虫以及节肢动物（Glaessner，1984）。格莱斯纳的传统解读没有激起多少反对意见（Pflug，1972；1974），埃迪卡拉动物群作为现代类群合适祖先的观点，稳稳当当地进了教科书——因为它们不仅年代最遥远，复杂度最低，还很好地满足了人们的期待。

埃迪卡拉动物群有着特别的重要性，它是前寒武纪时期与寒武纪之间伟大界线（这条界线以著名的寒武纪生命大爆发为标志，其间产生了具有硬体结构的现代类群）之前唯一的多细胞生命证据。的确，埃迪卡拉生物只能大致算得上发生于前寒武纪时期，发现它们的地层就在寒武纪地层之下，或许在前寒武纪时期最顶层扩展的年代范围还不到一亿年。埃迪卡拉动物得以紧挨这条界线之下，是因为其结构完全是软体的。若分类地位在那次地质历史的巨大变迁中保持不变，而且，在硬体结构进化形成的过程中，其构型不发生大的改变，那么，平稳连续的圆锥模式就可以被证实。——对埃迪卡拉的这一版本诠释听起来疑似有“沃氏鞋拔”的腔调。

我的朋友多尔夫·赛拉赫 [5] 是德国图宾根大学的古生物学家，在我看来，他是如今活跃在古生物学界的最优秀的观察者。20世纪80年代初，他提出了对埃迪卡拉截然不同的一种诠释（Seilacher，1984）。他从两个方面为自己诠释的辩解，一个正面，一个反面。他反面的理由从功能入手，认为埃迪卡拉的生物与相应的假定现代形式的行为方式有所不同。因此，该观点认为，尽管两者在外表上有相近之处，但并不能归于同一类群。例如，大多数埃迪卡拉动物曾被归到软体珊瑚虫——一个包括柳珊瑚 [6] 的类群。珊瑚（骨骼）代表的，是一个由成千上万的小小个体组成的集落。软体珊瑚虫的虫体形成树状或网络状的分枝，而且枝条之间必须形成间隔。这样，水流才能将食物颗粒送进，将排泄物带走。埃迪卡拉动物的骨骼有明显的分枝结构，但它们合在一起，形成床被般的扁平垫状结构，之间没有间隙。

赛拉赫的正面理由是，大多数埃迪卡拉动物在分类上可以归为一类，作为单一解剖学构型的不同变型——它们都是扁平的，分为数段，或像垫子的丝线那样纠缠在一起，或像绗缝的床被那样一片连着一片，由此形成的静水骨骼 [7] 更像一个充气床垫（图5.5）。既然这种构型不见于任何现代类型，赛拉赫做出结论，埃迪卡拉生物所代表的，是一次完全独立的多细胞生命尝试——在寒武纪没有埃迪卡拉元素幸存的迹象，由此可知，它们最终没有从前寒武纪时期的一次不得而知的灭绝中挺过来。

图5.5　赛拉赫对埃迪卡拉生物的分类，以单一的床被状扁平解剖学构型的不同变体为依据。这些生物通常被归于数个不同的门类之下。【文德纪（Vendian），指前寒武纪晚期的一个时期，与埃迪卡拉纪（Ediacaran）重叠，但更长。两者所指时期在我国被称为震旦纪（Sinian）——译者注】

就伯吉斯动物群而言，我想，已经有足够的科学证据证实“沃氏鞋拔”不成立，那桩公案已经了结。对于埃迪卡拉动物群而言，赛拉赫的假说合情合理、激动人心。然而，它尚未被证实，能否取代传统的解读还不能确定。对于传统解读，或许有一天会被称作“格氏鞋拔”，但也有可能会被尊为“格莱斯纳的洞见”——这桩公案尚未了结。

不过，假使赛拉赫的观点正确，即使只有一部分，试想不可预测性发挥的作用如何。格莱斯纳将埃迪卡拉生物归于现代类群，按这一处理，最早的动物与后来形成的生物有相同的解剖学构型，只是简单一些——那么，进化的方向必然已定，就像传统的多样性圆锥那样，朝着向上、向外的方向不断丰富。如果是这样，将生命的记录带倒回简单的腔肠动物、蠕虫和节肢动物所在的年代，即使重演100次，我想结果通常是大致相同的。

但如果赛拉赫没错，其他的方向、其他的可能性就曾出现过。从分类地位上看，赛拉赫并不相信所有的前寒武纪晚期动物都属于这次独立的多细胞生命尝试。他研究了同一地层大量不同的遗迹化石 [8] （轨迹、行迹、洞穴），确信具有现代构型的后生动物——可能是某种类型的真正蠕虫——曾与埃迪卡拉动物群同时存在过。因此，就像伯吉斯的情形一样，数种不同的解剖学构型在最开始就已出现。生命既可能选择埃迪卡拉的途径，也可能选择现代构型的途径，但前者完全没了踪迹，我们不知原因为何。

假使我们将生命的记录带倒回前寒武纪晚期重演，在这第二次机会中，埃迪卡拉的扁平床被状生物胜出，消失的是后生动物。那么，生命选择的这条不同的埃迪卡拉构型路径，是通往意识产生的方向吗？可能不会。从埃迪卡拉生物的构型看，它好似在体积增加后获得足够表面积的另一种解决方案。既然表面（长度的平方）增加的速度比体积（长度的立方）慢得多，且动物的大多数功能又实现于表面，那么，大型生物必须找到扩增表面积的办法。在现代生命选择的途径中，是通过进化形成体内器官（肺、小肠的绒毛）来获得必要的表面。赛拉赫提出的第二种解决方案，可以作为理解埃迪卡拉构型的关键——生物的内部可能不会进化出复杂的结构，但必须靠改变整体形状来获得更多表面——可以是线状、带状、薄片状、烧饼状，尽可能地缩小内部空间，将获得的表面体现在外部。〔埃迪卡拉动物形成复杂纹路，可以看作是对这些不稳定形式加固的手段。试想，一张长达一英尺（约30厘米）、厚不及一英寸（约2.5厘米）的薄片，在充满潮汐和风暴的灾难世界里，是多么需要额外的支撑。〕

如果埃迪卡拉代表的是第二种解决方案，而且在重演中胜出，那么，动物是否会变得更复杂，或者获得近似自我意识的性状，我有所怀疑。埃迪卡拉生物的发育模式排除了体内器官进化形成的可能，动物可能永久局限于薄片状和烧饼状的体形——就我们所知，对于具有自我意识的复杂生物而言，这是最不受待见的一种体形。不过，从另一方面看，如果埃迪卡拉的幸存者体内能进化得更加复杂，那么，这条起点完全不同的路径所通往的，是一个值得在最优秀的科幻小说里见到的世界。

寒武纪生命大爆发的第一个动物群

现在，对于这两个发生在洪荒时代的事件，我们假定的那位圆锥和阶梯的推崇者或许会心甘情愿地做出让步。不过，他可能会跨过（时代的）界线，到寒武纪那边固守。他会认为——可以肯定，生命大爆发一旦发生，传统的硬体结构动物就会在化石记录中亮相，未来的轮廓必然已定，生命必定沿着预计的方向进化，让圆锥向上、向外扩展。

事实并非如此。如在第二章已讨论过的，最初的“（小）壳形动物群”——为纪念俄罗斯的那个著名发现地而命名的托莫特（动物群），远比之前更早的动物群神秘。毫无疑问，在托莫特，有些现代类群首次亮相。不过，更多化石代表的解剖学构型不在现代范畴之内。故事正变得熟悉——最初存在的潜在路径数量最多，但抽灭紧随其后，这才将现代生物的框架确定下来。

图5.6　一种古杯类动物，显示“杯套杯”的基本构造。

最有特点、数量最多的托莫特生物当数古杯类（archaeocyathid）（图5.6），但其分类归属是一个长久以来悬而未决的难题——熟悉的主题再次浮现。它们是化石记录中最早的造礁生物，形态简单，通常呈锥形，具有两层壁——好似一个杯子套着另一个杯子。在传统的“鞋拔”精神影响下，一个多世纪的古生物学思辨将这类生物的归属从一个现代类群推到另一个类群，认为它们与珊瑚虫或海绵为伍。但是，我们对古杯类动物的了解越多，它们就显得越发令人感到陌生，大多数古生物学家将它们置于一个注定会在寒武纪消失的单独门类。

令人印象更深的，是最近刚刚认识到的一个事实——“小壳形动物群”生物的差异度也非常高。托莫特的岩层含有大量形态各异的微小化石（长度通常仅有1～5毫米），不属于任何现在门类（Bengtson，1977；Bengtson and Fletcher，1983）。我们可以根据外形将它们分为几类（图5.7显示的是有代表性的例子）——管状、棘状、锥状、盘状，但我们不知它们的分类地位如何。或许它们不过是骨骼化仍未完全实现的早期零碎。或许覆于壳下的，是我们熟悉的生物，它们的壳在后来更精致了，并具有常规化石的特征。不过，或许大多数托莫特“奇葩”代表的，是形成得早、消失得快的独特类型——这一解释最近在“小壳形动物群”爱好者间越来越受欢迎。例如研究此动物群的顶尖苏联专家罗扎诺夫（Rozanov）在最近的综述中做出结论：

图5.7　寒武纪“小壳形动物群”分类地位不明生物的代表（Rozanov，1986）。（A）托莫特壳（Tommotia ）。（B）小软舌螺（Hyolithellus ）。（C）Lenargyrion

寒武纪早期的岩层含有无数非常奇特的生物的残骸，有植物的，也有动物的，它们大多在寒武纪后不复出现。我倾向认为，在寒武纪早期，曾形成过无数高级别的分类阶元，并很快灭绝。（Rozanov，1986，95页）

再一次，我们见到的是圣诞树的形状，而不是一个圆锥。再一次，进化路径不可预测的属性摆明立场，与对“意识不可避免产生”的期望针锋相对。托莫特包含有很多现代类群，但也蕴含着大量的其他可能性。将生命的记录带倒回寒武纪早期重演，或许这次，我们的现代礁石是古杯类动物形成的，而不是珊瑚虫。或许，不会有比基尼、威基基 [9] 。或许，也不会有轻呷朗姆碎冰鸡尾酒（rum swizzle）的人，到壮丽的海底花园潜泳的人。

之后在寒武纪发生的现代动物群起源

我们的传统主义者现在开始坐不住了，但作为最后一次战略收缩，他还是接受了对托莫特的诠释——好，寒武纪产生的第一个动物群的确蕴含了大量的其他可能性，皆同等合理，且一种也不会产生我们人类。他还会说——不过，可以肯定，一旦进入寒武纪下一阶段——以另一处俄罗斯发现地命名的阿特达板阶，生物类群的范畴界限和进化方向就最终定型；我们熟悉的寒武纪标志——三叶虫的到来，也标志着快把人逼疯的情形就此结束，可预测的情形开始了。坐看好戏吧！

本书到此，篇幅已经很长，您不会希望我把前面的内容再重复一次 [10] 。我仅指出一个事实——伯吉斯页岩所代表的，就是在阿特达板阶发生的早期幅度即达到最大的辐射。伯吉斯页岩的故事即生命的故事本身，它不代表一种独特的、失常的可能情形。

陆生脊椎动物的起源

我们的传统主义者现在有所动摇。他已准备放弃几乎对所有生命的指望，把它们的形成归结于偶然，但他仍将坚守最后一道防线——脊椎动物的形成。毕竟，这场博弈的中心是人类意识，看它是生命之树上一个意外的小枝、一个不可预见的产物，还是不可避免趋势到达的最高点，或这一趋势至少是可能存在的。他会认为——其他的生命都见鬼去吧，它们不在产生意识的谱系上。他还会说——可以肯定，一旦脊椎动物产生了，不管它们的起源是多么出乎必然，我们都会满怀信心，一步一步——从池塘上岸，到干燥的陆地上，形成后肢，形成容量大的脑。

如果鱼类的解剖学特征表明，鳍能轻易地转变为强壮的肢，用以在陆地的重力环境下支撑身体——即便那是出于意外的原因，我也会接受，最关键的一步——改变生活环境，从水中到陆地上——有可能具有必然性。但鱼类大多数完全不适于这种转变。鳍基部有硬实的鳍基骨（basal），它与身体主轴平行，与鳍表面无数的鳍条垂直。那些鳍条纤细且互不相连，无法在陆地上支撑身体。少数可以在泥滩上“碎步疾行”的现代鱼类，如“步行鱼”——弹涂鱼（Periophthalmus ），它们是拖着全身匍匐而行，并非踩着鳍飞驰。

陆生脊椎动物可以形成，是因为鱼类“标准继承者”的一个相对较小的远亲类群出于自身的直接原因，恰好进化出类型完全不同的肢骨，有着与体部垂直的强壮中轴，其上另分出数条侧枝。具有这种构型的结构，可以进化成在陆地上承重的肢，中轴变为我们臂和腿的主要骨骼，侧枝形成手指或足趾。这种鳍条结构的进化，不是为了未来的哺乳动物行动自如。对于借助底质助推的底栖鱼类而言，具有这种能灵活旋转的肢可能是一种优势。不过，无论具有什么样的未知优势，这种陆地生活的必备先决条件的进化，见于鱼类主流之外的一个局限类群——“肺鱼—腔棘鱼—扇鳍鱼联合体” [11] 。将生命的记录带倒回泥盆纪，那个所谓鱼的时代。哪个观察者会把这些既不普遍，特征也不显眼的鱼挑出来作为前体，以待将来在与当时如此不同的环境里获得如此显耀成功？重演生命的记录带，若让扇鳍鱼灭绝，我们的陆地就变成了昆虫和有花植物统治的世界。

火炬传给哺乳动物

难道我们不能给传统主义者一点慰藉吗？——要让偶然性决定哺乳动物的起源。若能调查哺乳动物在恐龙天下亮相之时的世界，难道我们不会发现这懦弱多毛的动物很快就要继承这个地球了吗？庞大、笨拙、愚蠢的冷血巨兽有什么手段抵御聪明、圆滑、胎生的恒温动物？难道我们不知道哺乳动物在恐龙统治晚期崛起，难道哺乳动物不是通过吃掉其对手的“蛋”，从而加快了不可避免的“权力交接”吗？

这种常听到的情形是虚构的，它根植于对进步和可预测性的传统期盼。哺乳动物在三叠纪进化形成，与恐龙同期或稍晚。哺乳动物在最初的1亿多年里，即其全部历史三分之二的时间里，苟存于恐龙世界的夹缝之中。它们在恐龙灭绝之后的6000万年成功不是在一开始就计划好的。

在这开始的1亿多年里，没有任何迹象表明哺乳动物有称霸地球的趋向。与之完全相反的是，恐龙占据了所有适于大型陆地生物的环境，保持着不可挑战的地位。哺乳动物没有任何实质性发展，无论是朝着占据主导地位的方向，还是倾向形成更大的脑，甚至是更大的体形。

如果哺乳动物崛起稍晚，并驱使恐龙走向末日，那么，我们可以合理地提出一种进步可待的情形。但是，恐龙一直保持着主导地位，而它的灭绝，可能只是最不可预测的事件导致的离奇后果——地外撞击引发的大规模死亡。如果恐龙在这次事件中没有死绝，它们或许仍是大型脊椎动物天下的统治者，毕竟，这种显耀的成功已经存在了那么久。如果是那样，哺乳动物仍是生活在恐龙世界夹缝里的小生灵。这种形势已经持续了1亿多年，为什么不再继续6000万年？既然恐龙的脑容量没有显著变大的趋向，而且这种趋向也非爬行动物构型力所能及（Jerison，1973；Hopson，1977），我们不得不做出如此假设——如果不是飞来横祸砸到恐龙头上，意识可能不会在我们的星球上产生。我们之所以能作为有思考能力的大型哺乳动物存在，用一种完全直白的表达来形容，就是——归功于我们的幸运星。

现代人类的起源 [12]

我不会把这一论证推向荒谬的极端。我甚至会承认，在人类进化故事的某一节点，在种种条件共同促使下，我们的意识便达到了今天的水平。常见的解释如此描述——获得直立的性状之后，手被解放出来，得以使用工具和武器，这些可能的行为产生反馈，进而刺激大脑，进化出更大的脑容量。

但我相信，我们当中的大多数对人类进化的模式有着错误的印象。我们将自己所属物种的形成看作一种全球性的过程，人类谱系的所有成员，无论生活在何处，都参与其中。我们认识到，我们的直接祖先——直立人，是走出非洲并在欧洲和亚洲定居（过去说的“爪哇人”和“北京人”）的第一个人类物种。但是，我们接着又转回坚持全球性推进的假说。鉴于智能的适应价值 [13] ，我们臆想，在可预见且必要的进步趋势驱使下，三个大洲的所有直立人种群一道攀爬了意识的阶梯。我把这种情形称作人类进化的“趋向理论”。——现代人类成了一种广泛存在于所有人类种群的进化趋向的预期结果。

最近，有根据现代类群遗传差异构建进化树的研究（Cann，Stoneking，and Wilson，1987；Gould，1987b），它们的结果为另一种观点提供了强有力的支持。该观点认为，现代人类仅是一个进化的枝节，一个不折不扣的实体，从非洲祖先谱系分出的一个自洽小种群。我把这种观点称作人类进化的“实体理论”。它蕴含的一连串引人注目的暗示——亚洲直立人灭绝了，且无“子嗣”传承，由此不能成为我们的直接祖先（因为我们是从非洲种群进化形成的）。尼安德特人是我们的同种亲戚，或许当我们在非洲形成时，他们就已在欧洲生活。不过，他们对我们的遗传系谱也没有直接的贡献 [14] 。换言之，我们是一个脆弱的实体，我们的产生本非必然；我们来自非洲的一个小种群，不过是在不稳定的开端之后幸运地获得了成功，而非一个可预见的全球性趋向的最终产物。我们是一件物事，历史的一个枝节，不是一般性原则的体现。

如果我们是一件可重复产生的物事——如果，现代人类失败了，在开始时与大多数物种一道灭绝，而具有同等形式高等智能的其他种群注定会出现，那么，我在上文的主张就不会承载那些令人瞠目结舌的暗示。如果我们失败了，难道尼安德特人不会接过火炬吗？难道意识与我们相仿的其他智能承载者不会及时出现吗？我不知为何不会。与我们亲缘关系最近的祖先——直立人，还有同种近亲——尼安德特人，以及其他相关种种，他们具有高度发达的思考能力，从他们使用的工具及其他物品就可以看出来。但只有现代人类（晚期智人）留下了拥有抽象的理论能力的证据，包括计数及美学模式，无疑是人类才有的。冰河时期的所有有关迹象表明，用于估算的历法棒（calendar stick）和计数工具 [15] 都是现代人类的。所有冰河时期的艺术——石洞壁画、维纳斯小雕像 [16] 、马头雕像、驯鹿浅浮雕，也是本物种的作品。从现有的证据看，尼安德特人对表象艺术一无所知 [17] 。

再一次，把生命的记录带倒回过去重演，让生命之树上现代人类的小小枝丫长眠于非洲。其他的类人生物，或许已经站在被我们称作人类可能性的门槛上，但可能产生的诸多情形虽然合理，却永远不会产生与我们水平相当的意识。再一次，把生命的记录带倒回过去重演。这一次，尼安德特人在欧洲消亡，亚洲的直立人也消亡（结局与在我们的世界实际发生的相同）。非洲的直立人成为唯一幸存的人类储备，他会踉踉跄跄，维持好些时间，甚至会兴盛一时，但他不再处于物种形成的阶段，因而稳定下来。接着，一种突变的病毒将直立人摧毁殆尽，或者气候的变化将非洲变成不宜居住的森林。这样，哺乳动物分枝上一个小小枝丫，一个有着种种吸引人的可能但从未成为现实的谱系，从此加入灭绝的大多数物种的队伍，成为其中一员。不过，那又怎样？反正大多数可能本来就从未实现过，又有谁曾知道（它们若实现的话）有什么不同？

这种形式的论证使我得出如此结论——生物学对人类的本性、地位、潜能的最深刻的理解归结为简短的几个字——偶然性的体现——现代人类是一个实体，不是一个趋向。

通过这种形式的论证，我把历史的所有时期、生物的所有尺度逐一走过一遍，直指中心议题——我们自身的进化。我希望自己能依此说服您，偶然性是一切重要之所在。否则，您会把这种重演生命记录带式的推演仅仅看成一种关于奇异生物的游戏。您可能会问，我所有这些遐想是否真的有什么意义。问题的答案，可以说秉承了最实用的美国传统精神——无所谓。把自己想象成某种神圣的唱片骑师，坐在时光的记录机前，还有成套的生命记录带，上面有诸如“曳鳃类”“多毛类”“灵长类”的标签——这该多么有趣。不过，如果每一次伯吉斯页岩的重演都得到从未实现的其他结果——我们住在威瓦西虫的世界里，或者是到处被“小鸡鸡虫”（曳鳃虫）弄得乱糟糟的海底，或者是满是骇鸟的森林，那么，它真的有什么意义吗？在烤蛤野餐会上享用美食前，不是揭开壳，而是剥去骨片。我们的荣誉陈列室或许以不飞鸟有最长的喙为豪，而非以狮子有最浓密的鬣毛为傲。但是，会有什么根本不同？

我想，一切都不同了。掌握生命记录带的神圣唱片骑师手边有上百万种情形，每一种都十分合理。开始的状况是有点诡异，没有特别的理由就发生了。而在事后回顾，可以发现，它引发的一连串后果，导致的似乎是一个不可避免的未来。不过，早期受到的轻微影响，使历史触碰到一条的轨道，进而即可从原先的路径并入其中，朝着另一个合理的方向发展。最后的结果是那么不同，让最初的颠簸看起来是那么微不足道。如果是“小鸡鸡虫”统治了海洋，我不相信南方猿人能有机会直立行走在非洲的大草原上。所以，至于我们自己的存在，我想，我们只能大声欢呼——啊，难以置信的勇敢新世界，我们这样的人类竟能存在于其中。

注解：

[1] 　室内游戏（parlour game），兴起于19世纪英国中上层阶级的室内智力游戏，大多涉及文字，如哑谜、猜字、举词等。它不像博弈必须定胜负，或有严格的时间限制，可以一直进行下去——译者注

[2] 　集落（colony），指同种生物个体聚居形成的群体。在微生物学中称作菌落，在动物学、植物学中也称作群体——译者注

[3] 　作者的意思是，生命从无到有直至高等智能生命的产生，需要数个关键事件。由于它们的发生由偶然性决定，所以各自独立发生的概率不是100％，而后一事件的发生仍须以前一事件为基础，所以事件越往后，在最初能估计其发生的概率就越低。发生较早的事件概率越低，对后来事件发生概率的影响越大。但是，译者个人认为，假定地球独立寿命的说法不够严谨，略有画蛇添足之嫌。因为，在太阳系里，地球本身的形成和消亡取决于太阳，地球上万物的存在亦是如此。如果按作者所述，太阳是以外爆的形式消亡，地球也必然消亡，那么，地球的寿命必然取决于太阳的寿命。所以，如果地球生命的起源为必然，且对上述最初事件发生概率的估计涉及时间，那么，应该采用太阳的寿命，即地球的实际估计寿命，而非为其假定寿命——译者注

[4] 　马丁·格莱斯纳（Martin Glaessner，1906—1989），生于前奥匈帝国的古生物学家，自20世纪50年代始在澳大利亚专事古生物学研究，曾于1974年获得伦敦地质学会颁发的莱尔奖章，1982年获得美国国家科学院颁发的沃尔科特奖章——译者注

[5] 　多尔夫·赛拉赫（Dolf Seilacher），即阿道夫·赛拉赫（Adolf Seilacher，1925—2014），德国古生物学家，以遗迹化石研究著称。他在20世纪70年代提出构造形态学（Konstruktions-Morphologie）观点影响了本书作者——译者注

[6] 　柳珊瑚（sea fan），指软珊瑚目（Alcyonacea）〔原柳珊瑚目（Gorgonacea）〕动物——译者注

[7] 　静水骨骼（hydraulic skeleton），即hydrostatic skeleton，亦称水骨骼，指内部充满液体并由液压支撑的骨骼，常见于软体构型动物——译者注

[8] 　遗迹化石（trace fossil），生物在生活及行动中留下的实物和痕迹形成的化石，例如行迹、钻迹、巢穴、排泄物、卵等形成的化石——译者注

[9] 　比基尼（Bikini），指比基尼环礁（Bikini Atoll），位于太平洋中西部的马绍尔群岛（Marshall Islands）。威基基（Waikiki），夏威夷首府檀香山的著名海滩旅游度假区——译者注

[10] 　“我把前面的内容再重复一次”，原文为“‘second verse，same as the first’”。在歌曲里，副歌（chorus）之前如果有一段（verse）以上，一般唱词会不同。但有些歌曲连着的两段唱词相同，即原文的说法“第二段，与第一段相同”。歌曲中出现这种情况尚可以原谅，若这里的verse指诗歌的诗节，效果可想而知。这一用法也可引申为重复之前的事。作者加引号的用意可能是引用英国摇滚乐队“赫尔曼的隐士”（Herman’s Hermits）翻唱的杂耍（music hall）歌曲《我是（邻家寡妇嫁的）第八个亨利》（I’m Henery the Eighth，I Am ）里的调侃。该版本几乎没有副歌，而是把原作的副歌当作一段，重复两次，在第一次重复开始前，演唱者加了一句提示“second verse，same as the first”，以表调侃。作者在此的用意显然是——花了近整本书的篇幅论证了有关议题，论证完成后补充说几句，当涉及该议题时，不必为此把整本书的论证再重复一次——译者注

[11] 　“肺鱼—腔棘鱼—扇鳍鱼联合体”（lungfish-coelacanth-rhipidistian complex），即肉鳍鱼纲（Sarcopterygii）动物——译者注

[12] 　译者将本书出现的所有Homo sapiens 译作“现代人类”，而非传统的“智人”，理由在于Homo sapiens 也包括介于现代人（H.s.sapiens ）和直立人之间的早期智人（Archaic Homo sapiens ），甚至可以包括尼安德特人。而作者所指的Homo sapiens ，限于现代人类及解剖学特征与之相近的晚期智人〔Late Homo sapiens ，又称解剖学上的现代人（anatomically modern humans）〕——译者注

[13] 　适应价值（adaptive value），也称适应值，指一种性状、行为或特征对个体进化适应的贡献程度——译者注

[14] 　尽管这种说法没有问题，但值得指出的是，近年来，有证据表明尼安德特人与晚期智人有过基因交流，尼安德特人的基因存在于现代欧洲人和亚洲人的基因组中——译者注

[15] 　计数工具，原文为counting blades，可能指产生于旧石器时代的计数刻线（tally mark），也可能指同时期的记录棒（tally stick）——译者注

[16] 　维纳斯小雕像（Venus figure），即Venus figurine，指旧石器时代晚期形似女性的小雕像——译者注

[17] 　尼安德特人是否产生艺术是个持久争论的问题，但最近已有研究表明，某些岩画是尼安德特人留下的。另见Hoffmann，D.L.，Standish，C.D.，and García-Diez，M.，et al. 2018. U-Th dating of carbonate crusts reveals Neandertal origin of Iberian cave art. Science. 359（6378）：912—915.——译者注

以皮卡虫收场

我必须以一个坦白行为来作为本书的结尾。我使用了一个教学小技巧，把您耍了小小一把——在之前对伯吉斯页岩生物的长篇讨论中，我故意漏掉了一种生物。我或许可以给出一个理由搪塞，说西蒙·康维·莫里斯关于该属的专论尚未发表——他一直说要把最好的留到最后。不过，我这一姿态可能不太真诚。我之前有所保留，也是因为想把最好的留到最后。

1911年，沃尔科特发表了一篇有关所谓伯吉斯环节动物的论文。其中描述了一种吸引人的动物，它是一种两侧扁平的带状生物，长约两英寸（图5.8）。他将之命名为优雅皮卡虫（Pikaia graciiens ），以此纪念附近的皮卡峰（Mount Pika），并表明这种生物有某种优雅的形态。沃尔科特自信地将皮卡虫属置于多毛类蠕虫之列。其分类依据在于，他认为虫体有明显的规则分节。

图5.8　皮卡虫，世界上已知最早的脊索动物，产自伯吉斯。可见其中有我们所属门类的特征：贯穿于背部的脊索（或坚硬的棒状结构），后来进化成我们的脊椎；带状肌肉组织Z线。（玛丽安娜·柯林斯绘图）

西蒙·莫里斯分配到的论文主题是伯吉斯“蠕虫”，他由此接触到皮卡虫。在研究了现有的30件或更多标本之后，他得出一个坚定的结论。这一点其他人也曾想到过，而且已在古生物学“八卦圈”流传多时——皮卡虫不是一种环节动物，它是一种脊索动物，是我们所属门类的一员——实际上，它是我们已知的最早直接祖先。（意识到这一洞见的重要性，西蒙明智地把皮卡虫放到自己伯吉斯研究的最后。当您有某种罕见且重要的收获，您一定得保持耐心，静待思考成熟，技术上达到最高水准。毕竟，这是条大鱼，您必须马到成功）

被沃尔科特鉴定为环节动物体节的结构，展现出脊索动物肌节（myotome）或带状肌肉组织Z线的回折特征。此外，皮卡虫有一根脊索。我们所属门类——脊索动物门，就是以这一坚硬的棒状背部结构命名的。在很多方面（至少从结构组织方式的一般水平看），皮卡虫与现存的文昌鱼 [1] 相似。后者被当作脊椎动物祖先的“原始”脊索动物结构组织方式，常见于实验室和课堂。康维·莫里斯和惠廷顿断言：

得出它（皮卡虫）是脊索动物而非环节动物的结论，似乎是不可避免的。这种中寒武世生物保存得相当完好，因而成为包括人类在内的所有脊椎动物所属之门类的一个历史里程碑。（Conway Morris and Whittington，1979，131页）

真正的脊椎动物化石的代表，最初是无颌类（agnathan），或者说，是没有颌的鱼，最初出现在中奥陶世。另有一些分类地位不明生物的散碎材料，来自早奥陶世，甚至晚寒武世。——它们都大大晚于伯吉斯的皮卡虫（Gagnier，Blieck，and Rodrigo，1986）。

当然，我并非声称皮卡虫本身是脊椎动物的实际祖先，也不会愚蠢到认为后来形成脊索动物的所有机会皆集于中寒武世的皮卡虫一身。一定还有其他生活在寒武纪海洋中的脊索动物，只是尚未被发现而已。但我怀疑，既然皮卡虫在伯吉斯的数量那么少，在其他古生代早期化石堆积库中也未发现有脊索动物，那么，我们所属的门类在伯吉斯时代的成功故事中没有一席之地。在伯吉斯的时代，脊索动物的未来生死未卜。

皮卡虫是我们这个有关偶然性的故事中的一个缺失链条，也是最后一个——它是伯吉斯抽灭和人类最终进化形成之间的直接联系。我们不再需要谈论我们的狭隘之心不以为意的话题——满是“小鸡鸡虫”的世界；马尔三叶形虫类型的节肢动物的世界，蚊子没有存在过；骇人的奇虾狼吞虎咽，把鱼类送入肚中的世界。将生命的记录带倒回伯吉斯时代重演一次。这次，如果皮卡虫没能幸存，我们就不会出现在后来的历史中——我们所有脊椎动物，从鲨鱼到鸫鸟（robin）到猩猩，无一幸免。如果让实力评估者们来决定，我不认为哪个会一手握着现今已知的伯吉斯证据，一手对皮卡虫情有独钟，让它撑下来。

所以，如果您想问那个千古之问——人为什么存在？答案要点必包括——因为皮卡虫得以从伯吉斯抽灭中幸存。这一回答触及科学可解决问题的一些方面，但它没有引述一条自然法则，也未做出进化路径可预测的表态，更未基于解剖学或生态学的准则计算概率。皮卡虫的幸存是“历史本身”的偶然。我不认为存在什么“更高深”的其他答案，我也无法想象有什么解答更令人着迷。我们是历史的子孙，置身于可想象的最多样、最有生趣的宇宙——它对我们的苦难漠不关心，因此也赋予我们最大的自由，让我们以自己选择的方式兴盛或衰亡。所以，在其中，我们得开辟自己的道路 [2] 。

注解：

[1] 　文昌鱼（Amphioxus ），指文昌鱼目（Amphioxiformes）文昌鱼属（Branchiostoma ）动物，作者采用的命名现已被弃用——译者注

[2] 　随着我国更早的早寒武世澄江生物群被发现，皮卡虫创造的纪录已被改写。现已发现的更早的脊索动物有好运华夏鳗（Cathaymyrus diadexus ）、海口华夏鱼（C. haikouensis ）、丰娇昆明鱼（Myllokunmingia fengjiaoa ）〔耳材村海口鱼（Haikouichthys ercaicunensis ）、钟健鱼（Zhongjianichthys rostratus ）〕、安宁山口海鞘（Shankouclava anningense ）〔山口山口海鞘（S. shankouense ）〕、中间型中新鱼（Zhongxiniscus intermedius ）。另外，曾被认为也是脊索动物的两种海口虫（Haikouella ），实为铅色云南虫（Yunnanozoon lividum ）的异名，且分类地位不详，被列入“分类地位不详两侧对称动物”（Bilateria of uncertain affinity）。详见Hou，X.G.，Siveter，D.J.，and Siveter，D.J.，et al. 2017. The Cambrian Fossils of Chengjiang，China：The Flowering of Early Animal Life，Second Edition. Hoboken：Wiley-Blackwell。此外，皮卡虫也被再次修订，与本节内容描述的有所不同，详见Conway Morris，S.，Caron，J-B. 2012. Pikaia gracilens Walcott，a stem-group chordate from the Middle Cambrian of British Columbia. Biological Reviews. 87：480—512——译者注

新译后记

既然是新译，就意味着本书原著的译作已有珠玉在前。早在2008年，江苏科学技术出版社就已出版过一个译本，题为《奇妙的生命——布尔吉斯页岩中的生命故事》，由“身处古生物专业”的傅强联合两位同学兼同事马俊业、谢古巍，花费“近一年的时间”完成。

显然，对于原译者而言，这项工作是一个不小的挑战。由第一译者傅强执笔的《译后记》长达八页，可见译者对这项工作倾入的心血之巨和感情之深。现在，作为非古生物专业出身的非专业译者，我在接受重译工作一年之后，也体会到了其中滋味。

就在一年多前，“古尔德”这三个汉字，能让我最快联想到的，可能不是本书原著作者斯蒂芬·杰·古尔德（Stephen Jay Gould，1941—2002），而是加拿大著名钢琴家、巴赫作品的一代权威诠释者格伦·古尔德（Glenn Gould，1932—1982）。这似乎有些不可原谅。尽管我不“身处古生物专业”，但所受高等教育的专业从属生物口，本该对斯蒂芬·杰·古尔德有所耳闻。而且，其文集《熊猫的拇指——自然史沉思录》（The Panda’s Thumb：More Reflections in Natural History ，1980）的汉译，我是在第一时间，奔至三联在武昌雄楚大道上的武汉门市，买的第一版第一次印刷本。此外，对斯蒂芬·杰·古尔德最著名的点断平衡（punctuated equilibrium）理论，我也并不陌生。

本书的英文原名为“Wonderful Life：The Burgess Shale and the Nature of History”（直译为《美好的生命：伯吉斯页岩与生命本质》），当我第一眼看到标题时，联想到的，是美国著名电影导演弗兰克·卡普拉（Frank Capra，1897—1991）的代表作《生活多美好》（It’s a Wonderful Life ，1946）。这一次，我没有错。我只翻到《序及致谢》第二页，就证实了自己的联想。我在2010年元旦前后才看过《生活多美好》，印象仍然很清晰。我知道作者所说的“重演‘生命记录带’”（replaying life’s tape）意味着什么，我甚至觉得，或许以《回到未来》（Back to the Future ，1985）为例，要更好一些。事实上，这个预感也是正确的。在第四章末节近末尾处，作者探讨文学文艺作品对偶然性（contingency）的思考，列举了两部电影。在详述本书最大的隐喻来源《生活多美好》之前，简述的就是《回到未来》——在读到《序及致谢》第二页时，我已经对本书的主旨有所领会。

我没有任何宗教信仰，但这些偶然性的巧合让我觉得自己与此书也算有“缘”。在核实了作者的立场，了解过著作的背景以后，我便决定一试。

我说的作者立场，简单来讲，就是“信仰”问题。我想，若宗教信仰者的眼里存在有鄙视链，无神论者可能位于链条的最底端，在次底端的，大概就是不可知论者。不过，在我眼里，不可知论有时是无神论者的掩护。作者是著名的不可知论者，所以，其立场与我兼容。其实，就阅读原文而言，作者与读者的立场是否兼容，无关紧要。然而，对于翻译而言，如果译者因立场不同而导致对作者意图的误判，则会误导译文面向的读者。当遇到进化论与神创论（creationism）那般针锋相对的议题时，这一点尤其重要。

那么，除了是不可知论者，作者究竟是一位什么样的人？按维基百科贴上的标签，斯蒂芬·杰·古尔德（后文称古尔德）是美国著名古生物学家、进化生物学家、科学史家，也是对他那代人影响力最大的科普作家之一。他的影响力到底有多大？想想理查德·道金斯（Richard Dawkins，1941—　）和斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking，1942—2018）的影响力，就可以理解了。甚至可以说，他的影响面更广。

这一切，源于古尔德非同寻常的精力。1967年，他在哥伦比亚大学获得博士学位后，便被哈佛大学聘用，补离职赴剑桥大学履新的著名古生物学家（也是本书讲述的主要人物）哈利·惠廷顿（Harry Blackmore Whittington，1916—2010）的缺，一直到2002年去世。他不仅要从事自己的研究，还要承担本科生课程的教学任务。1973年以后，他不仅升为地质学教授，还兼任哈佛自然历史博物馆之下的比较动物学博物馆的工作。此外，在一段时间里，他另在纽约的美国自然历史博物馆和纽约大学有工作职责。他也曾担任过美国科学促进会会长、美国古生物学学会会长等职。由此，读完本书的读者会联想到惠廷顿——他身兼行政职务，但仍投入大量时间，细致研究，亲力亲为。但可能更会联想到身兼更多职责的另一讲述对象——史密森尼学会第四任会长，抽不出时间细致研究、最终死在任上的查尔斯·都利特·沃尔科特（Charles Doolittle Walcott，1850—1927）。

但古尔德不同，他不仅履行了繁重的教学和科研职责，自1974年起，到2001年1月止，他还为《自然历史》杂志撰稿。他不定期地把这些稿件集结成书，多达10部，其中有4部已有汉语译本，除了《熊猫的拇指》，另外3部分别是《自达尔文以来》（Ever Since Darwin：Reflections in Natural History ，1977）、《火烈鸟的微笑》（The Flamingo’s Smile ，1985）、《干草堆中的恐龙》（Dinosaur in a Haystack ，1995）。在《人物》杂志的专访中，提到古尔德写作那些稿件的方式。他耗费相当长的时间查阅文献，然后花时间在夜深人静时完成初稿。专访中还提到，在野外采集时，古尔德能工作到凌晨3点，休息片刻，6点便开始新一天的工作。他坚信爱迪生有关99％汗水和1％天分的说辞。他的科普撰稿不局限于《自然历史》杂志，还包括《发现》杂志等。此外，他还在《纽约书评》发表过多篇书评，结集成《风暴中的刺头》（An Urchin in the Storm ，1987）。

在面对重译的书目时，我没有选择属于这类合集的书。因为，其中收录的“科学小品文”题材广泛，相互间联系并不紧密，而且每一篇都是作者花费相当长时间查阅文献的最终反映，旁征博引过多，精彩纷呈。我深知自身精力的局限，不敢贸然选之。

本书代表的，是作者另一类普及书籍，每一部有专门的主题，可谓“科普专著”，共有七部。第一本名为《对人类的误测》（The Mismeasure of Man ，1981），批判对智商的估测方法，有相当的影响力，也遭遇相当大的争议。面对大量驳斥的数据和观点，作者在1996年的增补版中没有做出回应。除了该书，其他“科普专著”皆成书于作者腹膜间皮瘤的确诊和积极治疗之后。在古尔德痊愈后接受的1986年专访中，提到他想以伯吉斯页岩为主题，完成一本具有约翰·麦克菲（John Angus McPhee，1931—　）式风格的内行读物。现在我们已经知道，他的愿望已经实现，结果便是本书。在本书之前，作者在1985年希伯来大学的哈佛—耶路撒冷讲座讲稿基础上完成了另一本“专著”《时间之箭，时间之环》（Time’s Arrow，Time’s Cycle：Myth and Metaphor in the Discovery of Geological Time ，1987），该书及其概念在本书中也被提到过几次。在翻译的过程中，我参考过该书的部分文字，我不认为它是一本容易翻译的书。作者在本书之后出版的“科普专著”，还包括本书的后续《万物生灵》（Full House：The Spread of Excellence from Plato to Darwin ，1996）、以千禧年话题为出发点的《追问千禧年》（Questioning the Millennium：A Rationalist’s Guide to Precisely Arbitrary Countdown ，1997）、有关科学与宗教之间的冲突的《万古磐石》（Rocks of Ages：Science and Religion in the Fullness of Life ，1999），以及探讨科学与人文之间关系的遗作《刺猬、狐狸与圣师之祸》（The Hedgehog，the Fox，and the Magister’s Pox：Mending the Gap Between Science and the Humanities ，2003）。

本书英文版初版于1989年（平装本1990年），是作者第三部非文集作品。它究竟是一本什么样的书？在阅读之前，它给我的印象，来自我对该书背景的简单了解。我知道它是一本《纽约时报》畅销书，著名科普作家最具代表性的获奖作品，入围普利策奖。这几轮光环足够诱人，恰好它讲述的主要生物类群——但节肢动物，与我曾经的研究对象有联系。我在校期间的最后专业属于昆虫系，昆虫正是最大的节肢动物类群。这无疑让我感受到一分亲近，至少，这不是一本我读不懂的书。读不懂，何以翻译？

作为读者，我认为原著是一本让人有绝佳阅读体验的书。我也了解过其他读者的一些感想。有一种看法大致认为：第一章，开篇立论，令人耳目一新；第二章，背景介绍，还原发现真相，令人称奇；第四章，人物传记，引人入胜。似乎这些内容已经足够吸引人。

然而，对于第三章，不少人认为它很冗长。第三章是本书核心章节，占全书篇幅一半以上。嵌于其中的“伯吉斯之戏”，即惠廷顿团队对沃尔科特收藏标本重新诠释的研究历史，是作者最看重的部分，占全书篇幅的三分之一。我试图理解消遣阅读者的感受。如果把本书比作一部奏鸣曲式的音乐作品，开头的章节，就好比常为快板的开篇乐章，令人兴奋。或许，对于那些读者而言，第三章带给他们的感受，就好比随后乐章的节奏是柔板，有时会让耐心有限的受众昏昏欲睡。或者，把本书比作一篇生物学领域的学术论文，开头的章节就好比论文的前言，交代研究背景、研究目的，提出假设，让读者迅速跟着作者“入戏”，绝大多数读者都能读懂。但接下来的方法、结果部分，会让不少人望而生畏。对于那些读者而言，第三章就好比罗列研究方法、对研究结果的表述及解读等章节。

那些读者认为第三章读得吃力。我的感受正好相反，这一部分我读得最顺畅，翻译花费的时间也最短。是因为我有“专业背景”吗？我不这样认为。对于这一章的不少内容，我也很陌生。尽管我也读过年代较远的学术文献，了解一些分类学的传统，在校期间，也修过一些进化学的课程，甚至还去过一次史密森尼学会的国家自然博物馆以及作者生前服务的哈佛自然历史博物馆，但对我而言，古生物学研究仍是一个十分陌生的领域。不过，在该章第二节中，作者以十分简洁的文字，便能使读者迅速理解在该研究中采用的策略。

随后，作者提供了两个插页，分别介绍分类学基础和节肢动物的解剖学特征。即使毕生上过的所有生物课都已被忘得一干二净，通过一两页的篇幅，仅记下“界、门、纲、目、科、属、种”的顺序，对于读者而言，并不是一件难事。

至于有关节肢动物的插页简介，我认为更加精彩。它实际上是在教读者如何入手观察这类小生物。首先，看这类生物分为几个大致部分，就如可以把人看成由头、躯干、四肢组成，节肢动物没有人的“四肢”，大多数可看作由“前”“中”“后”组成，前有头，后有腹，中间是胸。当然，也有只有前后两部分的。尽管没有“四肢”，节肢动物有附肢。先看附肢在各个部位的有无，如果有，看着生位置。比如说头部，除了开口，剩下的表面结构都由附肢分化而成。确定开口是在背面还是腹面以后，就可以看是否有口前附肢、口后附肢，有多少对。成对的附肢本身又分两类：一类是不“分杈”的单枝型；一类是“分杈”的双枝型。双枝型朝外的一枝，也就是朝上的一枝，是鳃枝；朝内的一枝，也就是朝下的一枝，是足枝。作者说得很对，实际上，要读懂“伯吉斯之戏”，只要脑海里有附肢分为单枝型及双枝型的印象，就大致够了。

另外，如果对方位没有概念，也可借机了解。对于大致扁平延长（两侧对称）的生物，平展到一个平面，有垂直方向的背、腹两面，水平方向有前、后两端，另有左、右两侧。

对这些概念陌生的读者，这两个插页部分（尤其是第二个），有如速查卡片。实际上，我认为作者过于为读者着想，上述概念在“伯吉斯之戏”中仍有反复强调。我甚至认为，即使没有这些插页，仅通过正文叙述的内容逻辑，也可理解各个概念的含义。

最重要的是，作者这一主要章节的叙事目的，不是向读者灌输古生物学知识，而是向观众展示，惠廷顿团队在重新描述诠释标本过程中，思想转变的过程如何。那不是作者单方面地以己之心度当事人之腹，也不是盲目地将当事人的说辞照单全收。作者“审阅”了所有“证据”，形成了自己的观点，又带着它与当事人交流。然后，经过自己的判断，加以综合，形成最后的文字。我也有过类似的经历，了解到作者的工作策略，刹那间，心中也略生自喜之感。

在阅读重头戏——“伯吉斯之戏”的过程中，我能领略到作者期待读者抓住的脉络，还体会到生物之美。因此，我没有什么可抱怨的。这一部分，也可被看作是伯吉斯生物的各论。之后，则是概论，讲述伯吉斯生物作为一个整体的特征，组成成员的相互关系，存在的意义和留下的难题。至此，本书副标题“伯吉斯页岩与历史本质”的前半段告一段落。

第四章代表原著副标题“伯吉斯页岩与历史本质”的后半段。但在进入正题之前，是作者为沃尔科特而作的精彩传记（尽管作者并不如此认为）。在相当长的时间里，沃尔科特拥有很高的名望，如今却不为公众所知。所以，这段传记文字很难得。但在翻译之前，我只觉得其中陌生的人名和地名不在少数。正题一节的标题，其实与书名副标题完全相同，与第三章的一些章节篇幅相比，它的篇幅不长，文字并不深奥，但它是全书主旨——历史成于偶然，不仅人类短暂的历史如此，地球上生命漫长的历史也是如此。

第五章即是把这一主旨“应用”到“实际”之中。作者一次又一次“重演‘生命记录带’”，带领读者回到过去，从不受后来历史影响的假想观察者的视角，按人之常理放眼未来。一次又一次，无论回到的过去离人类实际出现的年代有多近，都不见人类形成于未来的一线生机。

读到这里，观看过电影《生活多美好》的读者，大概能体会到本书标题的用心良苦。作为人类，我们的存在本无必然性。我们的存在是难得的，我们的生命是偶得的。既然如此，难道它不是精彩的，美好的吗？！与其感激上苍，不如感激偶然性。

初次阅读此书的过程，于我而言，是一次愉快的体验。我分几回读完，开始于北海北岸阐福寺内的僻静处，主要章节读完于天坛祈年殿墙外东北角的靠椅，结束于颐和园东宫门外——因为公汽332在路上堵得太久，到达颐和园时，已过了闭门时间。

此书原著不是一本令人望而生畏的书，否则不会在出版后数周内就名列畅销书榜。这样一本畅销书，在已经有过译本的情况下，有重译的必要吗？

在校时，几乎所有的课程都有解读和批评相关学术论文的环节。评毕之后，一般会问，如果让自己进行论文所述的研究，会怎么做？我认为，存在这个环节，是很公平的。即使批评到位，也非意味着自己一定更高明。何况在当时，老师的水平高，同学们的起点也高，供选批评的论文，大都来自“权威”“顶级”“最受人尊敬”“代表科学发现前沿”的期刊。那些论文，如同本书涉及的那些专论一样，都是研究者辛苦付出的结晶。现有译本，也是译者辛苦付出的结晶。在此，我无意做更多评论。最初，我只是觉得，若决定重译，就得按自己的理解来。世上没有十全十美的译文，我若能弥补前人遗憾，必能为后人弥补我留下的遗憾提供更好的基础。

原著成书距今已近30年，在此之间，已有很多新的发现，新的研究手段，新的研究工作。“伯吉斯之戏”里，有不少重点讲述的生物，已被重新诠释，本书讲述的一些相应研究结果也被推翻。这些进展，并不足以动摇本书的结论和影响力，但如果对其加以忽视，显然是一个很大的遗憾。

傅强在2008年译本的《译后记》中就提到：“……进展还有很多很多，由于这不属于译者的研究领域，故而无法一一列举。”我没有关注过古生物学研究，起初没有特意查新。但在第三章的重译工作开始时，我参考了原文引用的几乎所有专论。在获取论文的过程中，我不可避免地发现相关进展。我的理念和作者一样，习惯追溯一手文献，无意参考二手解读。我把追溯的结果写在脚注里，为了不扫兴，将它们尽量标注到相应内容的最末。

对伯吉斯诠释构成最大“威胁”的，是在我国发现的澄江早寒武世生物群。它的发现时间晚于本书讲述的伯吉斯发现和研究故事，但它的形成年代更早，且包含在伯吉斯页岩发现的几乎所有古生物类群。探讨“寒武纪生命大爆发”，在我国发现这个生物群显然更具价值。恰逢侯先光先生等的新版《中国澄江寒武纪化石》（The Cambrian Fossils of Chengjiang，China. The Flowering of Early Animal Life ，2017，2nd ed.）于去年出版，我也参考了其中的部分内容。

读者可能会发现，在这本新译中，脚注占有相当篇幅。其中，一部分是翻译的作者的原注。标有“译者注”字样的内容，都是译者的加注。加注的目的，除了对原著信息进行更新之外，还有补充对理解原著的辅助资料，主要包括对学术术语的补充解释，以及对人物、典故和文化的简介等。

这些脚注，不仅适于阅读译文的朋友，也适于有意阅读原著的朋友。我没有作者那般博闻强记的本领，做注解，不过是一个学习过程，然后把这个过程的即时结果分享给读者，仅此而已。对于我个人而言，它们好比读书笔记，不代表我掌握的知识。对于读者而言，它们的存在，并不意味着所涉内容为读者所陌生。但我希望，借助这些注解，能使本书为更多的读者所接受。

从内容上看，我的这一译本与2008年译本的最大区别，就在于这些“原创”的脚注。此外，在对待作者引述的文学类文字方面，我没有原译者的那般谦逊。我没有采用现成的翻译，或名家的译文。从《圣经》到《哈姆雷特》，从《物种起源》到诗歌，我都在参考原出处上下文及部分解读后，根据自己的理解，另作翻译。

书中有大量生物学名。由于并无标准译法，我亦未照搬原译成果。我的主要原则，是参考拉丁学名命名人在命名时列出的依据。书中的主要物种大多由沃尔科特描述命名，集中在他于1912年发表的文献之中。在文献中的各个条目之下，有具体的命名依据。就如本书原著作者写到的，它们大多与伯吉斯的地名有关。另有一些，是在惠廷顿团队重新诠释时，另发现的新物种，在他们的专论或“短文章”中，也给出了详细的命名依据。另外，在加拿大皇家安大略博物馆的伯吉斯专题网站（http://burgess-shale.rom.on.ca/ en/fossil-gallery/list-species.php）上，列有更多伯吉斯生物的命名依据。此外，有一些已为汉语读者熟知的物种，我保留了现成的译名，如欧巴宾海蝎，但实际上，无论从生物的外观、归属，还是学名本身，都看不出它与“蝎”有何关联。不过，在“欧巴宾”之后该接一个什么词才好呢？一时间，我也没有更高明的建议。

此外，在对学术名词的处理上，我主要以全国科学技术名词审定委员会审定或在审的名词集为依据。

和2008年译本译者一样，翻译此书，对我来说，也是一个挑战。从根本上讲，我是一名读者，不是一名专业译者。

作为读者，我最不爱阅读的，便是汉译图书。无论是学术专著，还是文学作品，甚至是如本书的普及读物，如果以英语写成，我愿意读原著，有意避开汉译。作为读者，我可以在自己的“舒适区”里，安心就他人的作品发牢骚。只要不广为传播，于人于己，都不会造成伤害。对于一本图书，读者可以有很多权利。

但是，让像我这样的读者来翻译一本书，有如让影评人拍摄电影，让乐评人谱写音乐。不过，作为读者，我从未有过像这样的阅读经历。因为，作为译者，无论水平如何，若要翻译，必须对原著精读，把内容吃透。这次翻译，便是这样一次精读的过程。对于普通读者而言，一生能有多少次精读的经历？原著是一部十分值得精读的材料，在理解和释疑的过程中，我获益匪浅。身为读者，对于这次自打自脸的工作，我认为是值得的。

作为非专业译者，翻译对我来说，本身就是挑战。我没有拘泥于翻译的常规准则，在翻译的过程中，我始终保持着一名读者的视角，尽可能地把我的所见和理解传递给我的读者。阅读自己的文字，我从未满意过，但总有朋友觉得其中有可取之处，劝我不必过于认真。但愿我的朋友们没有“口是心非”，如果不幸言中，还望亲爱的读者您海涵。毕竟，这是我第一次翻译图书的结果。

感谢令我无比敬仰的师兄谢本贵，让我与本书结缘。感谢科学出版社李秀伟，为我提供专业的参考。感谢吴涛博士，为我传递沃尔科特所著的数篇关键文献。感谢杜涛博士、焦晓国博士，在百忙之中抽出时间为我试读部分章节。感谢中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所张国良博士、付卫东、张瑞海博士、王薇等同志，在我翻译的过程中提供诸多便利。感谢我的家人，为我提供巨大的支持。

郑浩

2018年7月18日深夜于北京宽街陋室

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5.7 From A.Yu. Rozanov, “Problematica of the Early Cambrian,” in Problematic Fossil Taxa , ed. Antoni Hoffman and Matthew H.Nitecki. Copyright © 1986 by Oxford University Press, Inc. Reprinted by permission.

自达尔文以来
进化论的真相和生命的奇迹

田洺/译
（美国）S．J．古尔德/著

献给我的父亲，
我五岁时他带我去看霸王龙。

——作者

目录

译者序　科学散文的魅力

自序　这种生命观

第一部分　关于达尔文

1　达尔文的拖延

2　达尔文在船上位置的变换，或五年伴在船长的餐桌旁

3　达尔文的难题：进化的艰苦历程

4　对达尔文理论的过早埋葬

第二部分　人类的进化

5　等级问题

6　人类的枝状进化与梯状进化

7　小孩是人类真正的父亲

8　人类的婴儿是胚胎

第三部分　奇特的生物与进化的样板

9　对爱尔兰麋鹿的错误命名、错误分析和错误理解

10　生物的智慧，或为什么一种飞虫在母体内蚕食母亲

11　论竹、蝉与亚当·斯密的经济学

12　完美问题，或一个蚌为什么能在后端负着一条鱼

第四部分　生命史中的模式与间断

13　生命的五边形

14　无名的单细胞英雄

15　寒武纪的爆发是一种S形曲线骗局吗

16　大灭绝

第五部分　地球的理论

17　托马斯神父的丑陋的小行星

18　均变与灾变

19　碰撞中的维利柯夫斯基

20　大陆漂移的确定

第六部分　大小与形状，从教堂到脑，到行星

21　大小与形状

22　估量人类的智力

23　脊椎动物脑的历史

24　行星的大小与行星的表面

第七部分　社会中的科学——一种历史的看法

25　论科学中的英雄与蠢货

26　姿势造就了人类

27　种族主义与重演论

28　罪犯被看作自然的错误或我们中间的猿

第八部分　人性的科学与政治学

A. 种族、性与暴力

29　为什么我们不应该为人类的种族命名——一种生物学的看法

30　人性的非科学

31　种族主义者的论据与智商

B. 社会生物学

32　生物的潜力与生物学决定论

33　一种多么聪明的动物

后记

参考文献

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译者序
科学散文的魅力

本书的作者斯蒂芬·杰·古尔德（Stephen Jay Gould）是当今世界上著名的进化论者、古生物学家、科学史学家和科学散文作家。古尔德1942年出生在纽约一个犹太人中产阶级家庭中。他在安蒂奥克学院读的大学，在哥伦比亚大学读的博士研究生，专业都是古生物学；毕业后，古尔德在美国著名的进化生物学研究中心、哈佛大学比较动物学博物馆从事研究工作，并在哈佛大学教授古生物学、进化生物学和科学史，三十几岁时便成为教授。此外，古尔德还长期在位于纽约的美国自然博物馆无脊椎动物部兼职。

古尔德早期的研究领域是蜗牛的自然史，他对百慕大地区蜗牛的自然演变及分布的研究做出过突出的贡献。然而，使他享誉科学界的却是他和尼尔斯·埃尔德里奇于1972年提出的“间断平衡”进化理论。按照“间断平衡”理论，生物的进化并不像达尔文及新达尔文主义者认为的那样是一个缓慢的渐变积累过程，而是长期的稳定（甚至不变）与短暂的剧变交替的过程，从而在地质记录中留下许多空缺。虽然“间断平衡”理论引发了一些人对达尔文主义的全盘否定和怀疑，但是作为这个理论创始者之一的古尔德却是一位达尔文主义者，只不过他认为达尔文主义的核心是自然选择理论，而不是生物渐变论。此外，他对重演论的历史（《个体发育与系统发育》，1977）和科学种族主义（《对人的错误测量》，1981）等研究也是很出色的。

他的名望在科学界确立之后不久，古尔德的名字也开始越来越为大众所熟悉。他主持并编写的科普片《进化》，有很高的收视率。尤其是从1974年起，古尔德开始在《自然史》杂志上开辟了一个专栏《这种生命观》（语出自达尔文《物种起源》结尾的一段话“这种生命观是极其壮丽的”，意指进化观）。《自然史》杂志原为季刊，现为月刊，古尔德的专栏从未间断，每期一篇。他计划将专栏一直开到2001年1月。自1979年以来，美国和英国的一些出版社已将古尔德在《自然史》杂志上的专栏文章结为七本书，以“自然史沉思录”（Reflections in Natural History）为总标题出版。这本《自达尔文以来》（Ever Since Darwin ）为第一本，相继出版的还有《熊猫的拇指》《母鸡的牙与马的蹄》《火烈鸟的微笑》《为雷龙喝彩》《八头小猪》和《鼎盛时期的恐龙》。这套书在美国及其他英语国家受到好评和欢迎，其中有的获得过美国国家图书奖和国家图书批评奖。仅《自达尔文以来》的读者在美国就逾百万，还被译成多种文字出版。

古尔德在《自然史》杂志的《这种生命观》专栏上，用散文体（essay，又译作随笔）形式，向我们讲述了由自然现象引出的种种思考，包括对自然现象的遐想，对科学的反思，既有对社会偏见的尖锐批判，又充满了对于自然、人类、文学、艺术和哲学的深爱。这些文章的中心是生物的进化和进化的理论，但是由于作者联想的丰富、思考的独特、文笔的流畅和学识的广博，所以我们读来不仅感到惬意，而且还会跟随作者的引导，去思考周边事物及现象的背后所蕴含的深刻而具普遍性的道理。从这一点上看，古尔德的科学散文达到了阿西莫夫科普作品所不及的境地。因此，不仅普通读者爱读古尔德的作品，甚至一些严肃的学术论著中也常引述他在这类作品中的见解。

20世纪70年代末，古尔德的名字和他的“间断平衡”理论及对于重演论历史的出色研究就已经被介绍到我国生命科学界。他的一些学术文章也被翻译成中文。然而，他的具有广泛影响的“自然史沉思录”系列，除了台湾译有一本外，还罕为国人所知。其实，早在80年代中期，已故学者王佐良在一篇文章中就曾给予古尔德的散文很高的评价。当然，在此之前，我已经对古尔德有了一些了解（我的专业是进化生物学和生命科学史），并且也看了能找到的古尔德的“自然史沉思录”系列，但王佐良的文章促使我打算译出他的整个“自然史系列”，让更多的人受益。可惜，由于主客观因素，这项工作一拖就是十年！

现在这本《自达尔文以来》的原著是1/4世纪以前出版的。但是其中的知识，对一些未涉及过这个领域的人来说，仍算得上是“新知”。尤其是作者独到的思考角度、分析问题的方法，对我们仍有启迪；再者，从对自然现象的理解中获取对社会、对人生有价值的思想和态度，不仅是科学的一个极为重要的功能，也是人类永恒的一项伟大的工作。

由于译者学力有限，一定有一些译得不对、不当的地方，恳请读者指正。

译者
于北京玉泉路

自序
这种生命观

1959年，美国著名遗传学家H.J.穆勒（H.J. Muller） [1] 抱怨道：“这100年没有达尔文也一样。”这一特别黯然的评价使当时参加纪念《物种起源》（Origin of Species ）问世100周年的许多听众都感到震惊，但是没有人能否认这一失望中所表达的真理。

为什么那么难以理解达尔文？不到十年，他就使思想界不再怀疑进化的发生，但他一生都没有使人们普遍接受他自己的自然选择理论。直到20世纪40年代，自然选择理论才被广泛接受。然而即使在今天，虽然自然选择理论已经成了我们进化论的核心，但依然存在对于自然选择理论的错误理解、错误引述和错误使用。问题并不在于这个理论逻辑结构上的复杂性，因为自然选择的基础本身很简单——两个不可否认的事实和一个必然得出的结论：

1. 生物是可变的，而且生物的变异可以（至少是部分）遗传给后代。

2. 生物产生的后代数量多于可能生存下来的后代数量。

3. 一般说来，生物的后代向着环境对其更有利的方向变异，就会生存并繁衍下去。

这三段陈述基本上说明了自然选择的作用，但仅仅这样说还不是达尔文所认定的自然选择的根本作用。达尔文理论的本质就在于认为自然选择是进化的创造性力量——不仅是不适应生物的剔除者，自然选择还必然会产生适应生物。自然选择通过一代又一代地保留随机变异中的有利部分，必然会产生适应生物。倘若自然选择是创造性的，我们关于变异的第一条陈述就必须增加两个限制来详细说明。

第一，变异必定是随机的，或者至少不会是向着适应的。因为假如变异已经预定向着正确方向的话，那么选择就不会起到创造性的作用，只不过是剔除那些变异途径不妥的不幸生物个体而已。拉马克主义就是这样的看法，该理论坚持认为动物创造性地回应它们的需要，并且将获得的性状遗传给后代，这是一种非达尔文主义的理论。我们对遗传变异的理解表明，达尔文正确地坚持了变异的有利方向并非预先就决定了。进化是偶然性与必然性的混合——在变异水平呈偶然性，在选择的作用方面呈必然性。

第二，变异必定与新物种形成中进化变化的程度关系不大。因为假如新物种是即刻产生的，那么自然选择便起不到创造性作用，只不过为改善的生物腾出位置而已。再者，我们对于遗传学的理解又支持了达尔文的关于小变异是进化变化原材料的观点。

所以，达尔文的理论表面上简单，但具有精致的复杂性及另外的要求。尽管如此，我还是相信阻碍接受达尔文理论的并不只是由于科学上的困难，而是由于达尔文理论中所含的基本哲学内容是对于西方人心态的一种挑战，这种心态至今仍然难以抛弃。首先，达尔文提出进化没有目的。生物个体为了增加它们的基因在后代中的代表而进行着斗争，这就是进化。如果说自然界中呈现出和谐和秩序，那也是因为生物个体尽显其优势所附带的结果而已，即自然界中的亚当·斯密（Adam Smith） [2] 经济学。其次，达尔文坚持认为进化没有方向，进化并不必然导致更高事物的出现。生物只不过更加适应它们所生活的环境，这就是进化。寄生虫的“退化”与瞪羚的矫捷步态都是完美的。再者，达尔文在解释自然中贯彻了唯物论的哲学。存在的只是物质，心灵、精神、上帝不过是表达神经复杂性奇妙结果的语词。托马斯·哈代（Thomas Hardy） [3] 在谈到自然时，对于抛弃目的性、方向性和精神的观点感到忧伤：

当我凝望黎明，池塘，
田野，牛羊，还有孤树，
所有这一切在我看来
像静坐在学校受罚的孩子；

它们发出的声响只是
（一度像是清楚的呼叫，
但此刻却完全是嗫嚅）——
“我们惊奇，真的惊奇，为什么我们在这里！”

的确，自达尔文以来，世界已经不一样了，但是依然叫人激动，给人启迪，令人崇敬。因为即使我们不能在自然中发现目的性，我们却能为了我们本身的需要而去确立目的。达尔文并不是对道德漠然的人，但他并不关心清除西方思想中有关自然的深度偏见。实际上，我认为可以用达尔文主义的精神来拯救我们疮痍的世界，因为这种精神否定了西方人所偏爱的一种观念，即我们要去控制、支配地球和地球上的生物，因为我们是一种预定过程的最终产物。

无论如何，我们都必须赞同达尔文。为了做到这一点，我们必须理解他的信念和这些信念中的含义。这本书中的所有文章都是探讨“这种生命观”的——这是达尔文自己在讲述他的新的进化世界观时说的话。

这些文章，写于1974年至1977年，最初发表在《自然史》杂志我所开设的专栏上，这个专栏的名字就是“这种生命观”。这些文章涉及范围广泛，从行星史、地质史到社会经济史，通过进化论，即通过达尔文的观点，这些问题被串联了起来（至少我打算这样做）。我不是博学之士，倒像个商人，我所知道的行星和政治知识都与生物的进化有关。

我并不忽略记者的套话：昨天的文章只能用来包今天的垃圾。我也并不打算糟蹋我们的森林去发表冗长而散乱的文集，像索伊斯博士（Dr. Seuss）的《罗拉克斯》（Lorax ） [4] ，我想我还是对树木留情的。不是出于虚夸，我唯一想解释的是，收集的这些文章都是根据许多人喜欢（同样许多人蔑视）的观察，这些观察同属于一个共同的主题，即达尔文从进化角度探讨的主题，这也是与我们自大的宇宙观背道而驰的一个主题。

第一部分探讨了达尔文理论本身，尤其是引发H.J.穆勒抱怨的基本哲学部分：进化无目的性，不是进步的，是物质性的。我通过一些有趣的奥秘来把握这个重要的信息：如谁是“贝格尔”号上的博物学家（不是达尔文），为什么达尔文不使用“进化”这个词，以及为什么他等了20年才发表他的理论。

利用达尔文主义探讨人类的进化构成了第二部分。我试图强调我们既有独特性又有与其他动物相关的统一性。我们的独特性是由于基本进化过程的作用，而不是由于任何通向高等生命的预先设定。

在第三部分，我通过利用一些复杂的进化论问题说明特殊的生物，从而探讨了这些问题。在一定水平上，这些文章是关于具有巨角的鹿，从体内食其母亲的飞虫，利用边膜进化成一种引诱鱼的蚌，以及120年才开一次花的竹子。在另一个水平上，这些文章涉及了适应、完美性和一些表面上好像没有意义的问题。

第四部分是用进化论来探讨生命史的图景。我们找不到稳定进步的迹象，这个世界在长期平静中间或有大规模灭绝和迅速生成的时期。我着重在两个重大的间断上，6亿年前产生出绝大多数复杂动物生命的寒武纪“爆发”和2.5亿年前一半海洋无脊椎动物灭亡的二叠纪灭绝。

从生命的历史，我转向生命生居的地方——地球的历史（第五部分）。我既论述了过去的英雄（莱尔，Lyell），也论述了现代的异端者（维利柯夫斯基，Velikovsky），他们为最基本的问题而奋斗——地质史是否有方向性？地质变化是缓慢稳定的，还是迅速剧烈的？用生命的历史如何标定地质的历史？我在板块构造学和大陆漂移的“新地质学”中找到了解决这些问题的潜在办法。

第六部分试图管中窥豹。我谈到一个简单的原则，物体的大小影响物体的形状。并且认为这个原则可以应用到极其广泛的发展现象中，包括行星表面的进化、脊椎动物的脑，以及中世纪小教堂与大教堂之间的形状差别。

第七部分由于顺序的不连贯会使一些读者惊异。我费力地将一般原理与特定的应用联系起来，再将这些原理与生命和地球的主要图景联系起来。这里我讨论了进化思想的历史，尤其是社会、政治观念对所谓“客观”科学的影响。但是我认为这样的“客观”科学不仅是一种科学自大的表现，而且带有政治意图。科学通过收集客观信息，通过摧毁古老的迷信而成立，但这并不意味科学必然通向真理。科学家像普通人一样，在他们的理论中无意中反映了他们时代的社会和政治局限。他们作为社会的特权成员，通常要捍卫现存的社会等级，并将这种等级关系看作生物学上预定的。我论述了其中的一般情况，通过讨论18世纪有关胚胎学的一个不太明晰的争论，通过讨论恩格斯（Engels）关于人类进化的观点，通过讨论隆布罗索（Lombroso）关于固有罪犯，以及通过讨论来自科学种族主义根源的曲折故事。

最后一部分探讨了同样的主题，只不过将这个主题联系到当代关于“人性”的讨论中，这是错误使用进化论影响社会政策的一个主要例子。第一小部分批评了作为政治偏见的生物学决定论，有人根据这种理论提出我们的祖先是残忍的猿，人类的攻击性和侵占性是固有的，女性的被动是自然的表现，智商具有种族差别等，这些观点最近又泛滥了。我认为没有证据支持这些观点，而且这些观点所代表的是西方历史上长期悲凉的故事在最近的具体反映——指责牺牲者并给他们标上生物学上劣等的标记，或像孔多塞（Condorcet） [5] 所为，用“生物学作为同谋”。我既欣喜又不悦地讨论了最近新生的“社会生物学”研究及其新的预示，即对人性的达尔文主义的解释。我认为社会生物学的许多特定观点都是基于决定论模式的缺乏支持的猜想，然而我却在社会生物学对利他主义的达尔文主义解释中发现了很大的价值，作为对我不同的倾向性的支持，我倾向于认为，遗传给了我们易变性，自然选择并不决定严格的社会结构。

这些文章最初发表在《自然史》杂志（Natural History ）专栏中，现在的改动不大，订正了一些错误，删掉了狭隘之见，并且使用了最新的信息。我攻击过论文令人厌恶的东西——冗长，但是当我的编辑裁刀面对任何单篇文章的内在连贯时，我又退缩了。至少我绝没有两次使用同一引文。最后，对主编艾伦·特伦斯（Alan Ternes）及他的改稿编辑弗洛伦斯·艾德尔斯坦（Florence Edelstein）和乔丹·贝克霍恩（Gordon Beckhorn）致以谢忱和感激。他们接二连三的充满热情的书信支持了我，并且用留情的编辑之手最恰当地表达了他们的宽容和谨慎。我为所有真正动人的题目而感谢布雷姆·艾伦（Blame Alan），特别是第15篇文章的S形曲线的骗局。

西格蒙特·弗洛伊德（Sigmund Freud） [6] ，像其他人一样出色地表达了进化对人类生活和思想的深刻影响，他写道：

在过去的时间里，科学之手对于人类朴实的自恋有过两次重大的打击。第一次是认识到我们的地球并不是宇宙的中心，而是大得难以想象的宇宙体系中的尘埃……第二次是生物学的研究剥夺了为人类特创的特殊优越性，将人类废黜为动物的后裔。

我认为这种废黜的知识也是我们在一个分崩离析的世界上对连续性的最大希望。或许“这种生命观”在它第二个百年还能绽开鲜花，并帮助我们全面理解科学知识的限度和教益，而我们则像哈代诗中的田野和树木一样，继续惊奇为什么我们在这里。

[1] 穆勒（1890—1967），美国著名遗传学家。1946年因实验性诱发突变的工作而获诺贝尔生理学和医学奖。——译注

[2] 亚当·斯密（1723—1790），英国经济学家、古典经济学的代表，主要著作有《国富论》。——译注

[3] 哈代（1840—1928），英国小说家、诗人，代表作有小说《无名的裘德《》德伯家的苔丝》，长篇史诗剧《列王》。——译注

[4] 索伊斯博士（1904—　），原名西奥多·索伊斯·盖泽尔，美国漫画作家，《罗拉克斯》是他于1971年创作的一部漫画作品，该作品枯燥而且冗长。——译注

[5] 孔多塞（1743—1794），法国哲学家、数学家，主要著作有《人类精神进步历史概观》。——译注

[6] 弗洛伊德（1856—1939），奥地利精神病学家，精神分析心理学创始人，主要著作有《梦的解析》《文明及其不满》等。——译注

第一部分
关于达尔文

·　达尔文的拖延

·　达尔文在船上位置的变换，或五年伴在船长的餐桌旁

·　达尔文的难题：进化的艰苦历程

·　对达尔文理论的过早埋葬

1　达尔文的拖延

没有什么事比一些名人行为中长期而难以解释的停滞更能引发猜测的了。罗西尼（Rossini） [1] ，因《威廉·退尔》（William Tell ）而达到他歌剧事业辉煌的巅峰，可是之后的30年他几乎什么也没写。多萝西·塞耶斯（Dorothy Sagers）在名望达到顶点时却背弃了彼得·温姆西勋爵（Lord Peter Wimsey） [2] ，转向笃信上帝。查尔斯·达尔文（Charles Darwin）在1838年就得出了全新的进化理论，然后过了21年，由于R.华莱士（R. Wallace）的突然出现，才发表他的观点。

通过五年在“贝格尔”号（the Beagle）上对自然的接触，达尔文的物种固定不变的信念发生了动摇。1837年7月，他航海回来后不久，便开始记第一本关于“递变”（transmutation）的笔记。这时的达尔文已经确信进化的发生，他正在寻找一种理论来解释进化的机制。经过最初的猜想和少数不成功的假说，他在阅读一些显然不相关的书籍做消遣时，建立了他的中心观念。达尔文后来在他的自传中写道：

1838年10月……我为了消遣，偶尔翻阅马尔萨斯（Malthus） [3] 的《人口论》（Population ），当时我根据长期对动植物习性的观察，已经有了一定的准备，可以正确认识生存斗争。我马上联想到，在这种情况下，有利的变异会趋向于保存下来，而不利的变异将被淘汰，这一结果将导致新物种的形成。

达尔文早就认识到动物驯养者所做的人工选择的重要性。但是直到马尔萨斯的斗争与拥挤的观点凝练他的思想之后，他才确定自然选择是进化的动因。倘若所有生物产生出的后代远比生存下来的多，那么根据简单的假设，一般说，生存下来的更能适应当时的生活环境，从而自然选择指导了进化。

达尔文知道得出的是什么理论。我们不能将他的拖延归因于没有认识到他的成就的重要性。在1842年，后来又在1844年，他写出了他的理论及其含义的基本纲要。他还给妻子做了认真的交代，假如他生前不能完成他的主要著作，希望她发表这些手稿。

他为什么等了20年才发表自己的理论？我们今天的生活步伐的确极大地加快了，在交谈技巧和棒球比赛中，迟缓者必然成为牺牲品。所以，我们可能会把过去正常的时期错误地看作漫长的阶段。然而，人的生命周期却是恒定的衡量尺度，20年仍然是一个人正常事业的一半时间，纵然按照悠然的维多利亚时代的标准看，那也是生命中的大部分时间。

通常的科学传记是有关伟大思想家的明显错误信息的根源。这类传记将伟大的思想家描绘成简单、理性的机器，是仅凭不停的努力，不受任何其他事情的影响，严格依照客观材料寻觅真理的人。因此，对于达尔文等了20年的通常解释就是他的工作没有完成。他满意自己的理论，但理论是廉价的。他的理论只有等到汇集大量的支持材料才能发表。这需要时间。

但是达尔文在这20年的活动所显示的情况，无疑与传统的看法不同。尤其是他花了整整八年的时间写了一部关于藤壶分类及其自然史的四卷本专著。面对这一事实，传统的解释软弱无力，好像是达尔文感到在宣称物种如何改变之前不得不彻底地了解物种，而他只能通过对一个复杂的生物类群进行分类才能彻底地了解物种——但不能耗费八年的时间，尤其是在已经得出生物学史上最革命的观点的时候。达尔文本人在自传中这样评价他的四卷本著作：

除了发现几个奇特的新类型以外，我搞清了各部分的同源……而且我证明在几个属中微小的雄体附着及寄生在雌雄同体的个体内……虽然这样，我仍然怀疑，这项工作值得耗费那么多时间吗？

导致达尔文推迟的原因非常复杂，不能做简单的解释，但是我感到有一件事情是确信的：恐惧的负面作用与增加材料的正面需要至少同样重要。然而，达尔文恐惧什么？

达尔文得出马尔萨斯主义的观点时，才29岁。他没有专业地位，只是因为在“贝格尔”号上的出色工作而博得同行们的赞赏。他不可能通过宣扬他所不能证明的一种异端邪说来危及自己有前景的事业。

然而他的异端邪说是什么？信奉进化本身就是一个明确的答案。但这还不是问题的主要部分，因为，在19世纪中叶，与当时流行的观点相比，进化并不是陌生的异端邪说。确实有许多人公开而广泛地反对进化，但至少很多著名的博物学家承认或多或少地考虑过进化。

达尔文早年不寻常的笔记中可能含有问题的答案［见H.E.格鲁伯（H.E. Gruber）和P.H.巴雷特（P.H. Barrett）《达尔文论人》（Darwin on Man ）的正文及广博的注解］。这些所谓M笔记和N笔记写于1838年和1839年，当时达尔文正在做有关递变的笔记，这一笔记是他1842年和1844年纲要的基础，其中含有他有关哲学、美学、心理学和人类学的思想。达尔文1856年重读这些笔记时，称之“充满了有关道德的形而上学”。这些笔记中包含了他所赞同但却害怕发表的一些观点。这些观点远比进化本身更要异端：哲学上的唯物主义，即认为物质是所有存在的原料，所有心智及精神的现象都是物质的副产品。没有哪种观点比认为心灵——无论多么复杂和有力——只不过是大脑的产物，更能动摇西方思想中最深刻的传统了。例如，注意一下约翰·弥尔顿（John Milton） [4] 关于心灵与曾寄居的身体分离且比身体优越的观点（《幽思的人》Ii Penseroso ，1633年）：

呵，让我的灯火
在午夜时分的孤塔上闪烁，
这样，好让我时时看到那只熊； [5]
与超凡的赫尔墨斯一道，或
借助柏拉图的精神，
去揭示世界与广袤地域的所有
已被丢弃的不死的心灵
她在那个人的身上存活。

这些笔记证明了达尔文的哲学兴趣并且认识到其中的含义。他知道他的理论与其他进化学说的主要区别在于其中彻底的哲学唯物论。其他进化论者谈的是活力的力量，历史具有方向性，活力驱动，以及心灵本质上是崇高的，这些都是经过装饰可以被传统基督教勉强接受的概念，这样，基督教中的上帝可以通过进化而不是特创来起作用。而达尔文谈的只是随机变异和自然选择。

达尔文在笔记中将唯物论彻底地应用到所有的生命现象中，包括他称为“要塞本身”（the citadel itself）的人类的心灵。如果心灵离开大脑就不存在的话，那么上帝岂不过是虚幻发明出的一种虚幻？他在一本关于递变的笔记本中写道：

爱上帝是有机构造的效果。噢，唯物论者！为什么认为思想是大脑中的隐秘比认为是物质万有引力的特性更美好呢？这是我们的一种自傲，是我们的孤芳自赏。

这一信念太异端了，达尔文甚至在《物种起源》（1859）中将这一信念搁置一边，只是隐约地提到“人类的起源和他的历史，将得到阐明”。只有当他不能再隐瞒下去了，他才在《人类的由来》（Descent of Man）（1871）和《人类及动物的表情》（The Expression of the Emotions in Man and Animals ）（1872）中表达了自己的一部分信念。而自然选择的共同发现者A.R.华莱士绝不会将这一信念应用到人类心灵的研究中，他将人类的心灵看作生命史中唯一的神的贡献。而达尔文在M笔记本中最著名的隽语则与两千年来的哲学和宗教决裂了：

柏拉图在《斐多篇》中说，我们“想象的理念”来自预先存在的灵魂，而不是来自经验——然而预先存在的是猴子。

格鲁伯在为M笔记和N笔记所做的注解中指出，唯物论“当时远比进化更有毁灭性”。他列举了18世纪晚期对持唯物论信念的人的迫害，并且得出结论：

在所有的知识领域都施加了压力，讲演被禁止，出版物被禁止，专职工作被禁止，出版物中充斥了（对唯物论的）谩骂和嘲讽。学者和科学家了解这一点，而且感觉到了压力。有些人公开放弃这一罕见的观点，有些人匿名发表文章，有些人以模棱两可的形式发表见解，而有些人则拖了许多年才发表著作。

1827年，当达尔文还是爱丁堡大学的学生时，就直接经历过这样的事情。他的朋友W.A.布朗（W.A. Brown）在普林尼学会阅读了一篇带有唯物论观点的论生命和心灵的文章。经过多次争论，所有文章中对布朗的论文的引述，以及含有布朗打算提交文章的（以前会议的）记录，都被删除得一干二净。达尔文对这些颇为了解，他在M笔记中写道：

为了避免走得太远，我虽然相信唯物论，但只能说感情、本能和天才的程度是遗传的，因为孩子的脑与双亲的脑类似。

19世纪最热心的唯物论者马克思和恩格斯很快就认识到达尔文的成就，并探讨了其中基本的内涵。1869年，马克思在给恩格斯的信中谈到了达尔文的《物种起源》：

虽然这本书用英文写得很粗略，但是它为我们的观点提供了自然史的基础。 [6]

有一个广泛流传的传说，说马克思向达尔文题赠了《资本论》（Das Kapital ）的第二卷（而达尔文拒绝了），这显然是错误的。但是马克思与达尔文通过信，而且马克思对达尔文予以很高的评价。［我在唐恩（Down House）的达尔文故居中看到过达尔文收藏的《资本论》。马克思在上面题词说他是达尔文“真诚的钦慕者”。书页并没有裁开。达尔文的德语不太好］

达尔文确实进行了一场温和的革命。不仅在于他这么久地拖延了自己的工作，还在于他故意避开公众对他理论中哲学含义的注意。他在1880年写道：

我认为（正确或错误地）直接反对基督教和有神论，对公众不会有什么影响，而伴随科学的进步逐渐启迪人类的理解力，会更好地促进思想的自由。因此我一直不写有关宗教的文章，而且我本人的工作仅仅局限于科学之内。

然而他的工作内涵与传统的西方思想是极大的断裂，我们很难将其纳入这种传统中，例如阿瑟·柯依斯勒（Arthur Koestler）之所以反对达尔文，也是基于不愿接受达尔文的唯物论，而且他还热衷于认为生命物质中含有特殊性［见《机器中的幽灵》（the Ghost in the Machine ）或《产婆蛙案件》（The Case of the Midwife Toad ）］。我承认对此我不太明白。疑惑和知识都应该坚持。我们难道因为自然中的和谐不是设计的就会降低对自然美的赞赏吗？难道因为有数百亿神经元在我们的颅骨里，我们心灵的潜力就激发不了敬畏和恐惧吗？

2　达尔文在船上位置的变换，或五年伴在船长的餐桌旁

格罗佐·马克思（Groucho Marx） [7] 总是用一些显而易见的问题取悦观众，如“谁埋在格兰特墓里？”但是愈是明白的问题通常就愈有欺骗性。如果我的记忆正确的话，对于谁设想出门罗主义（Monroe Doctrine）的正确答案应该是约翰·昆西·亚当斯（John Quincy Adams）。当问到“谁是‘贝格尔’号上的博物学家”时，绝大多数生物学家会回答“查尔斯·达尔文”（Charles Darwin）。然而他们可能都错了。我们还是不要故弄玄虚吧，达尔文是在“贝格尔”号上，而且他关注的是博物学。但他之所以来到船上，是为了其他目的，而船上的医生罗伯特·迈考密克（Robert McKormick）最初是正式的博物学家。这里面有一个故事，并非是对学术史的挑剔注解，而是一个有意义的发现。人类学家J.W.格鲁伯（J.W. Gruber）1969年在《不列颠科学史杂志》（British Journal for the History of Science ）上发表的《谁是“贝格尔”号上的博物学家》一文中报道了有关的依据。1975年，科学史学家H.L.伯斯坦（H.L. Burstyn）试图解答由此产生的一个明显问题：假如达尔文不是“贝格尔”号上的博物学家，那他为什么在船上？

没有文献特地证实迈考密克是正式的博物学家，但有关的依据太明确了。当时的不列颠有一个固定不变的医生兼任博物学家的传统，而且迈考密克受过这方面的专门教育。他虽然不出色，但还是称职的博物学家，并且在其他的航行中出色地完成了任务，包括定位南磁极的罗斯号南极探测（1839—1843）。同时，格鲁伯发现了一封爱丁堡博物学家罗伯特·詹姆森写给“我亲爱的先生”的信，信中尽是建议“贝格尔”号的博物学家如何收集和保存样品。依照传统的观点，无疑只有达尔文才是这封信的接收者。幸运的是，收信人的姓名还在原来的信笺上。信是写给迈考密克的。

直说了吧，达尔文是作为船长费茨罗伊（Captain Fitzroy）的伴侣随“贝格尔”号航行的。但是为什么不列颠的船长要带上一位一个月前才见过面的男子作为五年航行的伴侣呢？是19世纪30年代海军航行的两个特点使费茨罗伊做出了这样的决定，首先，航行持续很久，离口岸的时间很长，并且不易收到亲友的书信。其次（对我们注重心理启发的世纪来说这一点显得很奇怪），不列颠海军的传统表明，船长与下级官兵没有什么社会接触。他通常独自进餐，与官员的会面主要是商讨船上的事宜，并且要以非常正式和正确的方式进行。

费茨罗伊偕达尔文航行时才有26岁。他知道作为船长长期不能与人接触所带来的心理伤害。“贝格尔”号的前任船长出海三年后，于1828年在南半球病倒，并且自杀了。而且，正如达尔文在写给姐姐的信中证实的那样，费茨罗伊担心他那心理错乱的“遗传秉性”。他那位著名的叔父卡斯尔雷子爵（Viscount Castlereagh，历任平叛1798年爱尔兰起义的指挥官和抵御拿破仑时期的外交部长），1822年割断了自己的喉管。实际上，费茨罗伊曾病倒过，并且暂时让出“贝格尔”号航行的指挥权，当时达尔文在瓦尔帕莱索也病倒了。

费茨罗伊因为与船上的其他人很少接触，他只能通过为自己安排一名“编外的”乘客来进行人际交往。但是海军部禁止携带私人乘客，甚至船长的妻子，没有明确目的的绅士伴侣也不许带。费茨罗伊已经带了一些编外乘客，一名工匠、一名仪器制造者及其他的人。但他们都不能成为费茨罗伊的伴侣，因为他们不属于上流社会阶层。费茨罗伊是个贵族，他将祖先直接上溯到国王查理二世。只有绅士才能与他共餐，达尔文恰好是一位绅士。

但是费茨罗伊怎样能够吸引一位绅士结伴进行五年的航行呢？只有提供别处无法提供的正当的实践机会方可。还有什么比博物学更好的呢？——虽然“贝格尔”号上已经有了一位正式的博物学家了。所以费茨罗伊在他的贵族朋友中招徕一位绅士博物学家。诚如伯斯坦所说，这是“一个解释他的客人存在的客气说辞，而一个有魅力的工作足以吸引一位绅士在船上待很长时间”。达尔文的导师J.S.亨斯罗（J.S. Henslow）非常理解这一点。他在给达尔文的信中写道：“费茨罗伊船长需要一名男子，（我理解）主要是做伴侣，而不仅仅是采集者。”达尔文与费茨罗伊相见了，他们相处甚安，一拍即合。达尔文以费茨罗伊的伴侣身份出航了，在五年的航行期间，主要与他共餐。另外，费茨罗伊是个雄心勃勃的年轻人，他试图在探险航行期间通过确立出色的标准来留下他的印记。（达尔文写道：“这次探测的目的，是完成对帕塔哥尼亚和火地岛的勘查……探测智利、秘鲁及其他太平洋群岛的海岸，并携带经纬测量仪环绕世界。”）费茨罗伊自己掏钱多带了一些技术人员和工程师，从而利用自己的财富和优越条件达到了目的。一位“编外”博物学家正好符合费茨罗伊的提高“贝格尔”号科学声望的计划。

可怜的迈考密克的命运就这样决定了。最初，他与达尔文还能合作，但他们最终还是各自为政了。达尔文优势占尽，他受船长的宠幸，他有仆人，船停泊后，他有钱游历海岸，还能雇用当地的采集者。而迈考密克只能待在船上，还要恪守公职。达尔文个人的努力，超过了迈考密克正式的采集，而迈考密克则在不满中决定打道回府。1832年4月，他在里约热内卢“一病不起”，被送上返回英国的海军“泰恩”号回家。达尔文通晓婉转的表达方式，在写给姐姐的信中谈到迈考密克“一蹶不振，是与船长有分歧，没有大的不适”。

达尔文并不在乎迈考密克的科学能力。1832年5月，他在给亨斯罗的信中写道：“他是位落伍的哲学家，在圣亚哥，他自己说用了两个星期作基本的记述，而以后只采集特殊的材料。”事实上，达尔文根本就看不起迈考密克：“我那位医生朋友是头蠢驴，我们的交往极为客套。现在他烦恼的是自己的舱顶究竟漆上浅灰色还是纯白色。从他那里我所能听到的只是这类话题。”

这个故事至少说明了科学史的研究应该考虑社会等级的重要性。如果当时达尔文是商人的儿子而不是富有的医生的儿子，现在的生物科学将会有很大的不同。达尔文的富有使他可以毫无负担地自由从事研究。他由于糟糕的健康状况一般每天只能进行两至三小时有成效的工作，但是再去谋生的话，他大概完全不能从事研究工作了。现在我们又知道了达尔文的社会地位在他的事业转折点上也起到过关键的作用。费茨罗伊更感兴趣的是就餐伙伴的社会荣耀，而不是他的博物学能力。

达尔文与费茨罗伊之间那些没有记载的就餐对话有可能隐藏了更深刻的东西吗？科学家有一个很强的偏见，将创造性的思想仅归因于经验依据。因此，在达尔文世界观的转化方面，海龟和鸣雀被看作最主要的动因 [8] ，因为他参加“贝格尔”号航行时只不过是个天真朴实的神学学生，但是他回来后一年便开始记述有关递变的笔记。我猜想费茨罗伊本人可能曾是重要的催化者。

至少达尔文与费茨罗伊的关系一直很紧张。不过由于绅士的友善和前维多利亚时期对情感的压抑等限制，使两个人以恰当的方式相处。费茨罗伊是位地道而热情的托利党成员，达尔文对辉格党也同样忠诚。 [9] 达尔文小心翼翼地避免与费茨罗伊讨论当时下院正在审议的著名的改革法案。费茨罗伊曾告诉达尔文，他有确凿的证据证明奴隶制的仁慈。巴西的一位最大的奴隶主曾召集他的奴隶，问他们是否愿意获得自由，他们一致回答：“不。”当达尔文直率地表示怀疑这个在主人压力下回答的价值时，费茨罗伊恼怒了，他告诉达尔文，任何怀疑他的话的人都不配与他共餐。达尔文离开了船长，而与船员共餐，但费茨罗伊几天之后便做出让步，并向达尔文正式表达了歉意。

我们知道达尔文面对费茨罗伊的顽固观念敢于挑战。但他是费茨罗伊的客人，而且，在特定的环境下，他是服从的；因为在费茨罗伊时代，在海上，船长是无可争议的绝对君主。达尔文不能表达他的不满。所以五年期间，一位最出色的人在任何留下的历史记录中保持着缄默。后来，达尔文在《自传》中回忆起：“与一位船长和睦相处的困难，由于所有人敌意地对待他，如同他敌意地对待其他人，由于他所拥有的令人敬畏——或至少在我整个航行期间所具有的令人敬畏的权力，而极大地增加了。”

这时费茨罗伊的意识形态中不仅有托利党的政治，还有宗教。有时费茨罗伊也怀疑《圣经》句句真实，但他倾向将摩西看作历史学家和地质学家，而且他耗费了许多时间计算诺亚方舟的大小。 [10] 费茨罗伊的固定观念，至少在他生命的晚期，是“来自设计的论点”，即相信上帝的仁慈（实际上是上帝的真实存在）可以从生命结构的完美性中推导出来。而达尔文虽然也接受了完美构造的观点，却提出了自然的解释，这与费茨罗伊的信念不太矛盾。达尔文还提出了基于偶然变异与外在环境作用的自然选择进化理论——一种严格的唯物论（同时基本上是无神论）的进化理论（见文章1 ）。19世纪许多其他的进化理论更符合费茨罗伊的基督教类型。例如，宗教领袖们对达尔文的坚定的机械论观念厌烦得很，而对于一般提出生命固有完美倾向的观点则好得多。

达尔文得出的哲学观点部分是由于对费茨罗伊教条地坚持来自设计观点的一种反应吗？我们没有证据表明达尔文在随“贝格尔”号航行时不是一位虔诚的基督徒。他对基督教的怀疑和否定是以后的事情。航行过半时，他在给一位朋友的信中写道：“我经常设想将来去干什么，我当然愿意做一个乡间牧师了。”他甚至与费茨罗伊合作了一篇题为《塔希提的道德状况》的文章，以期唤起对在太平洋传教工作的支持。但是怀疑的种子一定在“贝格尔”号航行的寂静时光中萌发滋长。设想一下达尔文的境况吧。他五年来每一天都与一位无法与其争辩的、威严的船长共餐，这位船长的政治观点和对其他事物的态度与达尔文的信念迥然不同，而且达尔文基本上不喜欢这个人。谁知道五年来连续的高谈阔论会使“寂静的炼金术”如何冶炼达尔文的大脑呢，至少就激发达尔文确立哲学与进化论的唯物主义和无神论的基石而言，费茨罗伊可能远比鸣雀重要。

费茨罗伊至少在生命的晚期，曾因内疚而烦恼。他开始认为是自己引发了达尔文的异端思想（事实上，我猜想从实际情况的角度看，可能远比费茨罗伊设想的更真实）。他有一种炽烈的赎罪欲望，并开始重新维护《圣经》的权威性。在1860年著名的不列颠协会会议上（在这次会议中，赫胥黎嘲笑了“油腔滑调的山姆”威尔伯弗斯，Wilberforce），失态的费茨罗伊大步走上台去，高举《圣经》，大声叫道：“这本书，这本书。”五年之后，他割断了自己的喉管。

3　达尔文的难题：进化的艰苦历程

作为一个概念，对进化的理解已经耗尽了上千位科学家一生的时光。在这篇文章中，我谈论一个比较狭窄而有趣的小问题：理解进化这个词本身。我将追溯生物变化如何被称作进化（evolution）。作为一次好古的纯粹词源探索，这个故事复杂而令人激动。但是太认真就危险了，因为正是这个词过去的用法致使外行们经常且依然普遍地误解了科学家们所讲的进化。

先从一个矛盾的地方开始吧。达尔文、拉马克和海克尔这些19世纪英国、法国和德国最伟大的进化论者，在他们最初的著作中都没有使用“进化”这个词。达尔文使用的是“经过改变的继承”（descent with modification），拉马克使用的是“转形”（transformisme），海克尔则爱用“递变理论”（Transmutations-Theorie）或“继承理论”（Descendenz-Theorie）。他们为什么不使用“进化”这个词？而且他们的生物理论是如何变成现在的名称的？

出于两个原因，达尔文在陈述自己的理论时不使用“进化”一词。首先，在他那个时代，“进化”在生物学中已经有了特定的含义。事实上，“进化”被用来描述一种可能与达尔文的生物发展理论不太相同的胚胎学理论。

1744年，德国生物学家阿尔布莱克·冯·哈勒（Albrecht von Haller）发明了“进化”一词，用在他的胚胎由卵或精子中预先存在的微小个体发育而来的理论中。（今天可能感到奇怪，这种理论认为，以后的世代发生都是在夏娃的子宫和亚当的睾丸中创生的，封存得像俄罗斯套娃，一个套一个，每一个夏娃的卵中有一个胎儿，而每一个胎儿的卵中还有一个更小的胎儿，等等）。这种进化（或预成）理论遭到渐成论者的反对，他们相信成体的复杂性来自最初无形的卵（有关这场争论的详细说明见文章25 ）哈勒选择辞藻时非常小心，因为拉丁文evolver [11] 的含义是“展示”。的确（按照预成论），小胎儿从最初的肢体紧封中展示出来，并且在以后的胚胎发育中只增加体积。

而哈勒的胚胎进化似乎是达尔文的“经过改变的继承”理论的阻碍。假如人类的全部历史预先存在于夏娃的子宫中，那么自然选择（或其他的作用力）怎么能改变我们预定好的寄居在地球上的历程？

我们似乎更迷惑了。哈勒的词汇怎么能变成意义几乎完全相反的用法？只有当哈勒的理论在1859年前已行将就木的情况下才有可能。随着理论的让位，哈勒用过的这个词方可用于其他的目的。

根据达尔文的描述看，“进化”，即“经过改变的继承”，并非从以前的专业词汇中借来的，相反，它来自本国语。在达尔文时代，“进化”已经成为一个常用的英语词汇，其含义与哈勒的专业用法不同。《牛津英语词典》将这个词追溯到1647年H.摩尔（H. More）的诗句“外形的进化（展示）弥漫于世界广布的灵魂中”。但是这种“展示”的含义与哈勒的展示含义不同，它指的是“表现出一个事件序列中的规则顺序”，更重要的是，它含有进步发展的概念。《牛津英语词典》中继续写道：“发展的过程是从萌芽状态到成熟或完整的阶段。”因此，在英语中，进化与进步的概念紧密相连。

达尔文正是按照本国语的含义使用了“进化”一词，事实上，他是在书的最后才用这个词的：

认为生命及其若干能力原来是被注入少数类型或一个类型中的，而且认为在这个行星按照引力的既定法则继续运行的时候，最美丽的和最奇异的类型从如此简单的始端，过去，曾经而且还在进化着，这种生命观是极其壮丽的。 [12]

达尔文在这一段中选择了“进化”这个词是因为他要以生物发展的变迁与诸如万有引力这类物理定律的固定不变做比较。但是他很少使用这个词，因为达尔文显然并不认为我们现在所谓的进化等同于当时人们普遍认为的进步。

在一个著名的警句中，达尔文提醒自己在描述生物的结构时绝不说“高等”或“低等”——因为假如一个阿米巴可以很好地适应它所生活的环境，就像我们适应我们的生活环境一样，谁又能说我们是高等的生物呢？所以达尔文不用“进化”一词描述他的“经过改变的继承”理论，既因为这个词的专业含义与他的信念不同，又因为他不满意这个英语术语中所带的必然进步的含义。

通过赫伯特·斯宾塞（Herbert Spencer）这位勤奋的、在任何方面都很博学的维多利亚时期人物的倡导，“进化”才作为“经过改变的继承”的同义词进入英语中。在斯宾塞看来，进化是涵盖所有发展的定律。而且，对一位扬扬自得的维多利亚时期的人来说，除了进化，还有什么能主导宇宙的发展过程呢？因此，斯宾塞在1862年的《第一原理》（First Principles ）中给这个宇宙定律下了一个定义：“进化是物质及其消耗运动的整合，其中物质从不确定的、不一致的同质体变成确定一致的异质体。”

斯宾塞的工作在两方面对于确立进化的现代含义做出了贡献。首先，斯宾塞在写作那部流行的《生物学原理》（1864—1867）中，一直使用“进化”来描述生物界的变化。其次，他不是将进步看作物质内在的能力，而是看作内部作用力和外部（环境）作用力“合作”的结果。这种观点非常符合19世纪大多数生物进化的观点，因为维多利亚时期的科学家很容易将生物的变化等同于生物的进步。当许多科学家感到需要一个比达尔文的“经过改变的继承”更简明的词汇时，“进化”便被派上了用场。而且因为多数进化论者都将生物的变化视为趋向复杂性增加的过程（直达我们人类的过程），所以他们对于斯宾塞的概括性词汇的认识并没有破坏斯宾塞的进化定义。

具有讽刺意义的是，进化论之父似乎在独自坚持生物的变化只能导致提高生物更适应所生活的环境，而不导致由结构复杂性或异质性的提高来界定的抽象、理想的进步——绝不说高等和低等。假如我们留意达尔文的警训，我们便会谅解今天科学家与普通人之间存在的许多迷惑和误解。因为在那些早就抛弃进化与进步之间存在必然联系并将其视为最糟糕的人类中心说偏见的科学家中间，达尔文的观点已经取得了胜利。而许多普通人依然将进化等同于进步，并且将人类的进化不只看作变化，而且看作智力提高，等级提高，或还有其他一些所谓改善的标准。

现在比较广泛传播的反进化论文献——耶和华见证会 [13] 的小册子《人类来到这里是通过进化还是通过创生》中宣称，“用最简明的话说，进化指的就是生命从单细胞生物，经过数百万年，以一系列生物变化的方式，进化到生命的最高状态——人类……仅仅是生物基本类型的变化不能被视为进化”。

这种错误地将生物进化等同于进步的观念，一直有着不幸的后果。历史上，它产生了社会达尔文主义的滥用（达尔文本人有一点这种思想），这种臭名昭著的理论根据假设的进化程度排列人类种群与文化，并将（毋庸惊讶）白种欧洲人排在顶端，而将他们征服的殖民地排在底端。今天，这种思想仍然是致使我们在地球上傲慢的一个重要因素。我们相信，我们控制着居住在我们星球上几百万的其他物种，而不是与它们平等相处。“进化”一词的变更情况已经讲明白了，然而却不能为之做些什么。我当然也非常抱歉，科学家们挑选一个含有进步意思的本国语词汇，来指称达尔文的虽然不太悦耳但却准确得多的“经过改变的继承”时，确实存在着基本的误解。

4　对达尔文理论的过早埋葬

在众多的电影《圣诞颂歌》（Christmas Carol ） [14] 版本中，其中的一个有这样的场面，埃比尼泽·斯克鲁奇（Ebenezer Scrooge）正要拜访一位要死的伙伴雅各布·马雷（Jacob Marley）时，看到一位尊贵的绅士坐在楼梯上喘息。斯克鲁奇问道：“你是医生吗？”“不，”这个人答道，“我是殡仪经办人，我与医生从事的是竞争性的行业。”知识分子残酷的世界肯定是竞争很激烈的。宣称一个广为人知的观点的死亡是引人注意的事件。达尔文的自然选择理论一直是要被埋葬的候选者。最近，汤姆·贝瑟尔（Tom Bethell）在一篇题为《达尔文的错误》（《哈泼斯》杂志，Harpers，1976年2月号）的文章中还提到“我相信，达尔文的理论正处在垮台的边缘……许多年前，甚至最热心的支持者，都在静悄悄地抛弃自然选择”。对我来说，这真是新闻，而且我虽然以作为达尔文主义者而骄傲，但我却不是自然选择最热心的捍卫者。我想起马克·吐温（Mak Twain）对预先发表的讣告所做的著名答复：“有关我死的报道太夸大其词了。”

贝瑟尔的论据对许多从事实际研究的科学家来说，是个奇特的警告。我们已经有准备看到在新材料的影响下一个理论的衰亡，但是我们不希望一个伟大而有影响的理论因系统陈述中的错误而垮台。几乎所有注重经验的科学家都比较实在。科学家愿将学院哲学作为空洞的探讨而弃之不用。任何有头脑的人都可以直接凭直觉来思想。贝瑟尔并没有提供足以埋葬自然选择的材料，只引用了达尔文推论中的一个错误：“达尔文犯了一个动摇他的理论的严重错误。而这个错误最近才被认识到……正是在这一点上，达尔文误入歧途。”

虽然我打算否定贝瑟尔的观点，我还是为科学家不愿认真探求论据的结构而感到惋惜。正如贝瑟尔所称，进化论的变化并不大。许多著名的理论都是由含糊的隐喻和类比联系起来的。贝瑟尔正确地发现了环绕进化论的废话。但是我们之间有着本质的区别：在贝瑟尔看来，达尔文理论的核心已经腐坏，我却发现其中富含宝藏。

自然选择是达尔文理论的中心概念——最适者生存下来并将其优良的特性传播到整个群体中。自然选择是用斯宾塞的话“最适者生存”定义的。但这句著名术语的真正含义又是什么呢？谁是最适者？最适者是怎样确定的？我们通常看到的关于适应度的陈述无非是“差异的生殖成功”，即比起群体中其他的竞争成员来，生殖出更多的可以生存下去的后代。哇！贝瑟尔像以前的许多人一样，该大叫了。这个系统陈述只从生存的角度来定义适应度。自然选择的关键句子的含义不过是“那些生存下来的生存”——一句空洞的同语重复。［同语重复是这样的句子，如“我父亲是个男人”，其中宾语（一个男人）不含任何信息，也不紧扣主语（我父亲）。同语重复比较容易确定，而它不是可以检验的科学陈述，即定义中陈述的句子不含可以检验的真实内容］

但是达尔文怎么能犯这么一个重大而低级的错误呢？即使对他批评最严厉的人也没有指责过他愚钝。显然，达尔文必定尝试过另外的途径来确定适应度的差异，即不仅依据生存来做适应度的标准。达尔文提出过一个独立的标准，但贝瑟尔正确地指出达尔文是按照类比建立这个标准的，这真是一个危险不可靠的策略。人们可能以为像《物种起源》这样一部革命性的书籍的第一章可能涉及的是宇宙问题和一般性的论述。但不是。第一章谈的是鸽子。达尔文用了最初50页的大部分篇幅论述动物驯化者保持优良品性的“人工选择”。他在这里确实在使用一种独立的标准。养鸽者知道他要的是什么。最适者并不是从生存的角度确定的。最适者之所以可以生存，是因为它们具备了所需的特性。

自然选择的原则建立在与人工选择类比的正确性上。我们必须像养鸽者那样能预先确定最适者，而不是根据以后的生存来确定。但是大自然不是动物驯化者，没有预定的目的来调节生命的历史。在自然界，生存者所具备的特性必然被视为“比较进化的”；在人工选择中，在驯化开始前，“优良”的特性便已经确定了。贝瑟尔认为，后来的进化论者认识到达尔文类比的失败，并重新将“适应度”仅仅定义为生存下来。但是他们没有意识到他们已经动摇了达尔文中心设想的逻辑结构。大自然没有提供适应度的独立标准，所以，自然选择是同语反复。

随即，贝瑟尔提到从他的主要论据中得出的两个重要推论。首先，假如适应度指的是生存，那么自然选择怎么能成为达尔文宣称的“创造性”力量。自然选择只能告诉我们“一个特定动物类型”如何“成为数量多的”类型；利用自然选择不能解释“一种动物类型如何逐渐变成另一种类型”。为什么达尔文及其他一些维多利亚时期著名的人物那样确信无意识的自然可以与驯化者有意识的选择相比。贝瑟尔认为，工业革命成功的资本主义化氛围，已经将任何变化确定为内在的进步。在自然中仅仅生存下来可能就是好的：“那么人们便开始看到，达尔文真正发现的只不过是维多利亚时期人们信奉进步的倾向而已。”

我相信达尔文是对的，而贝瑟尔及其同僚是错的：独立于生存的适应度标准可以用于自然界，而且进化论者一直这样用着。但是我首先承认贝瑟尔的批评可以针对进化论的许多专业文献中、特别是将进化视为数量变化而非性质变化的抽象的数量分析研究。这些研究只是从差异生存的角度确定适应度。探讨只存在于计算机磁带中的假设群体基因A与B相对成功的抽象模型有何用处。然而，大自然是不受理论遗传学家的计算限制的。在自然界中，A优越B将通过差异生存来表达，但并不是由差异生存来确定，或至少不要这样去确定，免得让贝瑟尔等人获胜，达尔文失败。

我对达尔文的维护并不惊人、新奇，也不深刻，我只是认为达尔文以动物驯化类比自然选择是有道理的。在人工选择中，驯化者的欲念代表了群体的“环境变化”。在这样的新环境中，有些特性是优越的（它们生存下来并通过我们驯化者的挑选传播开来，但这是适应度的结果，而不是对适应度的确定）。在自然界中，达尔文式的进化也是对变化环境的反应。这里，关键在于，一定的形态、生理和行为的特性，像是设计好了的生活在新环境中，所以将是优越的。这些特性，从工程师出色设计的标准角度看，而不是从生存下来及传播的经验事实角度看，具有了适应度。多毛的哺乳类动物进化出绒毛外表之前天气已经冷了。

为什么这个问题引起进化论者这么激烈的争论呢？还好，达尔文是正确的。生物在变化的环境中具有优越的构造及功能是适应度的独立标准。然而为什么有人认真地认为糟糕的构造与功能会取胜呢？是的，实际上许多人提出过。在达尔文时代，许多竞争的进化论主张最适者（具有最出色的构造与功能）必然被抛弃。曾经使用过我现在办公室的美国著名古生物学家阿尔丰斯·海亚特提出过族的生命周期观点，在当时很流行。海亚特宣称，进化的谱系像个体一样，具有青年、成熟、老年和死亡（灭绝）的周期。衰落和灭绝是预定的。正是成熟导致衰老，构造及功能尚佳的个体死去，而脆弱谱系中迟钝、松垮的生物取而代之。另外一个反进化的观点直生论提出，一定的趋向，一旦产生，就不会停止，由于构造与功能愈加成为劣势，所以必然导致灭绝。许多（也许是绝大多数）19世纪进化论者认为，爱尔兰麋鹿的灭绝是因为角无法停止进化的增长（见文章9 ），所以它们死掉，碰到树干或陷入泥潭。同样，剑齿虎的死亡通常被认为是由于犬齿过长，以致这种可怜的猫科动物不能张开颌使用犬齿。

因此，并非贝瑟尔所称，生存下来的生物所具有的特性就是构造及功能更适应的。“最适者生存”并不是一个同语重复。这句话不仅仅是对进化记录的想象或理性的阐释。这句话是可以检验的。这句话胜过那种无法就生命性质的对立依据和不同态度间做出的权衡。这句话可以超越它本身字面上的局限。

如果我是对的，贝瑟尔又怎能声称：“我认为，达尔文正处在被抛弃的过程中，或许是出于对这个可敬的老绅士的尊重，所以他依然安卧在威斯敏斯特大教堂（Westminster Abbey）的艾萨克·牛顿爵士（Sir Isaac Newton）的旁边，正在做的只是慎重而温和地使他消逝。”他提到的“牛虻”有C.H.沃丁顿（C.H. Waddington）和H.J.穆勒，好像他们是观念一致的缩影。他从未提到我们这一代著名的选择论者，例如E.O.威尔逊（E.O. Wilson）或D.詹曾（D. Janzen）。而且他引述新达尔文主义的奠基者杜布赞斯基（Dobzhansky）、辛普森（Simpson）、迈尔（Mayr）和J.赫胥黎（J. Huxley）时，只是嘲讽他们关于自然选择是“创造力”的隐喻。（我并不是在宣称因为达尔文主义依然有声望所以才坚持它，我也是一只牛虻，相信没有批评的观念一致的确是风暴将至的信号。我仅仅是在报道，无论那是更好还是更糟，达尔文主义依然活着，而且还很兴旺，尽管贝瑟尔埋葬了它）

但是为什么自然选择被杜布赞斯基比作作曲家，被辛普森比作诗人，被迈尔比作雕刻师，以及被朱利安·赫胥黎比作芸芸众生的莎士比亚？我不想为这些比喻的挑选做辩护。但是我愿支持这种倾向，即说明达尔文主义的本质就是自然选择具有创造性。就我所知，所有反达尔文理论都攻击自然选择。自然选择被视作如同刽子手一样的否定作用，是不适者的屠夫（而按照这样的非达尔文主义机制，适应的产生是由于获得性遗传或环境直接引入有利变异）。达尔文主义的本质就在于其中宣扬的自然选择创造了适应。变异普遍存在，方向上是随机的。变异只提供原材料，是自然选择指导了进化变化的过程。自然选择保存了有利的变异，并逐渐形成适应度。事实上，就像艺术家从笔记、词汇和石头的原料中形成他们的创造，关于自然选择的隐喻并非不恰当。贝瑟尔由于没有接受独立于生存的适应度标准，所以他很难承认自然选择具有创造作用。

按照贝瑟尔的看法，达尔文的自然选择具有创造力的概念只不过是那个时代社会及政治激发出的幻想。在英帝国维多利亚时期的乐观主义形成中，变化被视为内在的进步。为什么自然界中的生存不能等同于不是同语重复意义上而是更佳结构和功能意义上的更高适应度呢？

我竭力主张一个普遍性的论点，科学探讨出的“真理”通常是当时流行的社会及政治信念激发出的偏见。我曾就这个问题写过几篇文章，因为我认为通过揭示科学实践与人类所有的创造性活动相似，从而有助于揭开科学实践的神秘面纱。但是一般论点的真理，并不说明在任何特定的应用中都是正确的，而且我坚持认为贝瑟尔的应用就是一种极为错误的误用。

达尔文分别做过两件事情：他使科学界相信进化的发生，并且提出自然选择的理论作为进化的机制。我情愿承认大家都将进化等同于进步，从而使达尔文的同代人感到他的第一种观点悦耳一些。但是达尔文终其一生都未使人们信服他的第二项探讨。直到20世纪40年代，自然选择理论才取得胜利。依我看，自然选择理论之所以没有在维多利亚时代被广泛接受，主要是这个理论否认在进化作用的内部存在一般的进步。自然选择是（生物）局部地适应变化环境的理论。自然选择理论没有提出更完美原则，不保证一般性的改善，简而言之，没有提供理由来认可那种赞同自然界存在固有进步的政治气氛。

达尔文独立的适应标准就是“改善的结构与功能”，但并不是当时英国人赞成的宇宙意义上的“改善”。对达尔文来说，改善只意味着“面对直接的局部环境具备更好的结构与功能”。局部环境不断变化：或冷或热，或干或湿，或成草原或成森林。自然选择导致的进化就是通过差异性地保持生物更佳的结构与功能，从而跟上环境的变化，并生活在这样的环境中；从任何宇宙意义上看，哺乳动物的毛发都不是进步。自然选择可能产生了一种趋势，诱导我们设想更一般意义上的进步——脑容积的增加成了不同哺乳动物种群进化的标志（见文章23 ）。但是大的脑容在局部环境中才有用途，并不存在向着更大状态变化的内在趋向。而且达尔文还曾得意地表明，局部适应经常产生出结构与功能的“退化”，例如寄生动物解剖结构上的简单化。

如果自然选择不是进步的理论，那么它的声望便不是对贝瑟尔所说的政治见解的反映。我坚持认为，或许天真了些，自然选择理论现在有增无减的声望，必定与它成功地解释了我们所拥有的公认不太完备的关于进化的信息有关。我甚至猜想，查尔斯·达尔文还会伴随我们一些时光。

[1] 罗西尼（1792—1868），意大利作曲家，以其歌剧著称，代表作有歌剧《塞尔维亚的理发师》和《威廉·退尔》等。——译注

[2] 塞耶斯（1893—1957），英国女作家，主要作品是侦探小说《谁的尸体《》九个裁缝》，其中塑造了机智、风趣的彼得·温姆西勋爵这一侦探形象。——译注

[3] 马尔萨斯（1766—1834），英国经济学家。——译注

[4] 弥尔顿（1608—1674），英国诗人，作品除短诗和大量散文外，主要是晚年写的长诗《失乐园》《复乐园》及诗剧《力士参孙》。——译注

[5] “熊”指大熊座的星星。我们都熟悉它的尾及后肢——大的北斗。“超凡的赫耳墨斯”是赫耳墨斯·特里斯梅古斯图（埃及智慧之神透特的希腊名字）。据说是他撰写了《密封书》，这是一部关于形而上学和魔法的著作集，在17世纪的英国有很大的影响。一些人将这部书视作与《旧约》同样重要的关于前基督教时期智慧的源本。但当发现这部书是亚历山大希腊时期的产物时，它的重要性降低了，但其中的一些观点依然保留在玫瑰十字会的教义中，我们的词汇中也还有“密封章”这个词。——原注

[6] 作者引用马克思的话时，年代有误，马克思写给恩格斯的这封信不是1869年，而是1860年12月19日。见《马克思恩格斯全集》中译本第30卷，1974年9月第1版，第131页。——译注

[7] 格罗佐·马克思（1890—1977），美国马克思兄弟喜剧演员班子成员。——译注

[8] 位于南太平洋的加拉帕戈斯群岛的海龟和鸣雀在达尔文以后的思想转变中起到了一定的作用。——译注

[9] 托利党和辉格党是英国历史上两大政党，托利党的政见比较保守，辉格党则带有自由主义色彩。——译注

[10] 摩西是前13世纪希伯来人的政治和宗教领袖，据说他带领希伯来人离开埃及，见《旧约·出埃及记》。挪亚方舟的故事出于《旧约·创世记》，上帝为惩罚人类，使天降大雨，地上洪水泛滥，但上帝认为诺亚是个义人，命他造一只方舟，将自己的家人及一些动物带上方舟，安全渡过洪水。——译注

[11] 在德文、英文、法文中，进化为“evolution”。——译注

[12] 译文引自周建人、叶笃庄、方宗熙译，叶笃庄修订《物种起源》（修订版），商务印书馆，1995年，第557页，略有改动。——译注

[13] 19世纪后期由查尔斯·T.拉塞尔在美国创立的一个基督教派，认为“世界末日”在即，主张个人与上帝感应交流。——译注

[14] 原著为英国作家狄更斯的小说。——译注

第二部分
人类的进化

·　等级问题

·　人类的枝状进化与梯状进化

·　小孩是人类真正的父亲

·　人类的婴儿是胚胎

5　等级问题

在《亚历山大的宴席》（Alexander 's Feast ）中，约翰·德莱顿（John Dryden） [1] 描述了他的英雄在酒足饭饱之余，重述他的那些业绩辉煌的故事：

国王自得难按；
将打过的战役又打了一番；
再一次击溃了所有的敌人，
将已经杀掉的又杀了一遍。

150年以后，托马斯·赫胥黎（Thomas Henry Huxley）在与理查德·欧文（Richard Owen）就海马回的争论中取得决定性胜利后，不愿乘胜追击，他援引了同样的想象：“我们的生命太短了，不能将已经杀掉的再杀一遍。”

欧文通过提出人脑中有一种小的回转部（海马回），在黑猩猩和大猩猩（及其他所有生物）中则没有，只存在于智人（Hoao Smpiens）中，而确立我们的独特性。但已经解剖过灵长类的赫胥黎——当时正准备他的著作《人在自然中位置的依据》（Evidence as to Man 's Place in Nature ）——则明确表示，所有的猿都有海马回，而且灵长类脑的不连续性只存在于猿猴（狐猴和眼镜猴）与其他灵长类（包括人类）之间，而不存在人与猿之间。在1861年4月这一个月里，整个英国都在关注她的两位最伟大的解剖学家关于脑中一个小小突起的无休无止的争论。《笨拙》（Punch ）周刊嘲笑地用韵文记述了这个事件，而查尔斯·金斯利（Charles Kingsley） [2] 在1863年出版的少儿经典读物《水孩儿》（The Water Babies ）中详细写了“海马回”。他提到，假如找到了小水孩儿，“他们会赋予他灵气，或登在《新闻画报》（Illustrated News ）上，或者把这个可怜的小东西切成两半，一半送给欧文教授，一半送给赫胥黎，看他们如何谈论”。

那时西方社会已经容纳了达尔文及其进化论的含义。海马回的争论却是清楚地表明了这种调和中的最大障碍，即我们不愿意接受我们与自然之间存在连续性，我们热衷于寻找证明我们人类独特性的标准。伟大的博物学家一而再再而三地阐明一般的自然理论，却将人类视作唯一的例外。查尔斯·莱尔（Charles Lyell）认为世界是静态的（见文章18 ），生命的复杂性不随时间而变化，所有生物的结构与功能从一开始就保持不变；人类是地质时期中瞬间创造出来的，在其解剖结构与功能恒定的基础上，精神的特征一跃而现。而阿尔弗莱德·拉塞尔·华莱士（Alfred Russel Wallace）作为一名热情的选择论者，在坚决地坚持自然选择是进化变化中唯一指导力量方面，比达尔文还达尔文，也认为在解释人脑方面是个例外（后来他转向唯灵论）。

而达尔文虽然接受了严格的连续性观点，却不愿意表达他的异端。在《物种起源》（Oringin of Species ）第一版（1859）中，他写道：“有关人类的起源和他的历史将会阐明。”后来的版本中加上了强调句“更加”。只是到了1871年，他才有勇气出版《人类的由来》（The Descent of Man ，见文章1 ）。

长期以来黑猩猩和大猩猩一直是我们探讨人类独特性时争论的问题。因为假如我们在种类上而不是程度上区分我们人类与我们的近亲，我们便为长期探讨我们在宇宙中的自大找到了理由。这场争论很久以前就不再是简单的关于进化的争论，有教养的人现在已经接受了人与猿之间存在连续性的观点。但是我们与我们的哲学和宗教遗产有着非常密切的联系，所以我们仍在寻找我们与黑猩猩之间在能力上的严格区别。正如赞美诗中所唱：“什么是人，人有心灵，人仅次于天使，人充满光荣和荣誉感。”人们尝试过许多标准，而这些标准一个接一个地失效了。唯一诚实的选择是承认我们与黑猩猩之间在种类上是连续的。这样我们又失去了什么呢？只是古老的灵魂概念变得更加微不足道，而且还弘扬了我们与自然统一的观点。我提出三个标准，从而比起其他的观点，甚至比起赫胥黎大胆的设想，更加认为人类与黑猩猩关系很近。

1. 欧文传统的形态独特性。赫胥黎永远熄灭了那些寻找人与猿之间解剖上不连续的热情。然而，在某些方面，这种寻找还在继续。成体黑猩猩与人类之间的差别是显而易见的，但并不是种类上的差别。无论各部分，还是器官的位置，我们都是一样的；只是在相对的体积和生长的速率上，我们存在着差别。D.斯塔克（Prof.D. Starck）教授及其同事本着德国解剖学研究重视细节的特点，最近研究得出结论，人与黑猩猩的颅骨之间仅有量上的差别。

2. 概念上的独特性。自从欧文溃败之后，没有哪个科学家再坚持推出解剖学的依据了。相反，人类独特性的捍卫者则坚持认为人与黑猩猩之间在心智能力方面存在不可逾越的隔阂，为了证明这种隔阂，他们一直在寻找明确的区分标准。早一代的人援引使用工具，但是聪明的黑猩猩可以使用各种人工制品去获取难以得到的香蕉，或释放被囚禁的同伴。

最近的观点则集中在语言和概念化上，这是种类上潜在差别的最后堡垒。早期教授黑猩猩谈话的实验显然不成功，仅仅使黑猩猩产生出轻微的喉声和微弱的发音。一些人由此得出结论，这种失败反映了中枢构造上的缺陷。但这种解释显得太简单了，很不深刻（当然如何说明在自然条件下黑猩猩的语言能力还是次要的问题）：黑猩猩的声带构造使它不能发出连续清晰的声音。如果我们能找到另外的途径与黑猩猩交流，我们可能会发现它们远比我们设想的要聪明。

但是现在所有的报纸读者和电视观众已知道另一种方法产生出的惊人成果，利用聋哑人的手语与黑猩猩进行交流。当耶基斯实验室（Yerkes Laboratary）的明星学生拉娜（Lana）开始询问它以前从未看到过的东西的名称时，我们还能否认黑猩猩也具备概念化和抽象的能力吗？这不只是巴甫洛夫式的条件反射。1975年2月，R.A.加德纳和B.J.加德纳（R.A. Gardner and B.T. Gardner）报道了他们利用手语训练刚出生的小黑猩猩的结果。（哇！他们以前的研究对象是一岁后才开始进行手语训练的，经过六个月的训练，它的词汇中仅有两个信号）三个月之后，两只黑猩猩都开始做出可识别的信号。其中一只黑猩猩莫雅（Moja）在13个月后，已经会了四个词：来给我，走，多，喝。它们现在的进步并不比人类中的孩子慢（我们通常只是等待孩子的讲话，并不了解孩子在讲话之前向我们做出的信号）。当然，我并不相信我们与黑猩猩之间在心智上的差别仅仅是抚养的问题。我并不怀疑与人类的孩子获得的成就相比，这些幼小黑猩猩的进步相对会慢下来。我国下一任总统不会是另一个物种。然而，加德纳家人的工作还是令人惊奇地证明了我们是如何低估了我们在生物学上最近的亲戚。

3. 遗传学上的整体差异。即使我们承认从单一特征和能力上无法完全区分人类与黑猩猩，至少我们能够证明我们与黑猩猩之间有很大的遗传的整体差异。总之，这两个物种外形区别很大，而且在自然条件下做不同的事情。（虽然实验室里的黑猩猩表现出了准语言能力，我们还没有证据证明它们在野外具有丰富的概念交流）但是，最近玛丽-克莱恩·金（Mary-Claire King）和A.C.威尔逊（A.C. Wilson）发表了关于这两个物种遗传差异的观点（《科学》，Science，1975年4月11日），而且我想这个结果将推翻多数人仍然坚持的一种先验性的偏见。简单地说，他们利用所有的生化技术，尽可能多地检测蛋白质，发现这两个物种遗传上的整体差异很小。

两个物种形态差异很小，功能上分离，而且在自然中是生殖隔离的群体，进化生物学家称之为“兄弟种”。比起属于同一属但形态差别明显的物种（同属种），兄弟种的遗传差异要小得多。而黑猩猩与人类显然不是兄弟种，就是按照通常的分类实践，我们甚至也不是同属种（黑猩猩属于黑猩猩属，Pan，我们属于智人属，Homo sapiens）。然而，金和威尔逊已经表明，人类与黑猩猩之间的遗传整体差距比兄弟种之间的平均差距小，比测试过的任何同属种之间的差距更小。

一个出色的悖论。虽然我执着地认为我们的区别只是程度上的，但我们仍然是不同的动物。假如遗传整体差距非常小，这种差距在形态上和行为上会造成什么影响呢？按照原子论的观点，生物的每一个特性是由一个基因控制的，那么我们就不能将解剖上的不相似与金和威尔逊的发现协调起来，因为形态和功能上的差异是基因上许多差异的反映。

答案肯定是一些种类的基因效应更大，这类基因必定影响整个生物，而不仅仅是单个特性。即使遗传整体差异不大，这些关键基因的少量变化也可能使两个物种发生很大的差异。所以，金和威尔逊试图通过将我们与黑猩猩之间的差异归因于调节系统的突变，来解决这个悖论。

肝细胞和脑细胞都由同一染色体的同一基因控制，它们的根本差异并非是由于基因构成，而是发育的不同途径。在发育中，不同的基因在不同的时间开启和关闭，这样，即使是同一遗传系统，也产生出不同的结果。事实上，胚胎发育的奇妙过程必定是通过基因活动精巧的定时来调节的。例如，导致来自同源肢芽的手的差异性，必定是细胞突然在某些区域生长迅速（形成手指），而在某些区域则死亡（手指之间）。

许多遗传系统肯定专门负责确立发育事件的定时，即负责基因的开启和关闭，而不负责决定特定的特性。我们将控制发育事件定时的基因视作调节系统。显然，每一调节基因的变化都会对整个生物造成巨大的影响。延迟或加速胚胎发育的某一关键事件，整个发育过程都会随之改变。金和威尔逊因此认为人类与黑猩猩之间的主要遗传差异，在于最重的调节系统存在差异。

这是合理的（甚至必然的）假说。但是我们了解这种调节差异的性质吗？我们现在都不能确定其中所含的特定基因是什么，这样，金和威尔逊等于什么也没说。他们写道：“对今后人类进化的研究来说，最重要的是去证明黑猩猩与人类发育中基因表达定时上的差异。”但是我相信我们会了解这种定时变化的基础。正如我在文章7 中提出的，智人种基本上是一种幼态持续的物种，我们通过放慢发育速度而由类猿祖先进化而来。我们会发现导致我们比所有灵长类相同的个体发育趋势放慢及使我们保持幼体生长趋势和比例的调节变化。

人类与黑猩猩之间遗传差距很小这一点，可能会诱使我们去设想最具潜在兴趣但道德上却难以接受的科学实验：杂交我们两个物种，以探讨其后代像什么，至少部分是个黑猩猩。这种杂交极有可能，因为我们之间的遗传差距太小了。但是为了避免出现一种完全可以和猿的行星上的英雄（指我们人类）相比的种族，我需要补充说明，这样杂交的后代应该是完全不育的，就像出于同样理由培育出的骡子一样。人类与黑猩猩之间的遗传差异很小，但其中至少包括十个大的倒位和移位。倒位是染色体片段的扭转。每一个杂交细胞中将有一组黑猩猩的染色体和一组人类的染色体。卵和精子通过所谓减数分裂或还原分裂产生。细胞分裂之前，每一个染色体必须与其对应的染色体配对（相聚在一起）。这样，相对的基因相互配对。每一个黑猩猩的染色体必须与人类的相应染色体配对。但是，假如与黑猩猩相应染色体配对的人类染色体上的片段倒位了，那么没有染色体片段精致的回转和扭曲，基因对应的配对便不能发生，而染色体片段的回转与扭曲又会妨碍细胞的成功分裂。

这种实验很有诱惑力，但是我相信将一直严禁从事这种配对的实验。而且，我们一旦发现如何与我们最近的亲戚交谈，这种实验的诱惑无论如何也会减小。我想我们可以直接通过黑猩猩了解到我们想要知道的事情。

6　人类的枝状进化与梯状进化

我的第一个古生物学教师老得像他谈论的一些动物。他按照一本发黄的笔记讲课，这个笔记可能是他在读研究生时积累的，里面的词汇年年不变，纸却变得越来越陈旧。我坐在第一排，每当他翻纸时，破碎的黄色纸屑便会扑面而来。

谢天谢地，他没有教过人类的进化。近年来迅速挖掘出一些新的意义重大的前人类化石，以至于任何讲义都只能用一句基本上非理性经济的口号来形容——计划过时。每年当我在课上讲到这一主题时，我只有打开我的旧文件夹，倒出最新文件中的内容。这里我继续这样做。

1975年3月31日，《纽约时报》（New York Times ）头版头条写道：“在坦桑尼亚发现的化石将人类的历史追溯到375万年前。”著名的利基家族中未被讴歌过的英雄玛丽·利基博士（Dr. Mary Leakey）在335万年至375万年火山灰沉积岩的化石层间，分别发现了至少11个个体的下颌骨和牙齿。［玛丽·利基常被称作路易斯的遗孀，她是一位著名的科学家，取得的成就，甚至比起她那声名显赫的亡夫的成就更令人信服。人们常将她发现的许多化石归功于路易斯，其中包括奥杜威（Olduvai）的“核桃钳人”（nutcracker man），即南方古猿鲍氏种（Australopithecus boisei），这是他们的第一个重要发现］玛丽·利基把这些碎片归类为属于我们人属生物的遗骸，大概属于路易斯·利基最先描述过的东非种能人（Homo habili）。 [3]

那又怎么样？1972年，哈佛的古生物学家布赖恩·帕特森将一块产于东非的颌骨确定为是550万年前的。不过，他将这块碎片划归为南方古猿属，而不是人属。但是南非古猿被广泛地看作人属的直接祖先。分类学的惯例要求奖励对一个进化谱系的不同阶段所做的命名。然而，这个习惯不应该使生物学上的实在变得模糊。假如能人是南方古猿阿法种的直接后代（以及假如这两个物种在解剖特征上只有少量差异），那么最古老的“人类”可能会像最古老的南方古猿一样的古老，而非人为设定的人种中最古老的成员。那样的话，找到了比最古老的南方古猿晚150万年的一些颌骨和牙齿有什么可激动的呢？

我相信玛丽·利基的发现是近十年来第二个最重要的发现。为了解释我的激动，我必须提供有关人类古生物学的一些背景，并讨论进化论中的一个基本的、但很少为人所认识的问题，按照进化变化的比喻，就是“梯状”（进化）与“枝状”（进化）之间的矛盾。我想指出，就我们所知，南方古猿可能不是人类的祖先，而且无论如何，进化之路都不是梯状的。（我所说的梯状指的是通常将进化描绘成连续的祖裔顺序）玛丽·利基发现的下颌骨和牙齿是我们所知的最古老的“人类”的下颌骨和牙齿。

许多人认为人类的进化是梯状的。我们一直在寻找连接猿的祖先与现代人类之间经过逐渐连续转变的单一进化顺序。“缺失的环节”或许更应称作“缺失的梯级”。如英国生物学家J.Z.杨（J.Z. Young）最近在他的《人类研究导论》（Introduction to Study of Man ）（1971）一书中所说：“一些杂交但变化的群体逐渐变成我们认作智人种的状态。”

具有讽刺意味的是，正是梯状的比喻首先否定了南方古猿在人类进化中起过作用。南方古猿阿法种（A. africanus）完全直立行走，但大脑容积比我们人类的要小1/3（见文章22 ）。当20世纪20年代发现南方古猿阿法种时，许多进化论者还相信所有的特性变化应符合进化的谱系，即“类型和谐转化”。一种直立但脑小的猿只代表了肯定早就灭绝的异常分支（我想，真正的中间类型，大概是半直立的，脑容积为我们人类的一半的动物）。但是，随着20世纪30年代现代进化理论的发展，对南方古猿的异议消失了。自然选择可以在进化过程中独立地作用于适应的特性，在不同的时间，以不同的速率改变这些特性。古生物学家将这种特性潜在的独立性称作“镶嵌进化”。

在镶嵌进化的作用下，南方古猿阿法种荣登（人类）直接祖先的崇高位置。正统的学说认为人类的进化是种三级梯子：南方古猿阿法种——直立人（爪哇人和北京猿人）——智人种。

20世纪30年代，发现了所谓粗壮形的南方古猿，南方古猿硕壮种（A.robustus）（以及后来玛丽·利基于50年代后期发现的更极端的硕壮种，南方古猿鲍氏种，A.boisei），这样便出现了一个小问题。人类学家不得不承认南方古猿的这两个种生活的时期相同，即梯子上至少包括两个分支。然而，南方古猿阿法种的远祖地位并没有受到挑战：它只不过有了一个次要的、根本不成功的后裔，脑小，颌骨大的硕壮谱系。

然而，在1964年，路易斯·利基及其合作者通过命名东非的一个新种，能人（Homo habilis），而从根本上重新评价了人类的进化。他们相信能人与上述两个南方古猿谱系生活在同一时期，而且，如其名称所示，他们认为比起同时生活的南方古猿，能人更明显地像人。对坚持梯状进化的人来说，这可是个坏消息：三个共存的前人类谱系！而且一个潜在的后裔（能人）生活的时期与设想的祖先生活的时期相同。利基发表了实属异端的看法：两个南方古猿谱系都是旁支，在智人种的进化中不起直接作用。

但是，由于两个原因，利基确定的能人引起了争议。传统的梯状观仍然受到捍卫。

1. 能人的化石很零碎，而且属于不同的地点和时期。许多人类学家认为利基的确定混合了两个不同的东西，两者都不是一个新的种：一些更古老的物质大概应属于南方古猿阿法种，一些晚近的化石属于直立人（H.erectus）。

2. 时期不清楚。即使能人代表了一个种，它可能比大多数或所有已知的南方古猿更年轻。正统的学说可能变成了有四个梯阶的梯子：南方古猿阿法种——能人——直立人——智人。

但是，就在这种扩充的梯状观点开始取得一致时，路易斯·利基和玛丽·利基的儿子理查德在1973年报道了他十年来的发现。他挖掘到一个几乎完整的颅骨，脑容量差不多800毫升，大概是南方古猿阿法种的两倍。而更关键的是，他凭着好古的偏好，标定这个颅骨是属于230万年前的，即比大多数南方古猿的化石都古老，但不及最古老的550万年的南方古猿。能人不再是路易斯想象出的怪物。（理查德的样品通常慎重地以产地的数码来标定，ER-1470。但是无论我们是否选用能人这个名称，它确实是我们人属中的一员，而且它确实与南方古猿属于同一时期）

现在玛丽·利基已经将能人缩回了100万年前（正如许多专家相信的那样，ER-1470可能更接近200万年前而不是更接近300万年前）。能人不是已知的南方古猿阿法种的直接后裔，这些新的发现事实上比几乎所知的南方古猿阿法种样品都古老（而所有这些零碎样品的分类学地位是否比玛丽·利基的能人更古老尚有争议）。根据我们已知道的化石，人属像南方古猿一样古老。（你还可以认为人类是从一种更古老的但尚未发现的南方古猿进化来的。但是还没有证据支持这种观点。而我也可以根据同样的理由猜想南方古猿可能是从一种尚不知道的人属进化来的）

芝加哥的人类学家查尔斯·奥克斯纳德曾经认为南方古猿有另一个来源。他利用严密的多变量分析技术（从统计学角度同时考虑大的测量数目），研究了南方古猿、现代灵长类（大型猿和其他猴子）和人属的肩、盆骨及足。他的结论是，南方古猿与猿和人类相比，有着“独特的差异”，当然许多人类学家都不同意他的结论。他还提出将脑容较小、极为独特的南方古猿属的不同成员组成与人类谱系不相连的一个或几个平行的谱系。

假如我们必定识别出三个共存的人科谱系（南方古猿阿法种，粗壮南方古猿和能人）中并没有相互由来的关系，人类的梯状进化又怎么能成立？而且在它们生居在地球的时期，三者都不曾表现出任何进化的趋势。它们即使进化到今天，也没有一个种能变成脑容更大或更加直立的类群。

话说到这里，我诚惶诚恐地承认，我深知那些纷纷写信给我的特创论者一定会想：“看，古尔德也承认我们不能在早期非洲人科中发现进化的阶梯；物种出现又消失，外形与远祖没有区别，听起来像是特创。”（当然有人可能要问，为什么上帝认为应当造就那么多人科种类，而且为什么他的后期作品直立人特别像人而不像早期的人科动物）我认为这并不是进化本身的错误，而是我们多数人所持的进化过程的错误图景，即梯状进化，因此我们要转向枝状进化的主题。

我想指出，在化石记录中，物种“突然”的出现，以及我们没有找到它们以后变化的记录，正是我们理解的进化理论的恰当预期。进化通常是一种“物种形成”过程。从亲原种分裂出一个谱系，而非大的亲原种的缓慢而逐渐的变化。物种形成的重复间隔构成枝状图景。进化的“顺序”并不是像一个梯子上的梯阶，我们经过重溯再造发现那是一种迂回的途径，经过的路程像是一条曲径，从枝形图景的基点到现在生存至顶端的谱系，是一个又一个分支。

物种形成是如何发生的？这是进化论中一个长期的热点问题，不过多数生物学家会将物种形成归因为“异域理论”（争论的中心是对其他模式的承认程度；几乎多数人都同意异域的物种形成是最常见的模式）。异域指的是“在其他地区”。按照恩斯特·迈尔倡导的异域理论，新种是从在原来亲种分布地区的外周地带与亲种隔离的非常小的群体中产生出来的。按照进化的标准，在这种小的隔离体中，物种形成非常迅速，只需数百年或数千年（地质时间上属于微秒）。

在这种小的隔离群体中，有可能发生显著的进化变化。有利的遗传变异能很快地在群体中传播。而且在物种仅有立足点的地理边缘地区，自然选择的作用增强。而另一方面，在大的中央群体中，有利的变异传播得很慢，许多变化被适应的群体顽固地抵消了。在变更缓慢的环境中，生物的变化很小，但是在形成新物种的外周隔离的小群体中，几乎总是发生显著的遗传变化。

假如进化的发生差不多总是通过外周小隔离体中的迅速物种形成，而不是通过大的中央群体中的缓慢变化，那么化石记录应该是什么样的呢？我们不可能发现物种形成事件本身，在很小的群体中，这样的事件发生得太快，与原生区域又隔离得太远。我们看到成为化石的新物种是这个物种已经进入祖先区域并变成大的中央群体了。在这种化石记录记载的历史中，我们不可能看到显著的变化，因为我们知道一个物种时，它已经成为成功的中央群体。只有当它的外周隔离体通过物种形成变成枝状进化图景中的分支，该物种才将参加到生物变化的过程中。但是这个物种本身在化石记录中将“突然”出现，并且以后迅速地突然灭绝，形态上没有明显变化。

非洲化石人科动物完全符合这样的猜测。我们知道人类枝状进化的三个共存的分支。如果到20世纪末之前又有两倍以上这样的分支再被发现的话，我不会感到惊奇。这几个分支在有记载的历史中并没有发生变化，而且假如我们正确理解进化的话，它们应不是新分支的产物，因为进化的发生集中在物种形成的迅速事件上。

我们智人并非是一开始就向着崇高位置迈进的预定梯状进化的产物。我们仅仅是曾经繁茂的枝状谱系中一个生存下来的分支。

7　小孩是人类真正的父亲

庞斯·德莱昂（Ponce de Leon）在他发现的阳光灿烂的幽静地区寻找不老泉。中国的炼丹师通过将没有腐坏的新鲜物品与经久不变的黄金掺和在一起炼制长生不老药。我们有多少人步浮士德的后尘，与魔鬼做交易以换取生命的永恒？

但是我们文献中也记载了长久不死的潜在问题。华兹华斯（Wordsworth） [4] 在他著名的一首诗歌中，提出孩童的美丽容貌“像青草中的光彩，像花朵中的欣荣”，不能再现，所以他劝我们“与其悲伤，不如找到（青春的）背后蕴藏的力量”。奥尔德斯·赫胥黎（Aldous Huxley） [5] 写过一部小说——《天鹅最后的哀歌》（After Many a Summer Dies the Swan ），说明永恒并非单纯的幸事。乔·斯托伊特（Jo. Stoyte）具备了只有美国的百万富翁才有的傲慢，他开始追求长生不老。斯托伊特雇用的医生奥比斯波博士（Dr. Obispo）发现戈尼斯特第五伯爵通过经常摄取鲤鱼的内脏，使生命健康地延长到200岁。他们来到英国，闯入伯爵戒备的宅邸，令斯托伊特恐惧和奥比斯波震惊的是，伯爵和他的情人已经变成了猿。我们起源的可怕真理呈现了：我们通过保持祖先年轻的特征而进化。这个过程的专业叫法是幼态持续（neoteny）（字面上意思就是“保持年轻”）。

“胚胎状的猿需要时间才能长成，”奥比斯波终于故作行家地说，“这真是太好了！”他脸上又浮上了笑容……斯托伊特先生抓住他的肩膀愤怒地摇动着……“他们怎么了？”“很正常。”奥比斯波轻快地说……这种胚胎状的类人动物可以成熟……第五伯爵并没有从他坐着的地方移开，就把尿撒到了地上。

奥尔德斯·赫胥黎的主题来自荷兰解剖学家路易斯·伯克（Louis Bolk）20世纪20年代提出的“胎化学说”（fetalization theory）（奥尔德斯大概从他哥哥朱利安那里听到这个学说的。朱利安做过一些关于爬行动物延迟变态的重要研究）。我们与其他灵长类，或一般的哺乳动物，有许多幼年的特征（不是成年的特征）是相同的，伯克的观点就是建立在这一点上。伯克列举的特征有20多个，其中包括：

1. 我们圆球状的头盖骨，即我们脑的房屋。胚胎期的猿和猴子都有类似的头盖骨，但它们脑的增长要比身体其他部位的增长慢得多（见文章22 和23 ），成体的颅拱变得比较低比较小。我们的脑本身大概由于延续了胚胎期的迅速增长速度，所以体积比较大。

2. 我们“幼年的”脸，直的面廓，颌小，牙小，平缓的眉边。幼年猿的颌骨同样比较小，但颌骨比颅骨的其他部位生长得要快，所以成了成体前突的吻部。

3. 枕骨大孔（我们颅骨连接脊椎的孔）的位置。在胚胎期间，与多数哺乳动物一样，我们的枕骨大孔位于颅骨下侧，孔朝下。我们的颅骨位于脊骨的顶端，当我们站直时，我们看上去有些前倾。在其他哺乳动物中，这种胚胎定位的变化使枕骨大孔变到颅骨的后侧，孔朝后。这样的位置适合了四足生活，因为这样的话，头位于脊椎的前方，眼睛朝向前方。常被引为人类标志的形态学特征就是我们大的脑、小的颌和直立的姿势。幼年特征的保留可能在进化中起到过重要的作用。

4. 颅骨的骨缝出生后才闭合，以及骨骼延迟骨化的其他特征。婴儿有一个小的“囟门”，这个颅骨的骨缝直到一定的年龄才完全闭合。这样我们的脑便可以在出生后继续明显增长。（在其他多数哺乳动物中，脑几乎在出生后便完成了增长，颅骨也完全骨化）一位著名的灵长类解剖学家曾经指出：“虽然人类比其他灵长类在子宫内生长的体积要大，但是他出生时骨骼的成熟并不比我们所知的猴子或猿进步到哪儿去。”只有人类的长骨端和指趾在出生时依然是软骨化的。

5. 妇女阴道的腹向性。我们面对面地性交最适意，因为我们身体的构造适于这种方式。在哺乳动物的胚胎中，阴道也向前，但在成体中，阴道变成向后，所以雄性从身体背侧交媾。

6. 我们僵硬、不能旋转而且与其他脚趾不相对的大脚趾。绝大多数灵长类的大脚趾和我们的位置一样，与其他的脚趾相连，但是可以向两边转动，并与其他脚趾相对，这样可以有效地抓握。我们通过保留幼年的特性产生出利于行走的强壮的脚，使直立的姿势得到了加强。

伯克列举的特征令人难忘（这里只是其中的一小部分），但是他将自己的观察结合在一个学说中，而这个学说使他的那些观察也随着被遗忘，并且这个学说还使奥尔德斯·赫胥黎得出反浮士德的隐喻。伯克提出，我们身体荷尔蒙平衡的改变会使整个发育延缓，从而使我们发生进化。他写道：

如果要用更强调的话来表达我的观点的基本原则，我想说，在身体发育中，人是已经性成熟的灵长类胚胎。

或者再引用奥尔德斯·赫胥黎的话来说：

存在着腺体的平衡……然后突变发生，开通了另一条途径。你得到一种发音速度延迟的新平衡。你长大了，但你成长得很慢，以致在你像你的远祖的胚胎之前，你就已经死了。

伯克并没有从这种明显的含义中退缩。假如我们所有的特征是因为发育时荷尔蒙分泌的突然中断，那么荷尔蒙还可以轻易地再分泌，伯克写道：“你们将注意到，等到薄弱的延迟力再活跃起来的话，那么在以后的条件下，许多我们称作类猿的特征还会存在于我们的身体上。”

造物主是多么的脆弱！猿滞留在我们的发育中，只有通过腺体发育中的化学转化才能显出神的光芒。

伯克提出的机制从未赢得过许多人的支持，而且随着现代达尔文主义学说在20世纪30年代的建立而变得荒谬可笑。一种简单的荷尔蒙变化怎么能产生如此复杂的形态反应。并不是我们所有的特征都是延迟的（例如长的腿），而是有些特征表现出不同程度的延迟。器官分别的进化，以对不同的适应做出反应，这个概念我们称作镶嵌进化。不幸的是，伯克出色的观察也在人们对他古怪机制的合理批评的炮火中淹没了。现在，人类幼态持续的理论在人类学教科书中通常只占一两行的字。然而，我却相信这个理论基本上是正确的；幼态持续在人类进化中即使不是最重要的、也是本质性的问题。但是我们怎样将伯克的观察从他的理论中离析出来呢？

假如我们一定要将论点建立在种种幼态持续的特征上，那么我们不会成功。镶嵌进化的概念表明，器官面对不同的选择压力，将按不同的方式进化。幼态持续的支持者列出了他们认为的特征，反对者也有他们的证据清单，争论很快便暂停。谁敢说哪个特征是“更基本的”？例如，最近一位幼态持续的支持者写道：“多数动物的某些特征发育迟缓，某些特征发育迅速……关于平衡，我想在人类中，比起其他动物来，迟缓的特征远比加速的特征重要。”但是一位批评者则宣称：“幼态持续特征与非幼态持续的关键特征相比是次要的。”幼态持续远比列举出的延迟性状更符合基本的要求，必定能证明幼态持续是作用于人类进化过程中的一种预期结果。

幼态持续的观点最初是在反对19世纪占统治地位的重演论中出名的。重演论宣称动物在胚胎中和出生后的生长中重复祖先的成体阶段——个体发育重演系统发育，我们都在高中的生物学中学到过这句奇妙的话。（重演论者认为，我们胚胎中的鳃裂代表了我们由来过程中经历过成体鱼的阶段）假如重演是正确的（然而它不是），那么在进化史中特征将是加速的，因为只有发育加速了，祖先的成体性状才能变成后裔的幼体阶段。但是幼态性状是延迟的，是祖先的幼体特征在后裔成体阶段的推迟表现。因此，在加速发育与重演以及迟缓发育与幼态持续之间存在一般的对应。如果我们在人类的进化中可以证明一般的迟缓，那么关键特征的幼态持续便不仅仅是人们依据经验列出的图表，而是一种预期的结果。

我不相信能够否认延迟是进化中的一个基本事件。首先，灵长类与其他多数哺乳动物相比，一般是延迟的。与体积差不多的其他哺乳动物相比，灵长类的生命更长一些，而且成熟得更缓慢一些。这种趋势贯彻于灵长类的整个进化。猿一般比猴子和原猴类体形更大，成熟得更缓慢，生命更长。我们生活的过程和节奏已经明显地慢下来。我们的孕期比猿的略长一些，然而我们的新生儿的身体要更重一些，大概是因为我们延缓了胚胎快速生长的速率。我已经提到过我们骨骼骨化的延缓。我们的牙齿生出得很晚，我们成熟得很晚，我们的生命更长。即使在其他的灵长类中相应的器官已经停止生长，我们的系统却继续生长。出生时，恒猴的脑占身体体积的65%，黑猩猩的脑占身体体积的40.5%，我们则仅占23%。在出生后的第一年，黑猩猩和大猩猩的脑容为最终脑容的70%，而我们人类则要过三年才能达到这个水平。著名的儿童发育专家W.M.克罗格曼（W.M. Krogman）曾经写道：“在所有生物中，人类的幼年期、童年期和少年期绝对是最延迟的。也就是说，人类是幼态持续的或生长期长的动物。他的整个生命周期的几乎30%都用于生长。”

我们的发育缓慢并不保证我们在成体时依然保留大量幼年的特征。但是因为幼态持续和延迟发育一般相互关联，所以延迟确实提供了顺利保留任何适应于后裔成年生活方式的幼年特征的机制。事实上，幼年特征是后裔潜在适应的贮存室，这些特征在发育明显延迟的情况下可以便利及时地利用起来（例如像前面讨论过的胚胎灵长类的非相对的大脚趾和小的面部）。在我们人类的情况中，幼年特征的“利用”显然控制了我们许多明显适应的途径。

但是延迟发育本身具有什么适应意义呢？这一问题的答案大概在于我们的社会进化。我们是杰出的习得动物。我们并不特别强壮、敏捷，并没有尚佳的结构和功能；我们的生殖速率也不快。我们的优势就在我们的脑，它有出色的通过经验学习的能力。为了增加我们的学习，我们已经通过延迟性成熟而延长了我们的童年，到了青春期我们才向往独立。我们的孩子与父母的联系期很长，这样便增加了他们的学习时间，同时也加强了家庭的纽带。

这个观点是古老的，但依然讲得通。约翰·洛克（John Locke） [6] （1689）盛赞我们长期的童年使父母保持了结合：“无论如何应该承认伟大造物主的智慧，他……使男人与女人共处的时间必然比其他动物的雄性和雌性之间的相伴延续得更长。这样有利于他们的事业，使他们的兴趣很好地结合了，为他们从事共同的事情做好了准备，奠定了良好的基础。”而亚历山大·蒲柏（Alexander Pope） [7] （1735）说得更好，而且是以英雄偶句诗体的形式道出的：

飞禽走兽也照顾后嗣。
母亲哺育孩子，父亲保护幼仔。
后代略微长大，便独自漂泊天地之间，
它们不再随心所欲，它们失去了照看。
人类给无助的幼儿更多的关怀，
长期的照料延长了人们之间的纽带。

8　人类的婴儿是胚胎

我年轻时，杨基棒球队 [8] 会煽情的节目主持人梅尔·艾伦（Mel Allen）最初由于过于热心支持他的赞助者而使我不快。当他将全垒打称作“巴兰坦 [9] 击打”（Ballantine blasts）时，我并没有生气。但是我的耐心在一个中午丧失了，当时迪马乔（DiMaggio） [10] 将球击出左边界外有一英寸，而艾伦却解释：“也就出界了白枭牌雪茄的一丝烟灰那么多。”我希望我不会因为承认我阅读和喜欢《自然史》杂志而生出类似的不悦。我有时甚至从其中的文章中得到灵感。

在1975年11月号上，我的朋友鲍伯·马丁（Bob Martin）写了一篇关于灵长类生殖策略的文章。他侧重在我尊敬的一位科学家、颇有个性的瑞士动物学家阿道夫·波特曼（Adolf Portmann）的工作上。波特曼通过繁复的研究，识别出哺乳动物生殖策略的两种基本模式。一些常被我们划作“原始的”哺乳动物，孕期很短，生出一窝发育不全的幼崽（体积小，无毛，需要照料，眼和耳未张开）。生命周期短，脑（相对于身体的体积）小，社会行为尚未发育好。波特曼将这种模式称作“守雏型”模式。另一方面，许多“高级的”哺乳动物孕期长，生命周期长，脑大，有复杂的社会行为，一胎产崽数少，幼崽的能力发育良好，至少在出生时可以部分地无须照料。具有这些特征的是早熟型哺乳动物。按照波特曼的观点，进化是一个必然导致精神更加发展的过程，守雏型模式是原始的，是更高级的早熟型类型的准备阶段，这一进化的过程是脑的增加。多数英语国家的进化论者会否定这种解释，并将这两种基本的模式与不同生命方式的直接需求联系起来。（我在这些文章中经常表示我对将进化等同于“进步”的怀疑）马丁提出，守雏型模式似乎与贫瘠、波动、不稳定的环境相关，动物在这样的环境中最好的办法就是尽可能多地生产后代，这样有一些后代便可以度过艰难的资源无保证的状况。早熟型模式则很适应稳定的热带环境，这里的资源有保障，动物可以将它们有限的能量更多地用于少数发育良好的后代身上。

无论如何解释，无人可以否认灵长类是典型的早熟型哺乳动物。比较身体而言，在哺乳动物中，灵长类的脑是最大的，孕期和生命周期也最长。在多数情况下，每胎的产崽数已经减到最小量，幼崽出生时发育良好，具有一定的能力。然而，虽然马丁没有提到，我们还是遇到一个显眼而令人窘迫的例外——我们人类。我们与灵长类的近亲有许多相同的早熟型性状，生命长，脑大，胎崽数少。但是我们的婴儿出生时像许多守雏型哺乳动物幼崽一样需要照料，发育不全。事实上，波特曼本人也将人类的婴儿称作“次级守雏型的”。为什么这个在某些特征（脑）上是所有物种中最早熟的物种，进化出的婴儿却比其他灵长类的幼崽发育得更加不全、更加需要照料呢？

我将提出一个答案来解释这个问题。这个答案会因其特有的荒谬而使多数读者震惊：人类的婴儿在出生时是胚胎，这一胚胎生活了九个月左右。假如妇女在婴儿“应该”出生时再生产，孕期要达一年半，那样，我们的婴儿就与其他灵长类具有同样标准的早熟型特征。这是波特曼的观点，他在20世纪40年代用德文发表了一系列有关的文章，美国人并不知道。阿什利·蒙塔古（Ashley Moutagu）在1961年10月发表在《美国医学会学报》（Journal of the American Medical Association ）上的文章中独立地得出了同样的结论。牛津的心理学家R.E.帕辛厄姆（R.E. Passingham）1975年在名为《脑、行为与进化》（Brain , Behavior and Evolution ）的专业杂志上发表的文章中支持了这个观点。我也愿意基本上成为这一人员不多的小组中的一员，赞成这个观点基本正确。

人们最初之所以认为这样的论点可能是十足的胡扯，大概是由于对人类孕期的认识。黑猩猩和大猩猩的孕期可能不算太短，但人类的孕期却是灵长类中最长的。我怎么能因为人类的婴儿（在某种意义上）出生得太早就声称人类的婴儿是胚胎呢？答案是，在所有的生物学计算中，按地球的天数不能提供恰当的时间量度。当从动物自身的新陈代谢或发育速度的角度来衡量时间的话，才能正确地分析一些问题。例如，我们知道哺乳动物的生命周期从几周到100年。但这是哺乳动物自己对时间和速度感知的“真实”区别吗？一只蝙蝠真的比一头大象的生命短吗？衡量的规则表明，小型热血动物比大型热血动物的生命节奏更快（见文章21 和22 ）。心跳更迅速，新陈代谢也以更快的速度进行。事实上，以若干相对时间的尺度衡量，所有哺乳动物的生命周期差不多。例如，所有的哺乳动物在其生命周期中呼吸次数差不多（生命时间短的小型哺乳动物比代谢慢的大型哺乳动物呼吸更快）。

按照天文的天数来算，人类的孕期是长了，但是相对于人的发育速度，则缩减了。我在前一篇文章中提出，人类进化（也许不是）主要的特征是我们发育的迟缓。比起其他灵长类，我们的脑生长得更慢，而且生长的时间更长，我们的骨骼骨化得很晚，我们的童年期极大地延长了。事实上，我们的发育并没有达到多数灵长类达到过的水平。在许多重要的方面，人类的成体保留了灵长类祖先的幼年特征，这种进化现象叫作幼态持续。

与其他灵长类相比，我们是以蜗牛的速度在成长和发育，然而我们的孕期只比大猩猩和黑猩猩的孕期长很少的几天。相对于我们自己的发育速率，我们的孕期明显地短。假如孕期的长度像我们成长和发育的其他速率一样放慢，人类的婴儿在子宫里待了九个月后，还应待上七至八个月（帕辛厄姆的估计）到一年（波特曼和阿什利·蒙塔古的估计）才能出生。

难道我是在沉湎于只是用比喻说明或用文字游戏来认定人类的婴儿“仍然是一个胚胎”吗？我已经哺育我的两个孩子度过了这一脆弱的年龄段，而且对他们心理和身体发育中的所有快乐和奇妙都有经验，知道这样的事情绝不可能发生在黑暗囚闭的子宫中。然而，当我考虑婴儿体质成长的材料时，我依然站在波特曼一边，认为在婴儿的第一年中，他们与灵长类和哺乳动物的胚胎，而不是与其他灵长类的幼崽，具有许多共同的特征。（确定一定的生长模式是胚胎的还是出生后的，并不是人为的。出生后的发育不仅是胚胎趋势的延续，出生还标志着许多特征的非连续性）例如，人类婴儿的肢骨端或指没有骨化；新生儿的指通常完全没有骨化中心。这一骨化水平与猕猴第18周的胚胎差不多。当猕猴在孕后第24周出生时，肢的骨化程度是人类的出生婴儿所不及的。更关键的是，我们的脑在出生后依然以快速的胚胎速度增长。许多哺乳动物的脑实际上在出生时已经完全形成了。还有一些灵长类的脑在出生后的早期还在发育。人类婴儿的脑在出生时仅为最终体积的1/4。帕辛厄姆写道：“人类的脑出生后的六个月才达到黑猩猩出生时脑所占的比例。假如人类的孕期在发育和生命周期中所占的比例像猿中占的比例那样高的话，那么，这一时间与人类预期出生的时间便吻合了。”

20世纪最著名的灵长类解剖学家A.H.舒尔茨（A.H. Schultz）在总结他对灵长类生长的比较研究时说道：“考虑到在子宫中的生命时期，显然人类的个体发育并不独特，但是人类的独特之处在于明显地延缓了生长的全部完成和死亡的降临。”

但是为什么人类的婴儿提早出生？为什么进化使我们的发育有这么大的延缓，但是使我们的孕期受到抑制，因而使我们有了本质上还是胚胎的婴儿？为什么孕期并不像其他发育一样延缓？按照波特曼从精神角度对进化的解释，这种提前的出生必定符合心智功能的要求。他认为，人类作为习得的动物，需要离开黑暗的无争无扰的子宫，以易变的胚胎，去获取子宫外环境中丰富的影像、味道、声音和触摸。

但是我相信（与阿什利·蒙塔古和帕辛厄姆的观点一样），更重要的原因要按照被波特曼轻蔑地视为粗糙的机械论及唯物论来考虑。通过我所看到的（虽然我不能确切地知道），如果适当地摆脱那些自傲的男大夫的操纵，人类的分娩该是一个愉快的过程，那些男大夫没有分娩的经历，却试图控制整个分娩过程。然而我不想否认，比起其他多数哺乳动物，人类的分娩是困难的。粗俗地讲，分娩是紧紧地挤压。我们知道，当胎儿的头太大，不能通过盆道时，雌性灵长类在分娩时有可能死亡。A.H.舒尔茨出示过一张照片，照片上是树狒狒正在出生的胚胎以及死于分娩的母狒狒的盆道，从照片上看，胎儿的头比产道大得多。舒儿茨认为这么大的胎儿是这一物种中的极限：“当选择肯定有利于具有大盆腔的雌性时，选择无疑也会不利于孕期的延长，或至少不利于无限大的新生儿。”

我确信，没有几个女人能成功地生出一年大的婴儿。

这一故事中的过失者就是我们最重要的进化特征，我们的大脑。在多数哺乳动物中，脑的成长完全是胚胎现象。但是由于脑绝不会长得很大，出生时便不会有问题。在脑大的猴子中，生长是延缓的，以利出生后脑的增大，但相应的孕期并不改变。然而，人类的脑太大了，若要成功出生的话必须有另外的策略——相对于整个发育，孕期缩短，当脑只占胎儿体积的1/4时，就要分娩。

我们的脑大概已经达到体积增长的极限。我们进化的最优越特性的进一步发展终于受到了限制。除非女性的盆腔在构造和功能上有根本的改变，否则我们要出生的话就不得不保持这样的脑。但是，没关系，我们可以在以后漫长的岁月里，利用我们的巨大的潜力，愉快地学习如何去做事，然而对这一巨大的潜力我们却理解和探讨得很少。

[1] 德莱顿（1631—1700），17世纪后期英国著名诗人。——译注

[2] 金斯利（1819—1875），英国圣公会牧师、作家，支持达尔文学说，倡导基督教社会主义，写过不少文学作品，《水孩儿》是他的著名儿童作品。——译注

[3] 我的这篇文章写于1976年1月。确如我在文中所言，玛丽·利基将莱托里颌骨归为人属已经受到一些同行的批评，然而他们也没有提出其他的假说，只是指出，仅仅依靠颌骨不足以进行一定的分析。无论如何，这篇文章中的观点仍然是有效的，而根据我们关于非洲化石的知识，人属可能像南非古猿一样的古老。而且，我们仍然缺乏坚实的证据证明人科物种发生过任何进步变化。——原注

[4] 华兹华斯（1770—1850），英国诗人，浪漫主义诗风的代表人物。——译注

[5] A.赫胥黎（1894—1963），美籍英国作家，写有诗歌、小说、剧本、评论等，代表作是寓言体讽刺小说《奇妙的新世界》。——译注

[6] 约翰·洛克（1632—1704），英国经验主义哲学家，代表作是《人类理解论》《政府论》。——译注

[7] 亚历山大·蒲柏（1688—1744），英国诗人，代表作是长篇讽刺诗《奇发记》《群愚史诗》。——译注

[8] 我没有恪守我在导论中的承诺，将这些文章最初发表之处（我在《自然史》月刊上开设的专栏）中的主题参考文献都删掉。在那里我甚至还有机会向那位在我年轻时心目中的地位仅次于我父亲的人表示尊敬。他及其杨基队曾经给我带来许多快乐（我甚至还有一个一天迪马乔打出界的棒球）。——原注

[9] 巴兰坦，当时杨基队著名棒球队员。——译注

[10] 迪马乔，当时杨基队的著名棒球队员，曾是美国著名影星玛丽莲·梦露的丈夫。——译注

第三部分
奇特的生物与进化的样板

·　对爱尔兰麋鹿的错误命名、错误分析和错误理解

·　生物的智慧，或为什么一种飞虫在母体内蚕食母亲

·　论竹、蝉与亚当·斯密的经济学

·　完美问题，或一个蚌为什么能在后端负着一条鱼

9　对爱尔兰麋鹿的错误命名、错误分析和错误理解

自然本身赋予这种生物巨大而高贵的角，她使这种生物变得独特，这样，它具有与其他小的四足类普通类群截然不同的式样。

——托马斯·莫利纽克斯
（Thomas Molyneux），1697

爱尔兰麋鹿，神圣罗马皇帝与英国号奇怪地组合在一起。三者的共同点在于名称的不恰当。伏尔泰（Voltaire） [1] 告诉我们，神圣罗马皇帝，既不神圣，也不是罗马人，又不是皇帝。英国号是欧洲大陆的双簧管，原来的样子是弯曲的，因此又叫“有角的”（angular，音似Anglo，盎格鲁）（败坏英国人的）号。爱尔兰麋鹿既不只生活在爱尔兰，又不是麋鹿。 [2] 它是迄今生活过的最大的鹿，它的巨角给人以很深的印象。莫利纽克斯博士1697年第一次描述它时就惊叹“这些巨大的角”。1842年，拉特克用“令人欣佩”这种独特语句来形容这种怪物。虽然吉尼斯世界纪录不收入化石，并且将美国麋的角列入其中，然而，在生命的历史上，的确没有哪种动物的角超过甚至接近过爱尔兰麋鹿的角。根据可靠的估计，它的整个长度达3.7米。当我们认识到爱尔兰麋鹿的角像其他的鹿角一样每年都要脱落和再生，我们更加惊叹它的长度了。

在爱尔兰，很早以前人们就知道这种巨鹿的化石了，它仍埋在湖泊淤泥下的沉积层中。在引起科学家的注意之前，人们用巨鹿的角化石做门柱，在蒂龙县，人们甚至用它作为小溪上临时的桥。有一个故事，大概是编造的，讲的是在安特里姆县，人们用巨鹿的角搭起篝火，庆祝在滑铁卢战胜了拿破仑。它们之所以被叫作麋鹿，是因为欧洲麋（对讲英语的人类说就是麋鹿）是人们唯一熟悉的角的大小接近巨鹿角的动物。

托马斯·莫利纽克斯1697年文章中的巨鹿图，鹿角画得不正确，向前倾斜了90°

已知最早的巨鹿画作于1588年。大约一个世纪之后，（英王）查理二世得到一对角，并且（按照莫利纽克斯的说法）“高度评价了它们出奇的巨大”。他在汉普顿科特建有角廊，在这个角廊中，巨鹿的角“极大超过”其他的角，“使别的角显得很平常”。

从前一位富有的学者在测量爱尔兰麋鹿的后肢。这幅图片最初由J.G.米莱斯1898年发表

到了1746年以后，就不只在爱尔兰发现了巨鹿（虽然其名称沿用了下来），那时在英格兰的纽克郡发现巨鹿的颅骨和角。随即，欧洲大陆也首次于1781年在德国发现了巨鹿。第一个完整的骨架（依然立在爱丁堡大厅博物馆中）于19世纪20年代在曼岛发掘出来。

我们现在知道，东到西伯利亚和中国，南到南非，都有过这种巨鹿。英国和欧亚大陆的样品几乎都不全，世界上许多博物馆展出的较好标本差不多都来自爱尔兰。巨鹿在几百万年前的冰河期发生了进化，在大陆可能生存到有史时期，但在爱尔兰是大约1.1万年前左右灭绝的。

詹姆斯·帕金森（James Parkinson）1811年写道：“在英国皇室的化石收藏中，据信没有什么（比巨鹿）更使人惊奇的。”在整个古生物学史中也是这样。抛开奇妙的奇闻逸事和巨大东西通常激发的好奇，巨鹿的重要之处是在进化论争论中的贡献。每一位著名的进化论者都利用过巨鹿来捍卫他赞成的观点。争论一直集中在两个主要问题上：（1）这么大的角有什么用途？（2）巨鹿为什么灭绝？

关于爱尔兰麋鹿的争论长期以来集中在灭绝的原因上，而莫利纽克斯最初文章的主要目的是认为它可能还活着，这太有讽刺意味了。17世纪的许多科学家都坚持认为，任何物种的灭绝都不符合上帝的仁慈及造物的完美。莫利纽克斯1697年文章的开始部分写道：

按照许多博物学家的看法，生物中没有哪个物种自创生以来灭绝了，即完全在这个世界消失了；这完全基于全能上帝照顾创造出的物种这一原则，我们应该赞同这种看法。

然而巨鹿不再生活在爱尔兰，莫利纽克斯不得不到处去寻找。当他看到旅行者有关美国麋角大小的报道后，他认为爱尔兰麋鹿一定就是美国麋，其中的报道显然经常有普遍夸大的倾向。因为他不能得到有关美国麋的数据，也不能见到有关的详细描述，所以按照现在知识的角度看，他的结论并不是很荒谬。莫利纽克斯将巨鹿在爱尔兰的消失归咎为“空气含有的一种病害”引起的“传染疾病”。

过了一个世纪，人们依然沿袭莫利纽克斯的思路，提出在现存物种中哪一种属于这种巨鹿？观点分成两派，一派主张是麋，另一派主张是驯鹿。

随着18世纪地质学家挖掘出的古代生命化石记录，人们越来越难以认为化石代表的不为人知的奇异生物依然生活在这个星球的遥远地方了。上帝的造物可能不止一次，创造出的也不是永久产物；或许他一直试验着，既创造又毁灭。如果真是这样，那么世界确实比圣经学者们承认的6000年更古老。

灭绝的问题是现代古生物学首先争论的重要问题。在美国，托马斯·杰弗逊（Thomas Jefferson） [3] 坚持旧的观点，而法国伟大的古生物学家乔治·居维叶则利用爱尔兰麋鹿证明灭绝确实发生过。到了1812年，居维叶已经解决了两个紧迫的问题：他通过详细的解剖描述，证明了爱尔兰麋鹿与现存的任何动物都不像。他结合了其他许多没有现存对应物的化石哺乳动物，确立了灭绝的事实，并且建立了地质时间尺度的基础。

一旦灭绝的事实已经明确，争论的问题便是事件的时间：尤其是爱尔兰麋鹿生存到了大洪水时期吗？这并不是一个无聊的问题，因为假如是那场大洪水或其他早先的灾难消灭了巨鹿，那么它的消失便有了自然的（或超自然的）原因。一位热情的业余爱好者蒙塞尔副主教（Archdeacon Maunsell）在1825年写道：“按照我的理解，它们肯定是被大洪水毁灭的。”一个叫作麦卡洛克的博士（Dr. MacCulloch）甚至相信化石在发现时是站立的，鼻子朝上，是洪水上涨时的最后姿势，也是最后的恳求：不要再涨了。

然而，倘若大洪水后巨鹿依然存活，消灭它们的天使只能是裸猿（指人类）本身了。吉迪恩·曼特尔（Gideon Mantell）1851年写道，巨鹿的灭绝要怪凯尔特人的部落；1830年，希伯特提出是罗马人及其公众游戏中无度的杀戮导致了巨鹿的灭绝。并非像我们认为的那样，只是到了最近我们才认识到我们的毁灭潜力，希伯特早在1830年就写道：“托马斯·莫利纽克斯爵士认为可能是某种瘟疫使爱尔兰麋鹿灭绝的……然而这值得怀疑，因为人类在消灭各地的野生动物种类方面，确实像传染病一样的可怕。”

1846年，英国最著名的古生物学家理查德·欧文爵士重新检查了有关的证据，并得出结论，在爱尔兰，巨鹿至少在人类到达那里之前就已经消失了，而在此之前，作为重要地质事件的诺亚洪水早就发生过了。那么是什么使巨鹿消失的呢？

查尔斯·达尔文1859年发表了《物种起源》，十年之内，几乎所有科学家都接受了进化是个事实。但是，直到20世纪40年代，关于进化的原因和机制的争议才以赞同达尔文的结果解决。达尔文的自然选择理论要求进化的变化是适应的，即这些变化对生物来说是有用的。因此，反达尔文的人便寻找含有不利（达尔文理论）动物的化石记录。

直生论成了反达尔文主义的古生物学家的试金石，因为这个理论提出进化的历程是直线的，自然选择本身不能调节。有一些趋势，一旦启动，便不能停止，即使最终导致灭绝。所以，据认为，一些牡蛎一直卷曲瓣膜，直至这种动物完全封闭在里面，剑齿“虎”无法停止牙的增长，猛犸不能中止长牙的生长。

然而直生论最有名的例子就是爱尔兰麋鹿。这种巨鹿是由形态较小、角较小的鹿进化来的。虽然最初角是有用的，但是角的生长无法受到限制，像魔法师的学徒，巨鹿发现即使好事也要有节制。头骨因为紧赘重负而弯曲，碰到树，陷入泥潭，它们便死掉了。是什么消灭了爱尔兰麋鹿？是它们自己，或者是它们自己的角。

1925年，美国古生物学家R.S.卢尔（R.S. Lull）援引巨鹿的例子攻击达尔文：“自然选择不能解释超特异性，很显然，当一个器官由于选择达到完美状态后，却不能度过日常的危险情况生存下来……（如在）灭绝的爱尔兰鹿巨大枝状角中的情况。”

在朱利安·赫胥黎的率领下，达尔文主义者于20世纪30年代进行了反击。赫胥黎指出，随着鹿的长大，无论是它本身的长大，还是与体积不同的相关成体的相对长大，角的增长与身体的增长并不成比例。角增长得更快，这样，大型鹿的角不仅绝对的大，而且相对而言，也比小型鹿的角大。对于这种规则、有序、体积增大的形状变化，赫胥黎称作异速生长。

异速生长观点令人满意地解释了巨鹿的角。因为爱尔兰麋鹿是所有鹿中体积最大的，相对巨大的角显然是鹿中存在的异速生长关系中的一个简单的结果。我们只需要假设自然选择有利于增加体积，大的角可能就只是一种自动的结果了。角大对巨鹿本身可能是不利的，但这种不利会由于身体增大带来的益处极大地抵消掉，而且这种趋势又继续了下去。当然，当角大的问题抵消了身体大的优势，角的增长趋势便会停下来，因为自然选择不利于它。

现代的进化教科书几乎都是按照这种观点说明爱尔兰麋鹿的，并引用异速生长的解释来反对直生论。作为一名笃信的学生，我曾经认为这样不断的重复一定是根据丰富的资料的。后来我发现，教科书上的教条缺乏其他的支持，所以三年之后，当我发现这个传统的解释并没有根据什么资料，我便大失所望，但并没感到惊奇。除了少数漫无目的地试图发现最大类型角的人，甚至竟没有人测量过爱尔兰麋鹿。我手拿米尺，决心改变这一状况。

位于都柏林的爱尔兰自然博物馆展出了17个标本，在附近的库房里还有成堆的鹿角。西欧和美国的多数大的博物馆都有爱尔兰麋鹿，英国和爱尔兰许多绅士战利品屋中都存有巨鹿。最大的鹿角放在阿德尔庄园通向邓雷文伯爵家的典雅的路上。最可怜的骨架则放在帮雷蒂城堡的地窖中，中世纪时许多愉快微醉的游人每天晚上宴饮后曾在这里啜着咖啡。一天上午，当我看到这个可怜的家伙时，它嘴上含着一支雪茄，掉了两颗牙齿，角的尖端上有三个咖啡杯。喜欢无聊比较的人听好了，美国收藏的最大的鹿角在耶鲁，世界上最小的巨鹿角在哈佛。

为了确认巨鹿的角是不是异速生长，我对鹿的角和身体进行了比较。对于鹿角，我综合测量了角的长度、宽度和主要角尖的长度。身体的长度，或者主要骨骼的长与宽，可能是身体大小最恰当的尺寸，但是我无法利用这些数据，因为许多标本只是一个头骨及相连的角。少数完整的骨架无疑是由若干动物骨骼，许多石膏，偶尔还有代用品组成的（在爱丁堡的第一个完整骨架中竟然有一个马的盆骨）。这样，颅骨的长度成了整体尺寸的衡量标准。鹿在很早的年龄，颅骨就长成最终的长度（我的所有标本都是成体的），之后便不再改变，因此比较好地代表了身体的大小。我的标本包括来自爱尔兰、英国、欧洲大陆和美国的博物馆及私人家中的79具（实际统计的骨架为81具）颅骨和角。

图表显示爱尔兰麋鹿角的大小随着骨架的增加而增加。图上的每一个点代表骨架长度平均相差10毫米，实际统计的骨架为81具。鹿角的增加比骨架长度增加快2.5倍——一条斜度为1.0（与x轴的夹角为45°）大概可以表明同样按对数增加的速度。这样的斜度显然很高

我的测量表明，角的大小与身体的大小明显相关，角的增长，从小的雄性到大的雄性，要比身体的增长快2.5倍，这并不是单一个体生长的格式，而是不同大小成体中的一种关系。这样，异速生长假说便得到了证实。如果自然选择有利于大的鹿，那么相应大的角显然是相关的结果，而角本身不必有什么意义。

然而，虽然我证明了异速生长关系，我却开始怀疑传统的解释，因为其中含有奇怪的旧直生论观点的成分。传统的解释认为，角本身并不是适应的，由于身体增加的优势，才允许了大角的存在。但是为什么我们一定认为大角没有什么主要的功能呢？相反的解释也同样可能？选择主要作用于增加角的大小，产生出的身体增加不过是次级的结果。这种将角视作不适应无非由于主观上对于角的巨大的疑惑。

被长期抛弃的观点经常不断地以微妙的方式施展它的影响。直生论的观点就存在于原本要取代它的异速生长的观念中。我相信所谓角的“庞大”“笨重”问题是一种错觉，这种错觉所根据的观点已经被现代的动物行为研究者抛弃了。

对19世纪的达尔文主义者来说，自然选择是残忍的。进化的成功是从战斗中取胜并将敌人消灭的角度衡量的。按照这种看法，角被当作反击捕食者和雄性竞争者的有力武器。达尔文在《人类的由来》中，试过另外一种观点：角可能是作为吸引雌性的装饰进化而来的。“那么，假如角像古代骑士荣耀的配物，增添了牡鹿和羚羊高傲的外表，它们很可能由于这个目的而部分地发生过变化。”然而他很快又补充说道，“没有证据支持这个观念”，并继续按照“斗争定律”来解释角，它们的优势就体现在“反复拼死的争斗”中。所有以前的学者都认为，爱尔兰麋鹿用角去刺杀狼，在激烈的争斗中驱逐雄性竞争者。据我了解，只有俄国古生物学家L.S.达维塔什维里（L.S. Davitashvili）对这种观点质疑过，他在1961年提出，角的功能主要用作雌性伙伴的标志。

然而，如果角是武器的话，直生论的观点便有了吸引力，因为我必须承认，90磅宽掌的角，每年都重新生长，长度达3.7米，增长的速度比我们现在的军备预算还要快。所以，要坚持达尔文主义的解释，我们就必须援引本来形式的异速生长假说。

但是角的主要功能不是武器又是什么呢？现代的动物行为研究者提出了一种对进化生物学来说极为重要并且令人激动的概念：原先认为作为日常武器或向雌性展示的许多结构，仅仅是雄性仪式竞赛中的装置。这些竞赛的功能是通过在雄性中确立容易识别及服从的统治等级，以避免日常的争斗（结果可能是受伤或死亡）。

角也是用于仪式性行为中的一个主要的结构样板。按照瓦莱留斯·盖斯特（Valerius Geist）的观点，角是“看得见的统治等级的符号”。角大说明地位高，可以获得雌性。因为保证生殖成功大概是最大的进化优势了，所以对于大角的选择压力必定经常很大。随着对自然环境状态下有角动物观察的增加，没有身体接触的仪式中展示，或为了防止身体伤害的争强的观点，代替了旧的殊死搏斗的观点。贝尼德和达灵在红鹿中，科尔萨尔在美洲驯鹿中，以及盖斯特在山羊中都观察到这种情况。

用作在雄性展示中的装置，这样人们终于认识到爱尔兰麋鹿的巨大角是一种适应的结构。而且，正如伯明翰大学的R.库普（R. Coope）向我指出的那样，从这种角度，这些角的详细形态学第一次可以得到解释了。具有宽掌角的鹿，有利于在展示中完全表现角的宽度，现存的黇鹿（许多人认为是爱尔兰麋鹿活着的最近亲戚）必须从一边向另一边转动头，以表现角的宽掌。这对巨鹿来说可能会带来巨大的问题，因为转动90磅的角产生的扭力会很大。但是爱尔兰麋鹿角的样式使它头直立时就可以充分展示宽掌。通过设想角是用于展示而不是用于搏斗，便可以解释巨鹿角罕见的外形和巨大的形状。

如果角是适应的，那么为什么爱尔兰麋鹿（至少在爱尔兰）灭绝了？我想这个问题的答案恐怕很普通。巨鹿在爱尔兰繁荣的时间很短，是在冰河期末期的所谓阿累鲁间冰段时期，这是两个最冷冰期之间的短暂温暖期，延续了1000年，从12000年前到11000年前。（在前一个冰期，爱尔兰与欧洲大陆在低海平面连接起来，爱尔兰麋鹿便迁徙爱尔兰）虽然在阿累鲁期，爱尔兰麋鹿很好地适应了草木繁茂的广阔原野，但显然既不能适应伴随下一个寒冷期而来的亚北极冰土地带，也不能适应随冰面退去而发展起来的茂密森林。

灭绝是绝大多数物种的归宿，通常是由于物种不能足够迅速地适应气候条件或竞争条件的变化。达尔文式进化确定，动物应该不会主动发展出有害的结构，但这种进化并不保证有用的结构在改变的环境中继续适应。爱尔兰麋鹿大概就是自己以前成功的牺牲品。富贵如浮云。

10　生物的智慧，或为什么一种飞虫在母体内蚕食母亲

自从人类按照自己的想象创造了上帝以来，特创的教义从来都是凭着我们直觉理解去解释适应。当我们看到母狮捕食、马的飞奔或河马在泥中玩耍时，我们怎么能怀疑动物是为其预定的角色完善设计出的呢？倘若令人赞叹的设计明显地存在于所有的生物中，自然选择理论就不可能取代神创的观念。查尔斯·达尔文理解这一点，他侧重于完美智慧建造的世界中的那些不完善的特征上。例如，为什么一个敏慧的设计者在澳大利亚创造了一些有袋类，来充当在其他大陆由胎盘类扮演的角色？达尔文甚至写了一部书来论述兰花。他提出那种进化成确保昆虫可以授粉的结构，是其祖先用于其他目的杂乱结构。兰花是鲁伯·戈德堡（Rube Goldberg） [4] 机器，一位出色的工程师应该做得更好。

这个原则到今天仍然正确。最能说明是进化导致的适应，是那些特异和奇特震撼我们直觉的适应。科学并不是“组织了的常识”，科学最激动人心之处，就在于它提出强有力的理论反对我们称作直觉的旧的人类中心偏见，从而重新表达了对世界的看法。

看一下瘿蚊的例子。如果我们不恰当地运用我们自己的社会准则去同情瘿蚊，我们就会发现这种小飞虫的生活行为方式可能会唤起我们痛苦和厌恶的情感。

瘿蚊有两种生活途径，它可以按其中的一种成长和发育。在某种情况下，瘿蚊从卵中孵出，经历正常的蛹和蛹蜕阶段，出落为普通的有性生殖飞虫。但是在其他情况下，瘿蚊不经过雄性的受精，由雌性通过孤雌生殖生出后代。孤雌生殖在动物中比较常见，但瘿蚊的孤雌生殖则很有趣。首先，瘿蚊孤雌生殖生出的雌性在很早阶段就停止了发育。它们绝不能成为正常的成体飞虫，但是却在幼虫期和蛹期进行生殖。其次，这样的雌性并不产卵。后代在母亲的体内发育，母体不向幼虫提供营养，幼虫也不包在起保护作用的生殖腔中，而是在母体的组织中，最终竟塞满了整个母体。为了生长，幼虫从母亲体内蚕食母体，几天之后，幼虫出生了，留下的却是它们唯一亲体的一个遗骸，一个几丁质的外壳。而不到两天，这些幼虫自己发育的后代又开始蚕食它们。

一种不相关的甲虫，复变甲虫（Micromlthus debilis），也进化出具有可怕变异的几乎相同的系统。一些孤雌生殖的雌性甲虫生出的后代只有雄性。这些幼虫附在母体的表皮四五天，然后将头插进母亲的生殖器中，并蚕食了母亲。女性因至爱而亡。

为什么进化出这样一种特殊的生殖方式？不仅按照我们看问题的不相关标准，就是在昆虫中这种方式也不常见。这样一种与我们直觉上认为设计是善的迥然不同的生活方式有什么适应的意义呢？

为了回答这一问题，我先是用一下进化研究中常见的论证模式：比较的方法。［当路易斯·阿加西（Louis Agassiz）在给了这幢我在其中工作的大楼一个使到哈佛来的几代观光者都迷惑不解的名字——比较动物学博物馆时，他的行为还不是反复无常的］我们必须找到遗传上相似、但适应不同生活方式的对象进行比较。幸运的是，瘿蚊复杂的生命周期为我们提供了一个关键的例子。我们并不对无性的幼虫期母体瘿蚊与亲缘不同及遗传相似的物种进行比较，我们可以用无性幼虫期母体瘿蚊与遗传相同、形态不同、正常的有性瘿蚊进行比较。那么，孤雌生殖的瘿蚊与正常形态的生态差异是什么呢？

瘿蚊寄居在真菌中，通常是蘑菇中，并以蘑菇为食。正常能动的瘿蚊是发现者，由它发现新的蘑菇。生居在食源丰富地方的瘿蚊后代还是幼虫和蛹时就开始了无性生殖，并成为该物种中不能飞行的喂食类型（一个蘑菇可以供养上百只这种小飞虫）。我们知道，只要食物丰富，瘿蚊的孤雌生殖就可以继续下去。一位研究者通过提供足够的食物和生活空间，连续产生出250代瘿蚊幼虫。然而在自然中，一个蘑菇最终是要被食尽的。

H.乌尔里克（H. Ulrich）及其合作者研究了Mycophila speyeri（一种瘿蚊）在食物减少情况中的变化次序。当食物充足时，孤雌生殖的母亲四五天生出一代雌性后代。随着食物的减少，发育出雄性后代及兼有雄性和雌性的后代。假如雌性幼虫不能得到充分的食物，就变成正常的飞虫。

这些相关性的适应基础不太清晰。不能飞行的孤雌生殖的雌性留在蘑菇中，并以蘑菇为食。当食源耗尽，瘿蚊便产生出有翅的后代去寻找新的蘑菇。但这只涉及我们难题的表面，并没有涉及我们问题的中心：作为幼虫或蛹，为什么生殖得这样快？以及为什么母体为了后代要做出超常牺牲的自我毁灭？

我相信，解决这一难题的出路在于对“这样快”这句话的认识。传统的进化理论侧重于根据形态学而形成关于适应的解释。在这个例子中，保持动体形态的蘑菇喂食者生殖出雌性有什么优势呢？传统的理论并没有找到答案，因为它提出的问题就是错的。在过去的15年，理论群体生态学的兴起使适应的研究发生改变。进化论者已经知道，生物的适应不仅是通过改变大小和形状，而且还通过调节生命的时间和对不同活动（例如食、生长和生殖）中的能量投入。这些调节叫作“生命史策略”。

生物进化出不同的生命史策略，以适应不同的环境类型。在将生命史策略与环境联系的理论中，由R.H.麦克阿瑟和E.O.威尔逊于20世纪60年代提出的r—选择和k—选择理论，确实是成功的理论。

按照教科书和流行书籍的说法，进化是形态必然改善的过程：动物通过对更佳适应形态的不断选择，面对生活的环境精确地“调整好”。但是有些环境种类并不唤起这样的进化回应。倘若一个物种生活在无规则的突然间死亡很大的环境中（例如，干涸的池塘，或受风暴肆虐的浅海）。或者倘若在曾经是食源丰足的地区食源突然难以为继，或很难找到。生物不可能在这样的环境中调整好自己，因为不存在可供调整的足够稳定的环境。在这种情况下，更好的出路是将尽可能多的能量投入生殖中，尽快生出尽可能多的后代，这样，有一些后代会生存过剧变期。当面对食源瞬时短缺时，生殖不啻为最后的赌注，因为这样的环境状况不会延续太久，有一些后代一定能活着找到新的食源。

我们将导致最大限度地进行生殖并且是以精确调节形态作为代价的进化压力叫作r—选择，这样适应的生物是r—策略者（在一组基本的生态学等式中，传统上用r作为“群体大小增加固有速度”量）。生活在稳定环境中的物种，群体的大小接近环境可供养的最大量，生出一群调整差的后代会一无所获。更好的方式是生出量少但善于调整的后代，这样的物种是k—策略者（在同一组生存学公式中，k是环境“携带能力”的量）。

孤雌生殖的幼体瘿蚊生活在典型的r—环境中。蘑菇数量不多，相距又远，然而一旦被这种小飞虫发现，食源就丰富了。假如瘿蚊利用新发现的蘑菇尽可能快地建立新的群体，它们便能获得一种选择优势。然而，什么是迅速建立新群体的最有效方式？这个一般性的问题已经引发数学生态学家撰写了大量的文献。在多数情况中，迅速增加的关键是早生殖。通常第一次生殖的年龄提前10%，生殖力增加100%。

我们终于可以理解瘿蚊特殊的生殖生物学了：它们只不过进化出生殖很早和世代时间极短的一些明显的适应。这样做，它们在食物暂时丰裕的r—环境中成为合格的r—策略者。所以瘿蚊在幼虫期就生殖，并且差不多是孵化后不久，它们的体内便生长出下一代。例如在Mycophila speyeri中，孤雌生殖的r—策略者只经过一次脱皮，还是真正的幼虫时，便生殖了，并且在五天内产生出38个后代，而正常的有性成体瘿蚊的发育需要两周。幼虫生殖维持了增加群体大小的惊人能力。当到达一个肥大的蘑菇后的五周内，这种瘿蚊就可达到每平方厘米21.5只可生殖幼虫的密度。

我们可以再次利用比较的方法，确认这种解释是合理的。有些寄居在类似环境中的其他昆虫像瘿蚊一样。例如以叶液为食的蚜虫，一片叶子之于这些小昆虫，如同一个蘑菇之于瘿蚊——短暂丰富的食源很快就转化为尽可能多的蚜虫。多数蚜虫有两种孤雌生殖形态，无翅的和有翅的（它们还有一种越冬的有性形态，这里我们不考虑）。正如你可能已经猜到的，无翅的类型是不能飞行的喂食者。它虽然已经不是一个幼虫，却保留了许多幼体的形态特征。它还保持了明显的早期生殖能力。在出生之前，胚胎发育实际上是在母体中开始的，两个以后的世代可能在一个“祖母”体内重叠在一起。（然而，蚜虫并不被后代蚕食。）它们迅速增加群体大小的能力颇具传奇性。假如一只蚜虫的后代都能活到生殖期，一个甜菜蚜（Aphis fdbae）一年可以产生5240亿个后代。随着叶子食尽，有翅的蚜虫缓慢发育成了。它们飞到另一片新叶子上。在那里，它们的后代多为无翅的类型，又开始了迅速的世代循环。

最初显得特殊的现象，现代显得极为合理。这可能就是对于一定环境的最适宜策略。由于我们对瘿蚊生物学的许多方面还不清楚，所以还有许多事情没有谈到。但是我们可以发现完全不相关的生物，复变甲虫（Micromalthus debilis），表现出奇妙的向同样策略的趋同。这种甲虫寄生在潮湿腐烂的木头中。当木头干化，这种甲虫发育出一种有性形态去寻找新的资源。这种寄居在木头中、喂食形态的甲虫已经进化出一套适应系统，重复着瘿蚊的特征，只不过更加复杂和细微。它也是孤雌生殖，它也在幼体阶段生殖，幼体也在母体内发育，最终也蚕食了母体。母亲也产生出三种类型的后代：食物充足时是雌性，食物减少时是单一的雄性或雌雄兼有。

我们人类发育迟缓（见文章7 ），孕期长，胎崽数少，是完全的k—策略者，而且还不正视其他生物的策略，但是，在瘿蚊的r—选择的世界里，它们确实做得正确。

11　论竹、蝉与亚当·斯密的经济学

大自然的作为超过了人类最神奇的传说。睡美人等她的情人等了100年。贝特尔海姆（B. Bettelheim）认为，睡美人手指刺破象征她第一次月经流血，她的长眠象征尚未性成熟少女的缺乏生机。因为最初的说法是一位国王使睡美人受了孕，而不是一个王子仅仅吻了她，所以我们可以把她的苏醒解释为性成熟的开始［见B.贝特尔海姆《妖法的用途》（The Use of Enchantment ），A.诺夫出版社，1976，225～236页］。

有一种竹子，名字很吓人，叫刚竹（Phyllostachys bambusoides），在中国自公元999年开了一次花后，它一直是非常规则地120年开一次花并结种。无论什么地方种植的刚竹，都遵循这个周期。在20世纪60年代，日本种（12个世纪前从中国移植的）在日本、英国、阿拉巴马和俄国同时开花。与睡美人的类比并不牵强，因为这些竹子在有性生殖之后也是上百年的独身。但是刚竹在两个重要的方面与格林兄弟的童话不同。这种植物在120年的不眠夜中并不是没有生机的，因为它们是植物，可以通过地下根生出新的笋芽来进行无性生殖。而且它们后来并不幸福，因为它们生出种子后便死了，长期等待的只是短暂的结局。

宾夕法尼亚大学的生态学家丹尼尔·H.詹曾（Daniel H. Janzen）在最近的一篇文章《为什么竹子等了这么久才开花》［《生态学与系统学年鉴》（Annual Review of Ecology and Systematics ），1976］中重新讲述了刚竹的奇妙故事。多数物种的竹子在两个开花期之间的营养期生长时间都很短，但都具有同时结种的规则，而且开花期短于15年的物种很少（有的竹子的开花期间隔超过150年，但历史记录极不完备，从中很难得出可靠的结论）。

任何物种的开花一定是内在的遗传钟决定的，而且不受外界环境的影响。重复的精确规则性又是这种观点最好的证据，因为我们还不知有哪种环境因素循环的如此规则，以致产生出上百个物种共同遵守的各种时钟。其次，正如上面提到的那样，即使移到离原产地达半个世界那么远的地方，同一种植物也是同时开花。最后，即使生活在不同的环境中，同一种植物还是同时开花。詹曾提到，缅甸竹只有半英尺高，并且由于丛林火灾反复受损，但依然与未受损的高达40英尺的同类同时开花。

如何计算竹子过去的岁月，詹曾认为不能用存有的食物贮备来衡量，因为贫瘠矮小的竹子与健康的大型竹子开花的时间一样。他猜想竹子的日历“一定是对温度不敏感的光感化学年或日的积累与衰减”。但他没有找到猜想光周期是日间的（昼与夜）还是年间的（季节性的）基础。詹曾利用与光有关的时钟作为间接证据，指出赤道两边五个纬度内地区的竹子生长并没有准确的周期性，因为在这一地区日间和季节间的差异都很小。

竹子的开花使人们回想起我们多数人都熟悉的另一个定期性极强的故事，定期性的蝉，或17岁“地蝗” [5] （蝉不是蝗，蝉是半翅目中体形较大的成员，这个目中的昆虫都很小，包括蚜虫及其亲属，而蝗与蟋蟀和蚂蚱一样，属于直翅目）。定期性蝉的故事比多数人了解的更神奇。定期性蝉的蛹在地下生活17年，在美国东部蝉蛹靠吸吮森林树根的汁液生存（在南部地区不一样，那里的类似种类或相同的类群每13年才出土）。然后，几周之内，上百万成熟的蝉从地下爬出来，变成了成体，交配，产卵，然后死去［M.劳埃德（M. Lloyd）和H.S.戴巴斯（H.S. Dybas）在1966年的《进化》（Evohvtion ）杂志上和1974年的《生态学专论》（Ecological Monogkaphs ）杂志上发表的一系列文章，是按照进化的观点对这个问题的最出色论述］。最引人注意的事实是，不是一种定期性蝉，而是三个不同的种精确地遵守同一时间表，严格同步地出土。不同的区域可能有些差别，在芝加哥的种群与在新英格兰的种群并不同时出土，但是每一“类”17年同期的蝉（美国南方是13年）则一样——在同一地区三种蝉总是同时出土。詹曾认识到蝉与竹虽然有着生物学上和地理上的差别，却反映出同一个进化问题。他写道，最近的研究表明，“除了在计算年的方式上，这些昆虫与竹子没有明显本质的区别”。

作为进化论者，我们探讨“为什么”问题的答案。特别是为什么进化出这样令人惊讶的同时性？以及为什么这种有性生殖的间隔期这么长？正如我在论述一些飞虫的弑母行为（见文章10 ）时提出的，当我们要想满意地解释那些直觉看来特异和奇特的现象时，自然选择理论是最有力的支持。

在这个案例中，我们面对的问题不只是这种浪费（因为很少的种子可以在如此拥挤的土地中发芽）的表面特异性。开花与出土的同时性似乎反映出的不仅是个体而且更是作为整个物种的有序与和谐。然而达尔文的理论并不倡导其他更高的原则，只是个体追求自身利益，那个体自己的基因在后代中的份额。我们必须探讨同时性对个体的蝉或竹来说有什么优势。

亚当·斯密在倡导以自由竞争、不受约束的政策作为通向和谐经济最有保障的途径时，也遇到类似的问题。斯密提出，理想的经济，应该表现出秩序和较好的平衡，但这是通过那些只追求自身利益的个人之间的相互作用而“自然地”表现出来的。斯密在其著名的警句中指出，通向更加和谐的明显途径，只是一只“看不见的手”作用的反映：

作为每一个人……以尽可能产生最大价值的方式从事（他的）产业，旨在使自己获利，他是这样，其他许多人也是这样，于是，在看不见的手的指导下，促成一种并非他本意的结局……他通过追求自己的利益，从而不断地比他真心打算的那样更有效地促进了社会。

由于达尔文是将亚当·斯密的观点移植到自然界中建立了自然选择理论，所以我们必须探讨解释这种有利于个体优势中的明显和谐。然而，蝉或竹有性接触稀少，而且是与所有同伴同时有性生活的，这样，作为个体获得了什么？

为了认清最可能的解释，我们必须认识到人类生物学经常提供贫乏的模式说明其他生物的斗争。人类是生长缓慢的动物。我们把大量的能量投入培育数目稀少、成熟缓慢的后代上。我们的群体不受个体大批死亡的控制。然而其他生物在“生存斗争”中却遵循着不同的策略：它们生出大量的种子或卵，希望（姑且这样说）少数个体能够度过早期生活的严酷。这些生物常受到捕食者的制约，它们进化出的抵御策略肯定是减少被吃掉的机会。蝉和竹的种子显然是许多生物的美味佳肴。

自然史在很大程度上就是以不同的适应逃避捕食的故事。有些生物躲藏起来，有些味道不佳，有些长出刺或坚硬的外壳，还有一些进化得看起来很像有毒的亲戚，诸如此类，无奇不有，都是由于自然界的缤纷。竹和蝉遵循一种罕见的策略：它们太显眼，太容易得到，但是不常出现，而且数量多得使捕食者无法吃尽。进化生物学家将这种防御叫作“捕食者满足”。

一种有效的捕食者满足策略包括两种适应。首先出现或生殖的同时性必须非常精确，从而保证市场的充裕，而且时间很短。其次，这样的充裕并不常见，使得捕食者无法将生命周期调整得与预期的食源充裕相符。假如竹子每年都开花，那么食它种子的动物就可追踪到这个周期，并在每年食物丰盛时产下大量的幼崽。但是假如竹子开花期的间隔长得超过任何捕食者的生命周期，那么这个开花周期便无法追踪（除了一种特殊的灵长类可以在自己的历史中记载）。个体竹子和蝉的同时性优势显而易见：任何步调不一致者会很快被吃掉（蝉中的“迷途者”偶尔不是按时出土，但它们绝没有立足点）。

捕食者满足假说，虽然没有被证实，却是成功解释的一个主要标准：它使一些不太相关的观察协调了起来，而且在这个案例中尤其如此。例如，我们知道，许多动物，包括许多生命周期长的脊椎动物都爱吃竹子的种子，这样便好理解了为什么开花期为15年或20年的竹子很少。我们还知道同时产出的种子可以占满一定的区域。据詹曾记载，在一个地区亲本植物下面的种子竟达6英寸厚，在开花期，两种马达加斯加竹子在10万公顷地区里，每公顷种子达50公斤。

三种蝉的同时性尤其令人难忘——特别是因为地区不同，蝉的出土年份也不同，但在同一地区三种蝉却一直同时出土。但我对周期性定时本身有很深的印象。为什么有13岁和17岁的蝉，而没有12、14、15、16或18年的周期。13年和17年具有共同性，它们超过任何捕食者的生命周期，但它们还是素数（不能被任何小于它们的整数整除）。许多潜在捕食者的生命周期2～5年。这样一个周期不可能大量获取定期性的蝉（因为望年常是蝉不出土的年份），但周期重合便可以捕到大量的蝉。假如一个捕食者的周期为5年，捕食者便可以赶上每一次蝉的丰盛。经过大的素数循环，蝉降低了周期的重合（在这种情况下，每一次重合为5×17年，或85年）。13年或17年的周期很难被短命的动物追踪到。

按照达尔文的看法，绝大多数动物靠斗争才能生存。生存的武器不一定是尖牙利爪，生殖的模式也可以，偶尔的丰盛也是通往成功的一个途径。有时候孤注一掷是一种优势，但是要确保量的充足，而且不能经常这样做。

12　完美问题，或一个蚌为什么能在后端负着一条鱼

1802年，佩里副主教（Archdeacon Paley）通过列举生物对指定角色的出色适应，表达了对上帝的赞美。脊椎动物眼睛的机械性完美引发了关于上帝仁慈的热烈讨论；一些昆虫与人畜粪便奇妙的相似也引起人们对上帝的赞叹。上帝一定保护他的所有创造物，无论巨大的还是渺小的。进化论最终阐明了副主教所说的杰出设计，但他的自然神学却苟延了下来。

现在的进化论者进行同样的比赛，使用同样的队员，但规则变了。我们现在怀着同样的惊奇和赞叹获悉，自然选择是杰出设计的动因。身为达尔文的知识继承者，我并不怀疑这样的归因。但是我还有其他的根据来相信自然选择的力量：正如达尔文所称，并不是依据“极为完美和复杂的器官”得出的自然选择理论。事实上，达尔文确实看到杰出设计是他们的理论要面对的一个问题，他写道：

设想具有无可比拟的构造、调节不同距离的焦距、接受不同程度的光亮、球面像差和色差精确的眼睛可能是自然选择形成的，我承认，这显得很荒谬。

在文章10 中，我用瘿蚊说明了与适应相反的问题那些看起来毫无意义的结构和行为。但是用“极为完美的器官”并没有清楚地表达器官的价值，困难在于如何解释完美器官的形成。在达尔文的理论中，复杂的适应并非一蹴而就，因为当更适应的生物突然出现时，自然选择要做纯毁灭性的工作，淘汰不适应的生物。在达尔文的体系中，自然选择具有建设性的作用，它经过一系列中间阶段，将（显得是最终产物组成部分的）连续的新颖成分结合在一起，逐渐建立起适应。但是怎样建立一系列合理的中间类型？作为眼睛先驱物的最初微小阶段的价值是什么？模仿粪便的昆虫是受到很好的保护，但从别的角度看有可能只有5%像粪便吗？达尔文的批评者将这个疑难称作确定“有用结构最初阶段”的适应值问题。达尔文试图通过找到中间阶段并确定各阶段的统一来予以反驳：

位于Lampsilis ventrlcosa顶上的一条带有眼点和尾的“鱼”。当一条鱼接近时，这个蚌释放出幼体；有一些幼体进入鱼口，并且在鱼鳃找到合适的地方，在那里它们发育成熟（约翰·H.威尔施）

理性告诉我，如果能表明存在着从简单不完美眼睛到复杂完美眼睛的大量中间阶段，而且每个阶段对拥有者来说都是有用的——那么相信经过自然选择可以形成完美复杂眼睛的困难——虽然按我们的想象难以克服，将不再被认为是对这个理论的颠覆了。

这一争论依然激烈，极为完美的器官依然是现代特创论者手中的重武器。

每一位博物学家都有他喜欢的令人敬畏的适应例子。我喜欢的例子是在一些淡水蚌（Lampsilis）上发现的“鱼”。像多数蚌一样，这些蚌部分生活在水底，后端露出。位于露出部分的顶端结构谁看都像是一条小鱼。它有一个流线型身体，惟妙惟肖的边瓣，后面有尾，前面有眼点。而且，信不信，边瓣的波动是酷似游动的一种有节奏运动。

多数蚌把卵排在周围的水域，卵在那里受精并进行胚胎发育。但是雌性珠蚌（淡水蚌的技术名称）将卵保留在身体内，在那里雄性释放到水中的精子使卵受精。受精卵在蚌鳃的管中发育，从而形成一个孵化袋，即一个育儿袋。

在珠蚌中，怀孕雌性的膨大并延长的育儿袋形成代用品鱼的“身体”。包着这个鱼的是两边对称的套膜，套膜是包裹蚌整个软体部分的“皮肤”，通常只延展到蚌壳边缘。延长的套膜从细微结构和颜色上看都像鱼，还确实在一端有摆动的尾，另一端有眼点。位于套膜边缘里面的一个神经节刺激“鱼”瓣。随着瓣有节奏的运动，从尾部开始的一种搏动，缓慢地向前传动，使得身体上整个瓣都突凸出来。这种由育儿袋和套膜形成的复杂装置，不仅看起来像一条鱼，而且活动起来也像鱼。

为什么一个蚌的后端负着一条鱼，从这种蚌罕见的生殖生物学中可以找出答案。珠蚌的幼虫在早期生长中若没有自由游动过来的鱼就不能完成发育。多数珠蚌的幼虫有两个小钩，当它们从母体的育儿袋中释放出来后，落到水流的底部，等待游过的鱼。但是Lamipsilis的幼虫没有这种小钩，不能主动吸附。为了生存，它们必须进入鱼的口中，运动到鱼鳃中有利的一边。这种蚌的代用鱼是一种能动的诱物，形态和活动像这种蚌的幼虫必须要吸附的鱼。当一条鱼靠近后，这种蚌从育儿袋中释放出幼虫，有些幼虫被这条鱼吞掉，从而使幼虫找到通往鱼鳃的途径。

一种相关的属，Cyprogenia的计谋更重视吸引宿主的重要性。这些蚌利用后来艾萨克·沃尔顿（Izaak Walton） [6] 的门徒重又发明的方式“钓鱼”。Cyprogenia的幼虫吸附在由母体中蛋白质形成的一种鲜红色“蠕虫”上，这些“蠕虫”由吸管挤出。有些观察者报道过鱼是如何发现和吃掉这些“蠕虫”的，在通常情况下，当“蠕虫”从母体的吸管挤出时，鱼便咬住了它。

我们无法再怀疑诱物“鱼”的适应意义了，但是它们是怎么进化来的？育儿袋和套膜瓣怎么就构成它们的计谋？我们的直觉可能更倾向认为这是幸运的偶然或预定的方向，而不是自然选择经过一些中间形态逐渐建构成的，至少在初级阶段不可能看起来像一条鱼。Lampsilis复杂的“鱼”是说明达尔文深刻难题的一个经典例证。我们能设想出这些有用结构最初阶段的进化意义吗？

现代进化论者提出了解决这个难题的一般原则，这个原则中含的概念有一个不幸的名字，叫“预适应”。（我说不幸是因为这个词的意思是物种在进化史中提前适应了即将发生的事件，因此明确相反的含义已经含在其中了）一个科学假说的成功常有出其不意的成分在其中。问题的解决通常由于重新仔细地构想问题，而不是按照旧框架勤奋地收集新的信息。利用预适应原则，我们通过接受标准的反对意见，去掉了初级阶段功能的难题，并且承认中间形态的作用与后来形态的作用不一样。我们通过提出最初的结构并不是用于视觉，从而避开了那个著名的问题：5%的眼睛有什么用？

援引一个标准的例子，最初的鱼没有颌。颌这种包括若干互相连接骨骼的复杂结构是怎样侥幸进化来的？甚至“侥幸”产生出红鲱。这些骨头存在于鱼的祖先中，但用途不同，是用来支持口后部的鳃弓。它们的构造很适合呼吸作用，选择出来的这些骨头就是用于这个目的，并且不“知道”以后的任何功能。事后再看，这些骨头令人惊奇地预适应地成为颌。这种复杂的构造已经形成，但它是用来呼吸的，而不是用来吃东西的。

艾萨克·李（Isaac Lea）在1838年发表了这幅代用“鱼”的图。感谢约翰·H.威尔施送给我这幅图

还有一个类似的例子，鱼的鳍怎么能成为陆上用的肢？多数鱼的鳍由纤细的鳍刺构成，无法支持陆地上动物的重量。但是有一个特殊的淡水鳍鱼类，一种底栖的鱼，即我们的祖先，进化出具有强有力的中轴及少量放射突起的鳍。这种鳍极好地预适应地成为陆上用的肢，但它纯粹是出于水中使用的目的进化出来的，可能是利用中轴支撑水底来快速转动，从而可以沿水底急行。

简而言之，预适应原则就是认为无须极大改变形态就可以极大改变功能。我们可以认为，中间形态的建立是由于新的功能发展时旧的功能依然保留着。

预适应原则能帮助我们理解Lampsilis怎样有个小鱼吗？如果我们能找到两个条件是可以的：（1）我们必须找到一种中间形态，其中“鱼”的至少某些部分是用于其他目的；（2）我们必须确定“鱼”的前身并非有视觉上诱饵的功能，“鱼”是逐渐与真的鱼奇妙相似的。

Lampsilis的表亲Ligumia nasuta看起来符合第一个条件。这个物种怀孕的雌性并没有套膜瓣，但它有黑色片段的缎带状膜将部分张开的壳连接起来。Ligumia利用这些膜产生出一种不寻常的有节奏运动。在壳的中间部分，缎带状膜向两边分开，形成几毫米的缝隙。通过这个缝隙，内部柔软的白色部分，透过缎带状膜的黑色片段伸了出来。这个小白点好像向着壳背运动，如同沿着膜传动的不同波动。这些波动大约每两秒钟重复一次；J.H.韦尔什（J.H. Welsh）在1969年5月号的《自然史》杂志（Natural History ）中写道：

这种节奏一直很规则，在一位人类观察者看来，以及或许在一条鱼看来，这里引人注目的特征，是衬着蚌及蚌半埋其中的水底黑色背景，白点显眼的运动。对宿主鱼来说，这当然是一个诱饵。而且可能代表了一种特异的适应，由此进化出精致的似鱼的诱饵。

我们还是面对着引诱鱼的装置，但是机制是抽象的，引诱鱼的是规则的运动，而不是视觉上的模仿物。假如瓣正在发展中，正在越来越像鱼时，这种装置就起作用了，那么就不存在初级阶段的问题。套膜的运动从一开始就引诱了鱼，一种“其他技术”的缓慢发展不过加强了这一过程而已。

Lampsilis本身符合第二个条件。虽然没有人可以否认视觉上类似诱饵的意义，然而著名的Lampsilis研究者L.R.克莱默（L.R. Kraemer）却怀疑一般假设中所认为的身体“瓣的摆动”只是模仿一条鱼的运动。她相信进化出瓣的摆动可能是为育儿袋中的幼虫充气，或者为了幼体释放后可以悬浮在水中。假如瓣的摆动从一开始就有别的优点，那么瓣侥幸类似鱼可能是一种预适应。在这些瓣行使其他重要功能时，自然选择可以改善它最初不完备的模仿。

从常识中很难导出科学的见解，因为常识主要代表了文化上的偏见，而不是赤裸的皇帝面前一个小男孩的纯朴和诚实。批评达尔文的人根据常识提出，形态上的逐渐改变必定表现出功能上的进步。因为他们确定不了一个功能在最初不完备阶段的适应值，所以他们便认为最初阶段或许不存在（完备的形态是一下子创造出来的），或者认为最初阶段不是由于自然选择产生的。预适应的原则——结构延续中的功能变化——可以解决有关最初阶段的难题。达尔文在结束关于眼睛论述的章节时，透彻地评价了“常识”：

当第一次提出太阳不动而是地球围绕太阳运动时，人类的常识表明这个观点错了；但是老话所谓的民众之声就是上帝之声——正如每一位哲学家所知——在科学中可能不对。

[1] 伏尔泰（1694—1778），法国启蒙思想家、作家、哲学家，代表作有《哲学书简》、小说《贡第德》等。——译注

[2] 麋鹿在西文中一般指的是鹿属（Cervus）中的大型动物；爱尔兰麋鹿属于大角鹿属（Megaloceros）；而鹿则泛指鹿科动物。原产我国的“四不像”，学名也叫麋鹿，却是不同的属（Elaphurus）。——译注

[3] 托马斯·杰弗逊（1743—1826），美国第三任总统（1801—1809），《独立宣言》的主要起草人，对博物学有很深的造诣。——译注

[4] 鲁伯·戈德堡（1883—1970），美国连环漫画家。他的画的内容过于强调技术的作用，他的名字成了“庸人自扰”的同义语。“鲁伯·戈德堡机器”意指设计糟糕的机器。——译注

[5] “地蝗”是美国人对蝉的俗称，如同我国人将蝉又叫“知了”。——译注

[6] 艾萨克·沃尔顿（1593—1683），英国传记作家。他的代表作是《钓客清谈（》中文版，海南出版社，2006），这是一部描写钓鱼的快乐与技巧的古典田园诗。——译注

第四部分
生命史中的模式与间断

·　生命的五边形

·　无名的单细胞英雄

·　寒武纪的爆发是一种S形曲线骗局吗

·　大灭绝

13　生命的五边形

我十岁时，很害怕电影《事件》（The Thing ，1951）中那个叫詹姆斯·阿内斯（James Arness）的巨大的食肉胡萝卜。几个月前，年龄已经增长、智慧也已增加、同时不满也愈多的我怀着满腔怒火又看了电视中重放的这个电影。我认识到，作为政治文献，这个电影表达了冷战时期美国最糟糕的情感：影片中的英雄是一位坚强的军人，他要独自摧毁所有的敌人；相反的角色是一位纯朴的自由主义科学家，他想对美国有更多的了解；那个胡萝卜及其飞碟，是红色恐怖的象征；电影中的结束语是一位新闻记者充满深情的请求：“看那天空”——请求扩大恐怖和扩张主义。

我从中却通过类比而产生出一种科学思想，而且产生出这篇文章——所谓绝对的分类差异都是模糊的。有人告诉我们，这个世界上居住的动物可分作具有概念化语言的动物（我们人类）和那些没有语言的动物（其他动物）。但是黑猩猩现在可以交谈（见文章5 ）。所有的生物要么是植物要么是动物，但是阿内斯先生作为可以活动的巨型植物的角色更具人性（也就更可怕些）。

不是植物就是动物，我们基本的生物多样性概念就是根据这样的区分。然而这种区分反映出一种偏见，是我们的陆生动物地位产生了这种偏见。实际上，假如我们因为真菌有根（虽然它们不进行光合作用）而将真菌定为植物的话，我们还可以清楚地定位我们周围土地上的微生物。然而，假如像海洋浮游小生物一样漂浮，我们就不会做出这样的划分。在单细胞水平，界线很模糊：既有含有功能性叶绿体的能动“动物”，还有与任何形态都不相关的像细菌那样的单细胞生物。

分类学家将所有生命只划分为两个界，植物界和动物界，从而编织了我们的偏见。读者可能将一种不恰当的分类视为浅薄的分类，然而，即使我们正确地归类生物，谁又在意我们的基本阶元是否能很好地表达生物的丰富和复杂？但是一种分类并不是一个中性的挂帽架，分类表达的是左右我们概念的关系理论。动物与植物的这种普罗克拉斯提斯（Procrustean）系统 [1] ，扭曲了我们的生命观，而且无助于我们理解生命史的一些重要特征。

几年前，康奈尔的生态学家H.魏塔克（R.H. Wittaker）提出一种五界系统，说明生命的构成（《科学》，1969年1月10日）。最近，波士顿大学的生物学家林恩·马古利斯（Lynn Margulis）支持并扩充了魏塔克的框架（《进化生物学》，1974年）。他们利用单细胞生物开始对传统的二分法进行了批评。

人类中心说具有非常广泛的影响，从矿区的露天剥采到捕鲸。民间分类学只是使我们清楚地区分和我们相关的生物与大量关系不近的“简单”生物。每发现一种新的牙齿，我们便确定一种新的哺乳动物，但我们却倾向于将所有的单细胞生物都算作“原始的”生物。然而，专家们现在提出，生物中最基本的划分并不是在“高等”的植物与动物之间，而是在单细胞之间，一边是细菌与蓝绿藻，另一边是其他藻类和原生动物（阿米巴、草履虫等）。按照魏塔克和马古利斯的观点，哪一个单细胞类群称作植物或动物都不合适，对于单细胞生物，我们必须划分出两个新的界。

细菌和蓝绿藻没有内部结构或高等细胞的“细胞器”。它们没有细胞粒，没有染色体，没有叶绿体，也没有线粒体（高等细胞的能量“工厂”）。这样简单的细胞叫作“原核的”（prokaryotic，意思是有核之前的，来自古希腊语Karyon，意思是“核”）。具有细胞器的细胞被称作“真核的”（具有真的核）细胞。魏塔克认为这样的区分是“对生命界不同的层次做出的最清楚最有效的划分”。三个不同的论据支持这种划分。

1. 原核生物的历史。我们最早的生命证据来自已有30亿年历史的岩石。从那时直到10亿年前，所有的化石证据表明存在的只是原核生物，蓝绿藻席是地球上最复杂的生命形式。至于自那时以后，看法则不同了。加州大学洛杉矶分校的古生物学家J.W.肖夫（J.W. Schopf）相信他在澳大利亚的岩石中找到的是10亿年前存在的真核藻类。其他人则认为肖夫所说的细胞器实际上是原核细胞死后降解的产物。假如这些批评是对的，那么我们仍然缺乏证据证明有真核生物存在于前寒武纪后期，这一时期是6亿年前寒武纪大“爆发”之前（见文章14 和15 ）。无论如何，在整个生命历史的2/3或5/6时间内，在地球上居统治地位的是原核生物。肖夫根据大量的依据，将前寒武纪称为“蓝绿藻时代”。

2. 有关真核细胞起源的一个理论。马古利斯最近几年唤发起人们对于她捍卫的一个旧理论的兴趣。这个理论当初显得很荒谬，但很快人们对于它即便不赞成，也不得不重视。我当然支持这个理论。马古利斯认为真核细胞是作为原核细胞的集群产生的，简单地说，就是我们的细胞核和线粒体起源于独立的原核生物。有些现存的原核生物可以侵入真核细胞中，并作为真核细胞的共生体生活。多数原核细胞的体积和真核细胞的细胞器差不多；进行光合作用的真核生物的叶绿体与一些蓝绿藻的整个细胞非常相似。最后，一些细胞器有自己的自我复制基因，这是它们以前作为整个独立状态生物的遗迹。

3. 真核细胞的进化意义。避孕的倡导者完全根据他们的生物学提出性与生殖有不同的目的。生殖使物种繁衍，而原核生物的无性芽生和分裂生殖是最有效的途径。而另一方面，性的生物功能是通过两个（或多个）个体基因的混合产生变异性。（性通常与生殖相结合，这样有利于在子代中产生基因的混合）

生物中只有存在大量的遗传变异，才可能产生明显的进化变化。自然选择是通过在广泛的基因库中保存有利变异的创造性过程。在这种程度上，性可以提供变异。但是有效的有性生殖需要将遗传物质包装在分离的单位（染色体）中。因此，在真核生物中，性细胞具有正常体细胞一半的染色体，当两个性细胞结合产生一个后代时，原来的遗传物质量又恢复了。而另一方面，原核生物的性是不常见和无效的。（这种性没有方向性，只有少量基因从施与细胞向接受细胞的传递）

无性生殖完整地复制亲代细胞，除非有一种新的突变介入产生了小的变化。但是新的突变并不常见，无性的物种不保持有效的进化变化所需的充足变异。20多亿年了，藻席还是藻席。但是真核细胞却使性成为事实，而且，不到十亿年的时间，已经有了我们人类、蟑螂、海马、牵牛花和帘蛤。 [2]

简而言之，我们应该利用现在最高级的分类来区分认识原核单细胞生物与真核单细胞生物之间的差异。这种分类在单细胞生物中确立了两个界：包括原核生物（细菌和蓝绿藻）的原核生物界；包括一些真核生物的原生生物界。

在多细胞生物中，植物界和动物界依然按照传统的分类。然而，第五界呢？是真菌。我们的普罗克拉斯提斯式二分法将真菌划入植物界，大概是因为真菌有一个小根。但这个使人误解的特征是真菌仅有的类似植物的地方。高等真菌具有一个管子系统，表面上类似于植物的微管系统，但是植物的微管系统中流动的是营养物，而真菌的管子中流动的是原生质。许多真菌的生殖是将若干个体的细胞核结合成一个多核组织，而没有细胞核的融合。植物与真菌的差别还有许多，但是在一个重要的事实面前，二者的差别最为明显：真菌不进行光合作用，它们生活在食源上，通过吸收作用进食（通常是通过分泌外消化酶）。于是真菌成了第五个，也是最后一个界。

正如魏塔克所说，多细胞生命的三个界代表了一种生态的和形态的分类。植物（生产）、真菌（还原）和动物（消费）代表了我们这个世界上三种主要的生存方式。而且，作为对我们自我重要观的一种致命打击，我不得不指出，生命的主要周期是在生产者和还原者之间进行的，这个世界如果没有消费者会更好一些。

我喜欢五界系统，因此它清楚地讲述了生物多样性的故事。五界系统按复杂性增加的三个层次排列生命：原核的单细胞（原核生物界），真核的单细胞（原生生物界）和真核的多细胞（植物界、真菌和动物界）。而且，随着生物层次的上升，生命变得愈加多样化，这与我们的预期相同，因为生物结构与功能复杂性的增加，使变异的机会增多。世界上原生生物比原核生物有更多差异明显的种类。在第三个层次上，多样性更大了，以致我们需要三个不同的界才能涵盖这个层次。最后，我应该指出，从一个层次到另一个层次的进化转变不止发生一次，复杂性增加的优势是巨大的，致使许多独立的线系趋同到极少数可能的出路上。每一界的成员，是由于共同的结构，而不是由于共同的由来，被组合到一起的。按照魏塔克的观点，通过原生生物，至少四次进化出植物，至少五次进化出真菌，至少三次进化出动物（特殊的中生动物、水蝗及其他）。

乍一看，三个层次五个界的系统好像记录了生命史上的必然进步。多样性增加与多重转变似乎反映出一种确定无疑向着更高等生命的进步。但是地质记录并不支持这种解释。在生命构造与功能的更高水平发展中，并不存在稳定的进步。相反，在整个生命系统中，既有变化很小的枝杈，又有没有变化的枝杈，还有突发进化的枝杈。在生命史的最初2/3或5/6时间里，原核生物界独自生居在这个地球上，我们找不到从“低等”原核生物到“高等”原核生物的稳定进步。同样，自从寒武纪大爆发以来，我们的生物圈中，并没有增加其他的生命式样（虽然我们可以认为在诸如脊椎动物和微管植物中生命的式样发生过有限的改变）。

然而，整个生命系统是在6亿年前，即生命历史的大约10%阶段的寒武纪大爆发期间产生出来的。我将确定出两个主要的事件：真核细胞的进化（由于有效的有性生殖提供了遗传变异性，从而有可能进一步增加多样性）和多细胞真核生物的爆发性辐射导致的生态空间被充分填充。

没有生命的世界是寂静的，有了生命世界也曾相对寂静过。假如仅从地质和生态的效果看，近代意识的进化可能是自从寒武纪以来最剧烈的事件。进化中的主要事件并不要求生命新式样的起源。只要生物界最近的产物对自身有足够的节制，以保证这个世界的前途的话，那么易变的真核生物还会继续产生出新奇与多样性。

14　无名的单细胞英雄

德国伟大的进化论普及者恩斯特·海克尔（Ernst Haeckel）热衷发明新词。他的多数发明继他死后的半个世纪便销声匿迹了，不过保留下来了“个体发育”“系统发育”和“生态学”。最后这个词现在还面临词义扭曲的命运，这个词由于使用得过广过滥而失去了词义。现在普遍的用法是将“生态学”作为一个标签来标志任何远离城市的好事物及其中不含化学物质的东西，这样的用法有害于这个词。在更局限的技术含义中，生态学是对生物多样性的研究，生态学侧重生物与其环境的相互作用，以探讨进化生物学中的最基本问题：“为什么有这么多生命种类？”

在达尔文理论提出后的100年间，生态学家探讨这个问题并不成功。在面对生命的广泛多样性问题，他们选择了经验的途径，在有限的领域收集了有关简单系统的大量资料。现在，达尔文的《物种起源》出版之后已过了120年，进化领域中的这个灰姑娘又成了头面人物，由于那些具有数学背景科学家的努力，促使生态学家建起了生物相互作用的理论模型，并且利用这些模型成功地解释了来自野外的资料。我们终于开始理解（并量化）生物多样性的原因。

一项重要的科学进展，常常通过对相关领域长期未决问题的解决提供的关键成分，而扩展它的影响。研究最小“生态”时间维度（季节之间或最多是年之间生物相互作用）的理论生态学已经影响了研究大维度时间领域，即生命30亿年历史的古生物学。在文章16 中，我将讨论一种把生物多样性与生物居寄地联系起来的生态学理论如何解释了二叠纪的灭绝。我在这里要提出，另一种生态学理论，多样性与捕食相互关系的理论，能够提供解决古生物学中第二个最大难题——寒武纪生命“爆发”问题的线索。

大约6亿年前，在地质学家称作寒武纪的开始，绝大多数无脊椎动物在几百万年的很短时间内出现了。在以前的40亿年间，地球历史中发生过什么事情？是什么在早期的寒武纪世界能够激发这样的进化活动爆发？

自从进化的观点在100年前取得胜利后，这些问题就困扰着古生物学家。虽然进化的突发与大规模的灭绝与达尔文的理论并不对立，然而，西方思想的一个根深蒂固的偏见却促使我们寻找连续逐渐的变化，“自然并不产生飞跃”，这是更早的博物学家们所宣称的观点。

寒武纪的爆发问题曾使达尔文很挠头，他在《物种起源》的最后一版中写道：“这个问题现在肯定还不能理解，而且会很快被用作反对这里所论述观点的有力论据。”实际上，在达尔文时代，情况更糟。当时没有发现任何前寒武纪的化石，寒武纪突然增多的复杂无脊椎类是最早的地球上生物的证据。假如这么多生命形态在同一时间产生，而且具有最初的复杂性，人们能不认为是上帝选择了寒武纪作为创造生命的时期（或六天）吗？

达尔文的困难已经部分被克服，我们现在已经得到30亿年前的前寒武纪生命的记录。在一些地区的岩石中发现的化石细菌和蓝绿藻的生活年代为20亿～30亿年前之间。

尽管有前寒武纪古生物学的激动人心的发现，却没有转移寒武纪爆发的问题，因为在前寒武纪发现的只是简单的细菌和蓝绿藻（见文章13 ），以及一些像绿藻一样的高等植物。复杂的后生动物（多细胞动物）的进化还像是突发的。（在澳大利亚的埃迪卡拉已经发现了一种前寒武纪的动物群。其中有些与现代的扇形珊瑚、水母、蠕虫类生物、节足动物有一定亲缘关系，还有两种不像现存任何动物的神秘形态。然而埃迪卡拉岩层仅位于寒武纪层的下面，而且只是根据非常细长的岩层边才确认为属于前寒武纪的地层。将在世界其他地区的少数非常孤立的发现也算作前寒武纪的发现同样很勉强）问题或许增加了，因为对前寒武纪岩石所做的越来越广泛的研究摧毁了过去流行的观点，即前寒武纪存在后生动物，只是我们没有找到。

前100年的论据产生出科学解释寒武纪爆发的两种基本策略。

第一种策略是，我们应该认为寒武纪爆发是一种假象。西方人的偏见认为，进化是缓慢逐渐的。所谓的爆发只是表明首次在化石生物记录中发现了早在前寒武纪就已经存在并发展的生物。然而是什么阻碍了如此丰富动物群的石化，关于这个问题有各式各样的说法，有的绝对荒谬，有的则很合理。下面仅引用几个：

（1）寒武纪代表着首次保存了不变的岩石，前寒武纪地层历经热与压力，其中的化石已经销毁了。毋庸置疑，这是一种经验性的错误认识。

（2）在寒武纪之前，生命在陆地湖泊中进化。寒武纪代表了这些动物群向海洋的迁徙。

（3）所有早期的后生动物是软体的。寒武纪代表了可石化硬体部分的进化。

因为发现了在前寒武纪化石沉积层中存在大量像藻类那样简单的生物，第一种策略很难再流行。尽管如此，第一种策略中根据硬体部分论据的概念还是包含了一种真理的成分，虽然这种策略无法给出全部答案。没有壳的蚌是不能生活下去的动物，不可能使软体动物随便穿上什么就能活下去。精细的鳃和复杂的肌肉系统的进化显然与硬的外壳相关。硬体部分的出现通常要求任何可能的软体动物祖先的整个身体同时发生复杂的变化；因此，动物硬体外壳在寒武纪的突然出现意味着具有这种外壳的动物确实发生了迅速的进化。

第二种策略是，我们可以宣称寒武纪的爆发代表了复杂性非常迅速进化的真正事件。寒武纪后生动物（简单软体动物先驱）的环境，一定发生了什么事件，以致产生了这么迅速的进化爆发。我们只有两个相互重合的可能性：物理环境的变化或生物环境的变化。

1965年，达拉斯的两位物理学家劳埃德·V.伯克纳（Lloyd. V. Berkner）和劳里斯顿·C.马歇尔（Lauriston C. Marshall）发表了一篇著名的文章，提出寒武纪的生命爆发是由地球大气的氧水平这个物理成因直接造成的。地质学家同意地球最初的大气中含有很少或没有自由氧。氧是作为生命活动——前寒武纪藻的光合作用——的结果逐渐形成的。后生动物由于两个原因需要高含量的自由氧：用于呼吸作用是直接的原因；间接的原因是，当紫外线接触地表上的生物之前，氧以臭氧的形式在大气层吸收了大量有害的紫外线辐射。伯克纳和马歇尔提出的观点，只不过是寒武纪标志大气中氧首次达到足以用于呼吸作用和防止有害辐射的水平。

但是地质证据却摧毁了这个有吸引力的观点。（寒武纪时的）光合作用的生物大概是比25亿年前丰富多了，难道这就有理由认为需要20亿年才能形成足够呼吸作用使用的氧吗？而且10亿与20亿年间的广泛沉积层中含有大量严重氧化的岩石。

伯克纳和马歇尔的假说是一种态度的具体表现，这种态度普遍存在于那些不能充分认识复杂性的非生物学家当中，他们用可怜的机械模型来说明活生生的生物。物理模型通常适用于像撞球那样自动对物理作用做出反应的简单而且无主动能力的物体。但是一个生物不可能这样简单地摆弄。生物当然不是自动进化的。伯克纳和马歇尔的假说建立在我称之为“物理主义”的撞球思想上，他们认为，当存在的物理障碍取消后，后生动物就会立刻自动产生。然而，足够氧的存在并不保证任何呼吸氧气的东西可以立即进化。对后生动物的进化来说，氧是必要条件，但可惜并不是充分条件。事实上，在寒武纪爆发之前，足够的氧大概已经存在了10亿年。或许我们应该看一下生物的动因。

约翰，霍普金斯大学的斯蒂文·M.斯坦利（Stever.M. Stanley）最近提出一个受欢迎的生态学理论，即“收割原则”，可能就是生物的动因（《国家科学院院刊》，Proceedings of the Noitional Academy of Sciences ，1973）。伟大的地质学家查尔斯·莱尔（Charles Lyell）提出过，科学假说与常识的不同之处在于科学假说是精美和令人激动的。收割原则就是这样一种与直觉不同的观点。在考虑生物多样性的原因时，我们可能会认为，一种“收割者”（草食或肉食）的引入可能会减少给定地区的物种数目。首先，假如一种动物收割处女地的食物，这样应该是多样性减少，并且完全排斥了一些稀少的物种。

事实上，通过对生物如何分布的研究，产生了相反的看法。在初级生产者（利用光合作用制造自己所需的营养，而不食用其他生物的生物）的群落中，一种或少数几种物种在竞争中将占优势，并将独占这个空间。这样的群落，可能生物量很大，但是种数稀少。收割者在这样的系统中倾向于捕食数量多的物种，于是便限制了这种物种的统治能力，并为其他的物种腾出了空间。进化良好的收割者会食用它们喜欢捕食的物种，但不会对这种物种斩尽杀绝（以免自己死于持久的饥饿）。一个良好的收割生态系统是混杂多样的，种数多，但每一种生物的数量少。换一种说法，在生态金字塔中，每增加一个新的层次，就会扩展其下面的层次。

许多野外的研究支持了收割原则：在一个人工池塘中放进捕食性鱼，会增加蜉游动物的多样性；从多样的藻类群落中去掉草食性海胆，会使一个物种在该群落中占据统治地位。

看一下保持了25亿年的前寒武纪的藻类群落，它完全由简单的初级生产者组成。它没有被收割过，正是由于这个原因，这种群落在生物学上属于单一不变的群落。由于物理空间被少数量大的类型顽强地占据着，所以这种群落的进化非常缓慢，从未有过丰富的多样性。斯坦利指出，寒武纪爆发的关键是草食收割者的进化，即食用其他细胞的原生生物的进化。收割者为生产者有更大的多样性制造了空间，而这种多样性的增加又导致更特异的收割者的进化。生态金字塔按两个方向迅速发展，较低层次的生产者增加了许多物种，在顶端又增加了新的食肉层次。

如何证明这种观点？最初的原生生物收割者大概没有被石化，它们或许是生命史上的无名英雄。然而存在着一些有参考价值的间接证据。前寒武纪最丰富的生产者群落作为叠层石（与沉积岩结合的蓝绿藻席）保存了下来。今天，叠层石仅盛产于缺少后生动物收割者的贫瘠环境中（例如超盐量的咸水湖中）。彼得·加勒特（Peter Garrett）发现，只有人工移走收割者，这些蓝绿藻席才能在更正常的海洋环境中生存下去。蓝绿藻席在前寒武纪的丰富，大概反映了当时收割者的贫乏。

斯坦利并不是通过经验性研究前寒武纪群落得出收割理论的，这个理论是演绎的论点，基于已建立的生态学原则，同时与前寒武纪世界的任何事实都不矛盾，并且与少量观察显得特别吻合。斯坦利在一个坦诚的结论性段落中，提出他的理论站得住脚的四个理由：（1）它显然解释了我们所知的关于前寒武纪生命的事实；（2）它是简单的，既不复杂，又不牵强；（3）它是纯生物学的，尤其避开援引外界的控制；（4）它主要是从已经建立的生态学原则直接演绎的产物。

这样的辩解与多数高中的教导及媒介传播中关于科学进步的最简单观点并不相符。斯坦利并不援引根据严格的实验获得的信息作为证据。他第二个理由是方法论的假定，第三个理由是哲学上的倾向，第四个理由是对原先理论的应用。只有斯坦利的第一个理由参照了前寒武纪的事实，而这个立论并不太强，只说明他的理论“解释”了已知的事实（许多其他的理论也这样）。

但是，科学中的创造性思维确实就是这样，并不是机械地收集事实和归纳出理论，而是一种复杂的过程，包括了直感、先见和其他领域的启迪。最好的科学，是将人类的判断和机智都置于科学的过程中。总之，科学是（我们有时竟忘了这点）人类的实践。

15　寒武纪的爆发是一种S形曲线骗局吗

罗德里克·莫奇逊（Roderick Murchison）在妻子的劝导下，放弃了猎狐的爱好，从事更高尚更欣悦的科学研究。这位贵族地质学家，将其第二事业的大部分时间用来证明早期的生命历史。他发现海洋第一次生命物质的增加并不是逐渐相继地增加更复杂的生命形式。相反，多数主要的生物类群差不多是在6亿年前，即地质学家现在叫作寒武纪初期同时产生的。莫奇逊这位虔诚的特创论者于19世纪30年代写道，这个时期可能代表了上帝最初决定生物在地球上生居的时期。

查尔斯·达尔文不安地看待这个观察。他设想，按照进化的要求，在寒武纪之前，海洋里已经“充满了活着的生物”。为了解释早期地质记录，他出于辩解的目的提出，我们现在的大陆上并没有积累前寒武纪的沉积层，因为那时现在的大陆上覆盖着清澈的大海。

我们现代的观点综合了这两种意见。当然，已经证明达尔文的中心论点是正确的。寒武纪的生命当然来源于生命的祖先，而不是来自上帝的创造。但是莫奇逊的基本观点反映的也是生物学的事实，而不是地质证据的不完备。前寒武纪（直到前寒武纪末期）的化石记录的不过是25亿年来的细菌和蓝绿藻，在接近寒武纪初期，复杂的生命以惊人的速度产生。（读者必须记住地质学家对迅速有独到的看法，1000万年的光阴充其量是慢慢的一闪。而且，1000万年是地球历史的1/450，在一个地质学家看来，那只是一瞬间）

100年来，古生物学家在尝试解释寒武纪“爆发”方面没有什么成果，“爆发”是指在寒武纪的最初1000万年至2000万年，生物多样性的突然增加（见文章14 ）。古生物学家普遍认为，难以理解的是爆发本身。因此，正确的理论应该解释为什么早期寒武纪是这样一个不寻常的时期：或许它代表着第一次积累了有利于呼吸作用的足够的氧，或许代表着早期使复杂生命无法生存的过热地球冷却了下来（比起复杂的动物来，简单的藻类可以在更高的温度下生存），或许代表着海洋化学物质的变化积累了大量的碳酸钙，这样软体动物才有可能包有保护性的骨架。

我现在感到我专业内的人们的态度已经发生了根本转变。或许我们一直错误地看待这个问题。或许爆发本身是在前寒武纪的事件活动中已确定为必然过程的预定产物。这样的话，我们应该相信，早期寒武纪时代无论如何没有什么“特殊”的，爆发的原因应该从造成复杂生命产生的更早事件中寻找。我最近觉得这种新的探索可能是正确的。寒武纪的爆发模式差不多符合一种生长的普遍规律。这种规律预示了迅速生长的时期。比起爆发之前的缓慢增长时期或爆发之后的平缓增长时期，爆发并不是更基本的（或需要特别解释的）。爆发之前时期的引发最终保证了后来的爆发。为了支持这种新的看法，我提供根据化石记录定量化的两个论据。我不仅希望用化石的定量化来说明我的特定例子，而且希望说明在曾经不太严谨的专业中，定量化可能起到检验假说的作用。

野外地质学家日复一日艰苦地工作，贡献出了细致的资料：绘制地层图，利用化石与物理的“重合”（年代近的在年代久的上层）得出时间上的相关性，记录岩石类型、颗粒大小和沉积的环境。有才华的年轻理论家轻蔑这类工作，他们认为野外地质学家从事的是缺乏想象力的工蜂式忙碌的工作。然而没有野外地质学家提供的资料作基础，我们就不会有科学（地质学）。在这个案例中，我们重新审视寒武纪的爆发，依据的就是近几年来主要由苏联地质学家建立的精细的寒武纪地层学。寒武纪早期的厚地层已经被再分为四个阶段，而且更精确地记录了最早的化石。对于以前仅记录成“寒武纪早期”的所有类群（因此成为明显的爆发），我们现在可以较好地绘制出最早出现顺序的表格。

罗彻斯特大学的古生物学家J.J.塞普科斯基（J.J. Sepkoski）最近做出从前寒武纪后期到“爆发”结束时的生物多样性增加的图表，为我们提供了最一般的增长模型，即所谓的S形曲线。例如典型的细菌群落在没有菌落的培养基中的生长，每个细菌细胞每20分钟形成两个子细胞。最初时的群体增加比较缓慢。（尽管细胞分裂的速度可以很快，但是能生活下来并分裂的细胞数量并不多，而且群体达到爆发期的速度很慢）这种最初“迟缓”期形式，是S形曲线缓慢上升的片段。接下来的爆发或“对数”期，表示一个实际群体像每20分钟产生两个子细胞的细胞那样的增长。这个过程显然不能延续下去：利用显而易见的推断就可以表明，那样的话，整个宇宙就会充满细菌。最后，由于空间充满，营养耗尽，居所被代谢物污染等原因，菌落达到稳定状态（或死亡）。这种平衡在对数期上封了顶，并且完成了S形曲线分布的S部分。

从细菌的生长到生命的演化还有很大的差距，不过S形曲线的增长是某些系统的一般特征。而且在这个案例中，这种类比差不多能够成立。可以将细胞分裂看作物种形成，将实验室器皿中的琼脂底物看作海洋。在前寒武纪末期，生命的缓慢增长就是迟缓期。［我们现在已经发现前寒武纪末期的动物群比较适中，主要是腔肠动物（软珊瑚和水母）和蠕虫］著名的寒武纪爆发只不过是这一连续过程的对数期，而后寒武纪期的平缓表明世界海洋的生态角色开始衰退（后来陆生生命发生进化）。

假如S形曲线增长规律控制了早期的生命多样化，那么寒武纪的爆发就不是什么特殊的事情。它只不过是由两种因素决定的对数期：（1）发生在前寒武纪时期的引发迟缓期的事件。（2）允许S形曲线增长的环境特性。

一个典型的S形曲线。注意一下开始比较缓慢（迟缓期），中间是迅速增长期（对数期），最后则逐渐减少

正如约翰·霍普金斯大学的古生物学家S.M.斯坦利（S.M. Stanley）在最近的一篇评论（《美国科学杂志》，American Journal of Science ，1976）中所说：“我们可以放弃传统的观点所认为的在寒武纪将近开始时起源了主要的化石类元，并且我们不再把寒武纪的爆发看作一个主要的谜。‘寒武纪问题’不过是地球上多细胞的起源推迟到大约地球历经了40亿年的时候发生。”我们可以将目光投向更早的事件，从而否定寒武纪问题，但是更早时期事件的性质及成因似乎成了古生物学的谜中之谜。前寒武纪后期真核细胞的起源一定是重要的决定因素。（我在文章13 中提出，有效的有性生殖需要具有染色体分离的真核细胞，而且，没有有性生殖提供的遗传变异，不可能进化出复杂的生命）但是我们却不知道，为什么有了原核细胞后20亿年才产生出真核细胞。在文章14 中，我提倡用斯坦利的“收割”理论来说明真核细胞进化后最初的S形曲线增长。斯坦利认为，前寒武纪的原核藻类已经占满了能够占据的所有空间，因此由于不给任何竞争者立足之地，阻碍了更复杂生命的进化。第一个真核食草者，也就是广泛存在的酵母，即使不变异，也会为竞争者的进化留下空间。

猜想可能是引人入胜的，但我们无法具体说明首要的因素——引起S形曲线增长的原因。我们只能更好地说明第二个因素——允许S形曲线增长的环境特性。S形曲线增长并不是自然系统的普遍特性，只发生在一种环境中。我们实验室中的细菌在太致密或缺乏营养的情况下，并不是S形曲线增长。S形模式只发生在开放、无限制的系统中，那里的食物充足，空间足够，生物数量的进一步增长只受自身数量的限制。显然，前寒武纪的海洋形成这种“空旷”的生态系统，空间广阔，食物丰足，没有竞争（早期的真核生物会感谢它们的原核生物祖先，不仅提供了直接的食物，而且通过光合作用使大气中有了氧）。S形曲线——其中寒武纪爆发是其中的对数期——代表了在世界海洋中的第一次生物量增加；在开放的生态系统中，S形曲线是一种可以成立的模式。

对数期的动物进化表现出的进化模式，与后来自我调节平衡占统治地位的进化模式不同。我自己在过去的两年主要的研究工作就是确定这些差异。我与我的同事［芝加哥大学的T.J.M.肖夫，罗彻斯特大学的D.M.劳普（D. M. Raup）和J.J.塞普科斯基，以及佛罗里达州立大学的D.S.辛伯勒夫（D.S. Simberloff）］将进化树模式化为一个随机过程。在树“增长”之后，我们划分出其中的主枝，并考查每一个枝的历史（这种枝专业上叫“支序”）。我们把每一个支序都绘成所谓的纺锤体图。纺锤体图按下列方法绘制：简单计算每一时期活着的物种数，根据物种数变更图的宽度。

然后，我们衡量这些图的一些特征。有一种衡量方法，叫作C.G.（引力中心），用来确定引力的中心位置（大致说，就是支序最宽或最多样性的地方）。假设最多样性的位置在支序持续时间的中心点，我们给定C.G.值力0.5（支序全部存在的一半途径）。假如支序在中心点之前达到最大的多样性，它的C.G.值就小于0.5。

在我们的随机系统中，C.G.值总是接近0.5，理想的支序其中心最宽处呈菱形。不过我们的随机世界是一个完美平衡的世界，不允许存在S形曲线增长的对数期，物种的数量随时间保持平衡，即物种灭绝的速度与新物种起源的速度相同。

1975年的大部分时间里，我都在统计化石属数，记录它们的寿命，以便做出实际支序的纺锤体图。我现在统计了寒武纪对数期之后产生与死亡的400多个支序。它们的平均C.G.值为0.4993，非常接近理想状态平衡世界的0.5。我还作了许多在对数期间产生的支序和对数期后死亡的支序纺锤体图。值得注意的是，它们的平均值小于0.5。它们记录的是多样性增长的一种不规则世界，可以用它们的值来估计寒武纪对数期的时间与长度。支序的C.G.值低于0.5是因为它们产生于迅速多样化时，却死于起源与灭绝更慢的平稳期。因此，这些支序在它们历史的早期达到了最大的多样性，因为它们最初的代表参加了无限制增长的对数期，不过却在随后的稳定世界中缓慢地衰落消失了。

定量化的研究在两方面帮助我们理解了寒武纪的爆发。首先，我们可以用来认识S形曲线增长的特性，并且从更早的事件中确定成因，这样，寒武纪问题本身便消失了。其次，通过统计研究纺锤体图，我们可以确定寒武纪对数期的时间与长度。

在我看来，这项工作的最显著成果，不是寒武纪支序的C.G.值低，而是寒武纪后的支序C.G.值与理想状态下平衡世界模型的C.G.值相同。海洋生物所保持的平衡有可能经历过所有地球运动的变迁、所有的大规模灭绝、大陆的碰撞、海洋生物的耗尽与创生吗？寒武纪对数期产生的生物充满了地球的海洋。从那时起，在有限的基本式样内，进化产生出无穷的变异。海洋生物具有丰富的变异、精巧的适应，而且（假如我们可以站在人类中心说的角度看的话）具有神奇的美。然而，从一个重要的角度看，从寒武纪以来，一直是寒武纪爆发期的基本产物在进化。

纺锤体图。左边图的C.G.值为0.5（在持续的中间期最宽）；右边图的C.G.值低于0.5

16　大灭绝

大约2.25亿年前，在二叠纪末期，足有一半的海洋生物，在很短的几百万年内死亡了。按多数标准看，几百万年都是很长的时间，但在一位地质学家看来，只是一瞬间。这次大规模灭绝的牺牲者包括，当时存在的所有三叶虫、所有的古珊瑚、唯一一个谱系的菊石、多数苔藓虫、腕足动物和海百合。

在过去6亿年时间里间断生命史的若干大规模灭绝中，这次大死亡是最深重的一次。后来的距今7000万年前的白垩纪灭绝是其次的。白垩纪大灭绝毁灭了25%的动物纲，消灭了地球上占统治地位的陆生动物，即恐龙及其同类，并因此为哺乳动物及最后人类的进化提供了舞台。

迪士尼的电影《幻想曲》中的恐龙吃力地穿过干涸的地区，相继灭绝（ⓒ沃尔特·迪士尼制片公司）

在古生物学中，最吸引人也是让人失败最多的问题就是探讨这些灭绝的原因。人们提出的观点可以占满曼哈顿的电话簿，包括了所有想到的原因：世界范围的造山运动、海平面的移动、海洋中盐分的减少、超新星、宇宙射线大量的射入、流行病、生居地的限制、气候的急剧变化，等等。公众也一直很关注这个问题。我清楚地记得，我第一次注意这个问题时才五岁：迪士尼的电影《幻想曲》（Fantasia ）中，在斯特拉文斯基的《春之祭》音乐中，恐龙垂死挣扎着穿过一个干涸的地区。

由于二叠纪的灭绝使其他的灭绝都黯然失色，所以才一直是人们首要关注的问题。倘若我们能够解释这次最大的大死亡，我们就有可能掌握了理解一般大规模灭绝的钥匙。

在过去的十几年里，地质学与进化生物的进展合起来已经提出了一个可能的答案。问题是逐渐解决的，以致一些古生物学家几乎没有意识到他们最古老最深刻的难题已经解决。

十年前，地质学家普遍认为大陆是在其现在的地方形成的。大的陆块可能会上下移动，而且大陆可能由于边缘山脉上升的加快而“生长”，但大陆并不在地表移动，大陆的位置一直固定不变。另一种理论，大陆漂移理论，在20世纪早期就提出来了，但由于缺乏大陆移动的机制，所以受到普遍的抵制。

现在，对洋流的研究得出了板块构造理论中的机制。地球表面由不太多的板块构成，板块的边缘是脊和俯冲消减带。在旧板块移动部分的脊处形成新的洋流。作为对于突起脊的平衡，原先板块的一些部分在俯冲消减带移入地球的内部。

大陆被动地附在板块上，并随板块运动，大陆并不像原先理论认为的“破浪”穿过固定的洋流。因此，大陆漂移只是板块构造的一种结果。板块构造的其他重要结果包括板块边缘的地震（如经过旧金山的圣安德里斯断层）和两个板块上大陆的碰撞形成山脉（印度“筏”冲击亚洲时形成喜马拉雅山）。

当我们重建了大陆移动的历史，我们便理解了发生在二叠纪末期的独特事件：所有的大陆合并成单一的超级大陆——泛大陆。很简单，合并的结果导致二叠纪的大灭绝。

然而这种合并产生什么样的结果？为什么会产生这些结果？这种片段的合并会产生广泛的结果，从气候的变迁、海洋的环流到以前隔离生态系统的相互作用。这里我们必须看一下进化生物学中的进展，看一下理论生态学以及我们对生命形态多样性的新理解。

经过了几十年高度描述性及主要非理论性的工作之后，生态科学通过利用定量的方法，探讨有关生物多样性的一般理论，而重新焕发出生机。我们更加深刻地理解了不同的环境因素对生命的丰富性及分布的影响。许多研究现在表明，在一定的地区，寄居地本身的大小，即使不是主要的因素，也是影响极大的因素。例如，假如我们统计生活在不同大小岛屿上（以及其他类似的特征，如气候、植物和离大陆的距离）蚂蚁种的数量，我们会发现，一般说来，岛屿越大，种数越多。

热带岛上的蚂蚁与二叠纪时期的整个海洋动物群之间还有很大的差距。然而，我们有可靠的理由推断，在那次大灭绝中，区域大小的变化可能起到了一个主要的作用。假如我们可以估计出在二叠纪（随着大陆合并）不同时期生物的多样性与区域变化的话，那么我们就可以检验区域控制假说。

首先，我们必须理解有关二叠纪灭绝与一般化石记录的两件事。第一，二叠纪的灭绝主要影响了海洋生物。那时，生活的相对少的陆生植物与脊椎动物并没有受到太大的影响。第二，化石记录主要保存的是浅水海洋生物。我们几乎没有找到多少生活在海洋深处的海洋生物化石。因此，假如我们要检验区域减少在二叠纪灭绝中起过重要作用的理论，我们必须关注浅海区域。

我们可以用定量的方法分辨出导致浅海区域突然减少的两个原因。第一个原因属于基本几何学的：假如前二叠纪的每一个分离的大陆完全被浅海包围，大陆块的结合就会使接缝处的区域消失。例如，用四个长方形全麦面包组成一个正方形，所有的边将减少一半。第二个原因与板块构造的机制有关。当洋脊活跃地产生出洋流并散播出去，那么脊本身比海洋的最深处的位置要高。这样，从海底排出了水，海平面就会上升，部分大陆则被淹没。反之，假如洋流减缓或停止，脊便坍塌，海平面下降。

二叠纪后期大陆碰撞时，携带大陆的板块将大陆“锁定”在一起。这样导致新洋流的散播突然停止。洋脊下沉，浅海从大陆退却。这样的浅海急剧减少并不是由于海平面本身的下降引起的，而是由于下降发生地区海床的地形变化引起的。洋底并不是从海岸线直插到大洋深处。今天的大陆边缘由比较宽的长期是浅水的大陆架构成。伸向海洋的大陆架使大陆的叙面非常陡峭。假如海平面退到暴露出整个大陆的地步，那么世界上多数的浅海就会消失。在二叠纪后期很可能发生了这样的事情。

芝加哥大学的托马斯·肖夫最近检验了区域减少导致灭绝的假说。他研究了浅水与大陆岩石的分布，推断二叠纪大陆合并的各个时期大陆边缘和浅海的范围。然后，他通过查阅大量的古生物学文献，计算在二叠纪不同时期不同生物种类的数量。后来，佛罗里达州立大学的丹尼尔·辛伯勒夫表明，肖夫的资料符合物种数量和与区域有关的数学公式。而且，肖夫说明灭绝对一些类群的影响没有区别，灭绝的结果几乎影响到所有生活在浅海的生物。换句话说，我们无须寻找特定的原因来说明少数动物的特殊情况。这场灭绝的影响是普遍的。随着浅海的消失，早期二叠纪丰富的生态系统失去了供养其成员的空间。袋子小了，一半的弹子不得不扔掉。

区域本身并不是答案的全部。像合并为单一的超级大陆这样极为重要的事件，必然还引起其他结果，从而决定了二叠纪更早时期的生态系统不稳定。但是肖夫和辛伯勒夫已经提供了令人信服的证据证明空间是主要因素。

对古生物学中极为难解之谜的解答是两个相关领域（生态学和地质学）激动人心进展的副产品，这是一件令人欣喜的事情。如果100多年来一直证明一个问题难以驾驭的话，那么不可能以旧的方式、囿于旧的成规再收集更多的资料。理论生态学使我们提出了正确的问题，而板块构造又为我们提供了正确的当时地球状况。

[1] 普罗克拉斯提斯，古希腊传说中的强盗，他常将劫持来的人放在一个铁床上，比床长者斩去长的部分，比床短者强行与床拉齐。在西方文献中，普罗克拉斯提斯比喻强行一致。——译注

[2] 产于美国大西洋沿岸的一种圆蛤。——译注

第五部分
地球的理论

·　托马斯神父的丑陋的小行星

·　均变与灾变

·　碰撞中的维利柯夫斯基

·　大陆漂移的确定

17　托马斯神父的丑陋的小行星

“我们生活的世界似乎与我们祖先生活的世界不一样……为了一个人的悠闲，十个人必须付出辛勤……这个地球并不为我们提供食品，而是提供了更多的劳动和行业……空气是肮脏的，是污染的。”

这并不是现代的生态积极行动主义。这种情绪是对的，但风格却已过时。这是托马斯·伯内特神父（Rev. Thomas Burnet）的悼词。伯内特是17世纪最有名的地质学著作《地球的神圣理论》（The Sacred Theory of the Earth ）一书的作者。他在书中描绘的是一个从最初伊甸园的光耀中衰落的行星，而不是被太多贪婪的人捣空的世界。

在众多的神学地质学著作中，伯内特的《地球的神圣理论》确实是最有名的，最受攻击的，也是最被误解的。在这本书中，他试图对《圣经》中的所有事件，无论是过去的还是将来的事件，提出地质学的理论说明。现在，按照最简单化、也是公众的科学与宗教关系的观点，在自然观上科学与宗教是对手，而且科学与宗教之间相互作用的历史上记载的是科学不断侵入原先由宗教占据的智力领域。按照这样的观念，伯内特不就是一个崩溃堤坝上的微不足道的人物吗？

但是宗教与科学的实际关系要复杂得多，而且是变化的。通常情况下，宗教积极地鼓励科学。如果说科学有什么一贯的敌人，那不是宗教，而是非理性主义。实际上，迫害伯内特牧师的势力和三个世纪以后迫害田纳西州科学教师斯科普斯（Scopes） [1] 。的势力是一样的。通过考察与我们的时代和世界都不一样的伯内特案例，我们可以更广泛地理解那种持续反对科学的势力。

我先大致描述一下伯内特的理论。按照我们的观点，专断的反科学人士抓住伯内特不放，这显得那么愚蠢和牵强。但是我们再检查一下伯内特的方法，就会发现他是那个时代的科学理性主义者。至于教条的神学对他的迫害，与赫胥黎—威尔伯弗斯的争论或加利福尼亚关于特创争论的情况差不多，角色一样，只不过外衣换了。

伯内特的研究首先是确定诺亚洪水从哪里来的。他相信现代的海洋不可能淹没地球上的山脉。他在给一个同时代人的信中写道：“如果一个人可以被他的唾液淹没，我就相信世界的洪水可以淹没世界。”有一种观点认为，诺亚洪水可能只是地区性的事件，只不过被那些未做广泛旅行的证明者错误地扩展了。伯内特不同意这种看法，因为这样看有悖圣经的权威。但是对于另外一种观点，认为只不过是上帝奇迹般地创造出多余的水，伯内特却坚决地予以否定，因为这种观点与科学的理性世界相抵触。而他则是按下面的观点解释地球史的。

我们的地球从最初空虚的混沌状态凝结成一个完美有序的球体。地球的物质根据密度排列。重的岩石和金属在中心形成球核，球核上面是液状物，液状物上面为漂浮物球层。漂浮层的主要构成物质是空气，不过也包括陆地的颗粒。漂浮物届时在液状层上凝结成很圆的平缓地球。

这种平滑的地球是世界最初的景观，像第一代人类，它有年轻的俊美和蓬勃的天性，新鲜而旺盛，它的全身都没皱纹、疤痕或裂口；没有岩石，没有山脉，没有凹陷的洞穴，没有裂开的沟堑，所有地方都是匀称的。

最初完美的地球上没有季节的变化，因为地球的轴固定为竖直状，而伊甸园正好位于中纬度地区，享受长期的春天。

但是地球自身的进化会摧毁这个地上的天堂，这样的事情在不驯的人类受到惩罚时，便自然地发生了。降雨减少，地球开始干旱，出现裂缝。太阳的热量蒸发了地表下面的一些水分，这些水分透过地缝上升，形成了云，再形成降雨。但是，即使50个昼夜的降雨，也不能提供足够的水分，越来越多的水分从地球深处涌出。降雨填满了裂缝，随着下面蒸发水分往上顶，地球成了没有活门的压力锅。压力形成，地表最终裂开，形成洪水和海啸，地表的破裂和原来地表的变化形成了山脉与大洋盆地。地表的破裂很剧烈，致使地球的轴向倾斜为现在的样子（参见维里柯夫斯基，文章19 ）。最终水退到深深的洞穴，留下了“一种巨大而可怕的毁灭……一堆残缺混杂的尸体”。唉，为伊甸园而造的人类，他那大约900岁令人敬畏的生命周期，也下降到1/10。

而且，根据托马斯神父的看法，我们作为“丑陋的小行星”上的居民，要等待《圣经》中预示并从行星物理学中推断出的转变。届时，地球上的火山将同时喷发，并且发生普遍的大火。在信奉新教的不列颠，由于蕴藏着煤矿（那时大部分尚未开采），将燃起熊熊的大火，不过大火是从罗马这个伪基督教的天主教徒故乡烧起来的。炭状颗粒将缓慢地落回到地球上，再次形成平滑完美的球面。将开始基督的千禧年时代，在千禧年结束时，巨大的哥革与玛各（Gog and Magog） [2] 将出现，开始善与恶之间新的战争，圣徒将上升到阿伯拉罕（Abraham）的周围，而地球则继续它的进程，变成一颗星星。

太怪诞了吗？在1975年看确实怪诞，但在1681年看则不然。伯内特在他那个时代，是个理性主义者。他在一个信仰的年代，坚持将牛顿的世界观放在首位。伯内特首先关心的是赋予地球历史以自然的、物理的过程，而不是奇迹的或上帝随意变动的过程。伯内特讲述的故事可能奇怪，但故事中的角色则很普通，是干涸、蒸发、坠落和燃烧。他确实相信《圣经》中所述的地球史事件确有其事，然而这些事件必须与科学相符，以免显得上帝说的与做的不一样。理性和天启是通往真理的两个绝对可靠的向导，但是，

在有关自然界的争论中，借助《圣经》的权威与理性作对是危险的。能使一切都昭然的时间将使人们发现，我们借助《圣经》的观点显然是错的。

而且伯内特的上帝并不是科学时代之前的那个连续起作用并且创造奇迹的上帝，而是牛顿尊奉的钟表匠，这个上帝创造了物质和物质运作规律，让自然按自身的途径运转。

我们认为他（上帝）是一个很好的手艺人，制造出一个发条和齿轮都按照他调试的方式每时规则运转的钟表，而不是制造出一个需要他每小时都用手来运转的钟表。而且假如设定好了一个钟表工作时刻，那么这个时刻一到，钟表就会敲响，而且钟表规则地依照设定运转，到达那个时刻时，钟表便接到一个信号，或发条受到触动，这样全凭钟表自己带动每一个部件。为什么不将这样的钟表看作一件伟大的艺术品呢，难道非要钟表匠预订好时间，再用锤子击打钟表的所有部件不成？

当然，我并不认为从任何现代的角度看，伯内特都是一位科学家。他没有做过实验，没有观察过岩石和化石（虽然他同时代的一些人做过）。他利用一些种“纯”（我们可以说是不切实际的）推理方法，他在写专著时，对无法观察的未来和可以证实的过去，怀有同样的自信。据我所知，除了伊曼努尔·维里柯夫斯基（Immanuel Velikovsky，见文章19 ），还没有哪个现代的科学家按照他的程序工作——伯内特假设《圣经》是正确的，并且结合物理机制说明《圣经》中事件的发生，就像维里柯夫斯基发明出一种新的行星物理学来维护古代记录中的字面说明一样。

然而，伯内特却没有重要的神学建树，事实上，他因为自己的神圣理论遇到了很大的麻烦。赫里福特的主教以典型的宗教审判的腔调攻击伯内特对理性的依赖，“要么是他的脑因为深爱自己的发明疯狂了，要么是他的心被邪念腐坏了”——这是教会对他名声的败坏。另一个教士批评道：“虽然我们有摩西，然而我相信我们必须等着埃利亚带领我们摆脱用哲学方式探讨创生和大洪水。”（《圣经》中称作以利亚，是他回来宣布弥赛亚的降临——就是说科学不能讨论这些问题，我们必须等待未来的天启来解决这些问题）牛津的数学家约翰·基尔认为伯内特的解释是危险的，因为他的解释中鼓励了一种上帝是多余的观念。

尽管如此，伯内特还是风光一时。他当上了威廉三世宫廷的密室牧师。（这个头衔不是指厕所的清洁工 [3] ，而是指在皇家聆听忏悔的神父，密室是国王私人祈祷的礼拜堂）据传说曾考虑他当坎特伯雷大主教的可能继任者。但是伯内特最终走得太远了。1692年，他出版了一部著作，倡导对创世记的六天做比喻式的解释，尽管他多次道歉说他并非有意犯罪，但他很快失掉了工作。

断送伯内特前程的不是有神论者，而是教条主义者和非理性主义者（在17世纪的英格兰，还没有公开的著名无神论者）。100年之后，同样是他们，使布丰（Buffon） [4] 收回了关于地球历史悠久的理论。又过了150年，还是他们，纵容一个傲慢的服过三次刑的罪犯反对约翰·斯科普斯。今天，他们利用对等对待的自由争辩 [5] ，试图从全国教科书中取消进化论。

科学确实也出过圈。我们迫害过不同意见者，恪守过教条，并且试图将科学的权威扩展到科学无能为力的道德领域。然而，不把科学和理性约束在适当的范围内，便不能解决我们周围的问题。雅虎们 [6] 并没有休息。

18　均变与灾变

美国《圣经》寄赠协会（The Gideon Society）——那些对汽车国度人的精神予以安慰的人，在他们对《圣经》的注释中，坚持记下创世的时期为公元前4004年。地质学家却相信我们的地球比这个时限至少古老百万倍——是41亿年至42亿年。

每一项重大的科学成就，都做出过本质上的贡献，使我们摆脱对我们自己宇宙重要性的信奉。天文学认定我们的家园只是缩在由上千亿颗星星组成的银河系中角落的一颗小小的行星；生物学把我们从作为上帝凭想象创造出的尤物位置上赶了下来；地质学使我们认识到地球历史的漫长，并且告诉我们，我们这个物种占据的时间很短。

1975年，我们纪念查尔斯·莱尔逝世100周年，莱尔是公认的地质学革命的英雄——按照最近一位传记作家说法，他是“所有与地质学思想有关的人的镜子”。对于莱尔成就的标准解释是这样的：在19世纪早期，灾变论者统治着地质学，他们是一些神学的辩护者，试图将地质记录压缩到《圣经》编年的框框内。为了这样做，他们设想过去与现在的变化模式极不一致。现在的变化可能是缓慢逐渐的，就像波浪和河水一样，而过去的事件，则是突然剧烈的，否则怎么能符合几千年的解释呢？山脉在一天间隆起，峡谷顷刻裂开，于是，是上帝按照意愿中断了自然规律的作用，同时，解释过去并不属于科学的范畴。洛伦·艾斯利（Loren Eiseley）写道：“（莱尔）进入地质学领域时，它呈现的景象是不可思议的、模糊不清的巨大灾变、洪水、超自然的创生和生命的起源，等等。杰出的人物竟然借助神学幻想来说明这些事件的力量。”

1830年，莱尔出版了他的革命性著作《地质学原理》（Principles of Geology ）第一卷。标准的说法认为，他大胆宣称时间是无限的。由于摆脱了时间的根本限制，他倡导一种“均变论”哲学，均变论使地质学成为一门科学。自然规律是不变的，有了这么长久的时间，只需利用援引原因的缓慢稳定作用，就能绘制过去世界的全景，现在是理解过去的钥匙。

在科学史的标准解释中，大致都是这样评价莱尔的作用的，这种看法想象力有余，准确性不足。

几个月以前，我找书经过哈佛旧图书馆的堆书处时，发现了有路易斯·阿加西注解的一册莱尔的《地质学原理》（在图书馆中埋藏的东西远比这个世界所梦想的多）。阿加西当时是美国顶尖生物学家和最坚定的灾变论者。假如按照我们有关莱尔成就的标准说法，那么阿加西的旁注中便有难以置信的矛盾。阿加西的铅笔注解中包括了灾变学派的所有标准的批评。这些注解尤其记录了阿加西相信，就是将现在的原因都加到过去的时期，也不能解释过去一些事件的剧烈性。他相信，灾变的观点仍然需要。尽管如此，他像做最后评价那样写道：“莱尔先生的《地质学原理》确实是自地质学获得其名称以来这门科学中出现过的最主要的著作。”（我突然想到这也许是阿加西从发表的评论中援引的其他人的评价，但我已经与一些历史学家查阅了文献，我们结论是，他的注解反映的是自己的看法）

倘若灾变论者是一脸胡子拉碴的人，倘若均变论者戴着银星和白色帽子，而且倘若莱尔是清除城中恶棍的快枪行政官——这是科学史中的摩尼教 [7] 观点或西部电影场景——那么阿加西的话就是荒谬的，因为一个恶棍怎么能随意奉承赞扬一个行政官呢？不是西部电影错了，就是阿加西疯了。

那么为什么阿加西赞扬莱尔呢？为了回答这个问题，我们必须分析一下莱尔所说的均变论，从而认识到现代地质学实际上融合了莱尔的概念和灾变论者的概念。

查尔斯·莱尔的职业是律师，他的书是由一位律师出版的最出色的著作之一。书中包括精确的文献，锋利的论点，以及“吹毛求疵、鸡蛋里挑骨头和诡计”——这是哈姆雷特在坟地对着挖掘出的律师颅骨，对这个职业的描述。莱尔利用了两个计谋将他的均变论确立为唯一真正的地质学。

首先，他树立了一个稻草人来攻击。到了1830年，严肃的科学灾变论者都不再相信灾变中有超自然的原因，也不相信地质的历史为6000年。然而，许多外行却依然这样看。这些观点是一些假科学的神学家倡导的。科学的地质学要求击败这些观点，但是在专业内灾变论者和均变论者中已没有人这样看问题了。阿加西赞扬莱尔，是因为他有力地向公众展示地质学的一致性。

后来的人把莱尔的稻草人作为科学地反对均变论的确切代表，这不是莱尔的过错。然而19世纪所有著名的灾变论者，特别是居维叶（Cuvier）、阿加西、塞治威克（Sedgwick）和莫奇逊（Murchisow），都承认地球的历史悠久，而且他们都探讨过导致过去剧变的自然原因。6000年的地球年龄确实要求相信剧变，好将地质记录压缩成这么短的时间。不过反过来说则绝对不对，相信灾变论并不等于相信地球的历史才有6000年。地球的历史可能是45亿年或者1000亿年，但造山速度仍可能很快。

事实上灾变论者的思想比莱尔的思想更富经验性。地质记录记下的确实像灾变：岩石断裂、扭曲，整个动物群的灭绝（见文章16 ）。为了绕过这些实际现象，莱尔重想象而轻证据。他认为地质记录极不完备，我们必须加上我们看不到但可以合理推出的东西。灾变论者是他们时代的坚定经验论者，不是盲目的神学辩护者。

其次，莱尔的“均变”是各种主张的大杂烩。一是任何科学家，无论灾变论者还是均变论者，都必须接受的方法论观点。其余是已经验证和抛弃的实质性观点。莱尔用一个名字称呼这些观点，从而完成一次欺骗：他试图根据方法论的前提已被接受，而使实质性的观点悄悄溜掉，以免“我们看到古代的猜想精神复归，而且要解开难解之结，与其耐心摸索，不如快刀斩断”。

莱尔的均变概念有四个主要成分，这四个成分差别很大：

1. 自然规律在时间和空间上是恒定的（均变的）。正如约翰·斯图尔特·穆勒（John Stuart Mill） [8] 表明的那样，这不是关于这个世界的陈述，这是每个科学家都必须预先做出的方法论主张，以便可以分析过去的事物。假如过去是反复无常的，假如上帝任意干扰自然规律，那么科学便不能揭示历史。阿加西和灾变论者对此并无异议，他们也寻找灾变的自然原因，并且赞同莱尔面对神学的介入所做的基本抵御。

2. 应该援引现在影响地球表面的过程解释过去的事件（时间过程的均变）。只有现在的过程可以直接观察到。因此，假如我们将过去的事件解释为仍然起作用的过程的结果，我们会更有利些。这又不是关于这个世界的观点，这是关于科学程序的陈述。科学家同样对此又无异议。阿加西和灾变论者也看重现在的过程，而且他们赞赏莱尔出色地证明这样的过程可以起到多大的作用。他们有异议的是其他问题，莱尔相信现在的过程足以解释过去，灾变论者则认为虽然现在的过程应该永远受到重视，但是对有些过去的事件则需要从不再起作用或现在非常缓慢起作用的原因中推断。

3. 地质变化是缓慢、逐渐和稳定的，不是剧烈或爆发性的（速度的均变）。这里我们终于遇到一个可以检验的实质性论点——这是阿加西与莱尔之间真正的区别点。现代地质学虽然可能指出莱尔最初完全是凭想象坚持变化的速度接近一致，但他们仍会认为莱尔的观点已经取得了胜利。（例如莱尔没有接受过阿加西提出的冰期理论，莱尔可能不承认冰的量和流动速度在过去有很大的不同）

4. 地球自形成以来基本一致（外貌的均变）。人们很少讨论过莱尔均变论的这最后的成分。这是一个经验性的观点，而且主要是不正常的经验性观点——而又有谁愿意揭示一位英雄的错误之处呢？然而我相信，这种均变是莱尔观念最核心的部分，是他的地球概念的最中心点。牛顿认为地球无休止地围绕它的恒星转动，地球的历史没有方向。某一时期的地球就是所有时期的地球。难道不能把这种伟大的观点运用到我们行星的地质记录中吗？陆地和海洋会发生变化，但是陆地和海洋随着时间发生的变化是均衡的。物种产生又灭亡，但是生物的平均复杂性一直保持不变。细节上的变化无穷无尽，整体上却是恒定的——用现代信息论的行话说，是一种动态稳定状态。

莱尔的观念使他不顾所有证据，提出在最早的化石中可以找到哺乳动物。为了使化石生物显示出的方向性与生命历史的动态恒定观相吻合，他猜想所有的化石记录代表的只是“大年”的部分，“大年”是还会发生的一种巨大的循环，到那时，“巨大的禽龙再次出现在丛林中，鱼龙又出现在海洋中，翼指龙还会穿过茂密的羊齿树林”。

灾变论者坚持的是实实在在的观点。他们在生命史中看到了方向性，并且相信这点。回想起来，他们当时是正确的。

许多地质学家会告诉你们，他们的科学代表了莱尔的均变论对灾变论的完全胜利。莱尔赢得的主要是他的名声，但是现代地质学实际上是两个科学学派的混合——莱尔最初严格的均变论和居维叶、阿加西的科学灾变论。我们接受了莱尔的前两种均变观，灾变论者也接受了。莱尔的第三个均变观要是适当地灵活一点，也是伟大的实质性贡献，他的第四个（也是最重要的）均变观，已经被静悄悄地忘却了。

然而对于莱尔的稳态观还有许多话要说。动态的恒定再加上生命史和地球史的明显方向性，可能是更基本的（地球状态）。但是中世纪的基督教可以将这两种观点纳入它的历史概念中。透过沙特尔教堂的着色玻璃，呈现出来的人类历史是个线性顺序，从教堂的北翼，穿过中堂，到达南翼，构成一个定向的过程：从万物创生，到基督降临，再到一个死者的复活。不过整个体系是一致的，表现出永恒的方向性。《新约》是《旧约》的再现：圣母马利亚像一个燃烧的刷子，因为二者都被放入上帝之火中，却都没有烧毁。基督像是耶拿，因为两个人都在死后的第三天又复活了。定向主义和动态平衡并非不相符，而地质学可以试图创造性地将二者综合在一起。

19　碰撞中的维利柯夫斯基

不久以前，金星从木星上方显露出来，简直可以理解为雅典娜从宙斯的额头出世一样。 [9] 之后，金星在形态和运行轨道上就像彗星一样。前1500年，在犹太人出埃及时，地球两次经过金星的尾部，引起了赞美和混乱，留下的是来自天堂的吗哪 [10] （或者不如说彗尾的碳水化合物）和摩西时期灾难的血河（彗尾的铁）。金星继续变化不定的过程，碰到了（或几乎擦过）火星，失去了尾部，并且弹到它现在的轨道上。而火星则偏离规则的位置，并几乎在公元700年与地球相撞。那些岁月太恐怖了，而且我们有那么强烈的集体欲念要忘却这些事，以致这些事已经在我们头脑的意识中抹去了。然而这些事却潜伏在我们遗传下来的潜意识中，引起恐惧、惊悸、攻击性及其社会表现——战争。

这听起来像是深夜电视中播放的一部非常糟糕的电影，然而，这却是伊曼努尔·维利柯夫斯基在《碰撞中的世界》（Worlds in Collision ）中认真提出的理论。维利柯夫斯基既不是个怪人，也不是个江湖骗子，虽然他表述过我的观点，引用过我的同行的观点，但他至少是犯了极大的错误。

《碰撞中的世界》发表于25年前（1950年），一直引起很大的争论。书中也提出一系列与纯科学论点沾边的问题。一些学院式学者确实伤害过维利科夫斯基，他们企图阻止出版他的著作。不过一个人不能仅仅因为受到过迫害就可以获得伽利略那样的地位，他还必须是正确的。科学的问题与社会的问题应该分开。而且，时代变了，对异端的处理也变了。布鲁诺（Bruno） [11] 被烧死。伽利略看到审讯的刑具后，在家中受到软禁，历尽痛苦。维利科夫斯基则赢得了名望和尊重。托尔克马达（Torquemada） [12] 是邪恶的，维利科夫斯基的学院敌人却是愚蠢的。

维利柯夫斯基的独特观点可能是惊人的，而我则对他的非正统的探讨方法和物理理论更感兴趣。他从一开始便假设在古代编年史中记载的故事来自直接的观察，绝对是真实的——假如《圣经》中记载了太阳不动，那么那时太阳确实没有动（由于金星的牵引，暂时中止了地球的旋转）。然后他试图寻找一些物理的解释，无论是否离奇，使得所有这些故事既相互一致又是真实的。多数科学家的做法却正好相反，他们利用物理可能性的局限，去判断古代的什么传说可能真的是准确的。（我在文章17 中讲述过与维利科夫斯基的方法相似的最著名科学著作——托马斯·伯内特的《地球的神圣理论》，这书本首次出版于17世纪80年代）其次，维利科夫斯基清楚地认识到，按照牛顿的宇宙定律，当万有引力控制大型物体的运动时，行星是不应摆动的，所以他提出一种基本上全新的物理学，由电磁力来充当控制大型物体的力。简而言之，维利科夫斯基打算重建天体力学科学，以说明古代传说字面上的正确性。

维利科夫斯基设想出人类历史的剧变理论后，便将他的物理学贯彻到地质时间中，以寻求一种普遍性的物理学。1955年，他发表了地质学论著《激变中的地球》（Earth in Upheaval ）。他已经围攻过牛顿和现代物理学，这时又来对付查尔斯·莱尔和现代地质学。他推断，仅在过去的3500年间，假如运行不稳的行星两次光顾过我们的地球，那么地球历史的特征应该是灾变，而不是莱尔的均变论所要求的缓慢逐渐的变化。

维利科夫斯基从过去数百年的地质文献中，挑出了灾变事件记录，像洪水、地震、火山喷发、造山运动、大灭绝和气候的激变。发现了这么丰富的事件后，他便寻找共同的原因：

动因一定是突然、猛烈的，这种动因还会再起作用，不过间歇期并不恒定，但那一定是巨大的力量。

无疑，他将外部天体的电磁力应用到地球上。他特别提出这些力迅速扰乱地球的旋转——确切地说就是使地球翻转到极端状态，使地极发生转换。维利科夫斯基用渲染的笔触说明伴随地球轴旋转突然改变产生的效应：

届时地震会使地球颤动。空气和水由于惯性而不停流动，风暴横扫地球，海洋冲刷大陆……地球越来越热，岩石熔化，火山喷发。岩浆从破裂的裂缝流出，覆盖广阔的领域。平原将出现山脉。

假如是人类叙事者的故事为《碰撞中的世界》提供了证据，那么地质记录本身就足以满足《激变中的地球》。维利科夫斯基的全部论点都基于所阅读的地质文献。我感到，在这方面他做得太大胆太随意了。我的注意力将收在他的一般程序错误上，而不是否认他的科学观点上。

第一，假设形态的相似性反映了事件发生的同时性。维利科夫斯基讨论了在英格兰泥盆纪（3.5亿～4亿年前）形成的老红砂岩化石鱼。他引用了暴死的证据——身体扭曲，缺乏捕食现象，甚至在化石鱼的脸上铭刻了“惊奇与恐惧”的样子。他推断肯定是一些突然的剧变把这些鱼全都消灭了。然而，即使鱼的个体死亡是痛苦的，这些鱼却分布在几百米的沉积层中，这么厚的地层需要几百万年以上的沉积才能形成！同样，月亮上的坑凹外表相似，每一个坑都是由小行星的突然碰撞形成的。然而这么多的小行星流入需要几十亿年。而且维利科夫斯基最喜欢的月表的坑凹是通过热熔同时起泡产生的假说，已经被阿波罗登月最终证明是错的。

第二，根据事件影响的巨大而假设事件的突发性。维利科夫斯基生动地描写了数百米深的海水曾蒸发形成了更新世巨大的冰床。他可能设想这个过程只是继海水蒸发后普遍冷却的结果：

必然有不寻常的事件顺序：海水肯定蒸发，而且汽化的水一定像雪一样落到温带气候纬度内。这种热与冷的发生顺序一定很快。

然而冰川并非一夜之间就能形成。按照地质学的标准看，冰川的形成“很快”，但是就算每年新降的雨水都积累起来，也需要几千年的时间才能形成冰川。无须海洋的蒸发，在加拿大北部依然有大雪。

第三，从地区性剧变推断出世界范围的事件。地质学家都不否认由于洪水、地震或火山喷发产生的局部剧变。但是无论从哪个角度看，这些事件都与维利科夫斯基所说的因地轴突然移动引起的全球剧变不相干。维利科夫斯基的多数“例子”，只是将局部事件不恰当地外推为全球性的影响。例如，他书中提出的内布拉斯加玛瑙泉采石场——一个地区性的哺乳动物“墓地”，其中含有大约（据估计）20000具大型动物的骨骼。但是这么多骨骼的聚集，记录的可能根本就不是一个剧变事件——河流和海洋也可以逐渐聚集大量的骨骼和外壳（我曾经在布满大型贝壳和珊瑚碎片的海滩散过步）。而且，即便是地区性洪水淹死了这些动物，我们还没有证据证明在同时代其他大陆的动物也曾受到打击。

第四，只使用过时的资料。1850年前，多数地质学家认为，普遍的灾变是地质变化的动因。这些人并不愚蠢，他们提出的观点具有一定的说服力。如果我们只读他们的书，他们的结论似乎是合理的。维利科夫斯基在关于欧洲化石鱼灾变死亡的整个讨论中，仅引述休·米勒（Hugh Miller）1841年的著作和威廉·巴克兰（William Buckland）1820年及1837年的著作。这些大部头的文献确实有一些值得注意的东西，但确实已经过了上百年。同样，维利科夫斯基关于冰期起源的气象学观点依靠的是约翰·廷德尔（John Tyndall）1883年的著作。然而，在20世纪的地质学圈子里的人很少积极地讨论他们的观点。

第五，随意、不精确和变戏法。《激变中的地球》中尽是小错误和半真半假的话，这些话本身并不重要，但反映出（作者）对待地质文献的态度不认真，或者更简单地说，就是没有理解这些文献。所以，维利科夫斯基提出由于现在没有化石形成，因而攻击均变论关于现在的原因可以解释过去的假设。曾经在湖床挖掘出古老骨头或在海岸挖掘出贝壳的任何人都会知道维利科夫斯基的观点是荒谬的。同样，维利科夫斯基否认达尔文的渐变论，论据却是“有些生物，如有孔虫类，生存于所有的地质时期，并没有发生进化”。在没有人认真研究这些单细胞生物之前，有人倡导过这种观点，但自从20世纪20年代J.A.古施曼的大部头描述性著作问世以后，再没有人坚持这种观点了。最后，我们从维利科夫斯基那里了解到火成岩（花岗岩和玄武岩）“其中含有无数活着的生物”，对我和所有古生物学专业的人来说，这是个新闻。

只有彻底驳斥维利科夫斯基的例证，即将这些例证解释为大陆漂移和板块构造的结果，才能有力地批评维利科夫斯基。但是，在这一点上根本不应该谴责维利科夫斯基。他只不过是这一地质思想中伟大革命的牺牲品，因为许多其他的人也都循规蹈矩地信奉原来珍惜的观点。在《激变中的地球》中，维利科夫斯基比较合理地拒绝选择大陆漂移来解释一些支持他的灾变理论的最重要现象。而且他拒绝大陆漂移的原因后来是地质学家中最常引用的——缺乏大陆运动的机制。现在通过证实洋流的传播，得出了大陆漂移的机制（见文章16 和20 ）。非洲裂谷并不是地球迅速翻转时破裂形成的，它是地球断裂体系中的一部分，是两个地壳板块的连接部。喜马拉雅山并不是由于地球的转向形成的，而是印度板块缓慢冲击亚洲时形成的。太平洋的众多火山，或“一串火”，并不是上次地轴变换时熔化的产物，这些火山是两个板块交接的标志。在极地有珊瑚化石，在南极有煤，在热带南部非洲存在二叠纪冰期的证据。但无须用地球翻转一下来解释所有这一切，只是大陆从不同的气候地区漂移到现在的位置而已。

具有讽刺意味的是，维利科夫斯基要是用板块构造学，而不是用他的地轴移动机制，他不会有这么大的失败，他的灾变论立场大概也完全没有合理的依据。正如沃尔特·沙利文在他最近一部论述大陆漂移的书中所说，对于均变论将过去的事件归因于现在作用的倾向，以及认为这些原因在过去和现在的作用程度没有太大的偏差，板块构造学予以充分的证实。因为板块在今天仍携带着大陆活跃地运动。世界范围的地震带与火山带、大陆的碰撞、动物群的大规模灭绝（见文章16 ）等事件的相继发生的全景，可以用这些巨大板块以每年几厘米速度的连续运动来解释。

维利科夫斯基案件生出的最烦人问题是关于科学对公众的影响。一个外行如何判断所谓专家的不同意见？任何具有语言天赋的人，都可以就读者个人经验不足的课题编造出具有说服力的论据。假如你只读《众神之车》（Chariots of the Gods ），伊文·冯·丹尼肯（Even von Daniken）的话是动听的。我判定《碰撞中的世界》中的历史论据时，不带倾向性。我对天体力学知之甚少，而且不太了解埃及王朝的历史（虽然我听到过专家对维利科夫斯基非正统编年史的咆哮）。我并不愿意认为非专业人士一定是错的。然而当我看到维利科夫斯基如何糟糕地使用我熟悉的资料时，那么我肯定会怀疑他对我不熟悉材料的掌握。但是，一个人既不知道天文学、埃及学，又不知道地质学，他会怎么做呢？尤其当面对一些确实很动听和具有倾向性的假说时，我想，所有的人，都可能为受害者喝彩吗？

我们知道现代科学的许多信念来自非专业人士提出的被视为异端的猜想。而历史能够过滤我们判断中的偏见。我们讴歌非正统的英雄，但是伴随每一个成功的异端，都有100个挑战流行观点的人被遗忘或消失。你们谁听过艾默尔（Eimer）、居诺特（Cuénot）、特鲁曼（Trueman）或兰（Lang）的名字，他们是面对达尔文主义浪潮的最初的直生论（定向进化）支持者。然而我继续为非专业人士倡导异端加油。不幸的是，我并不认为维利科夫斯基是这个最艰苦游戏中的胜利者。

20　大陆漂移的确定

当新的达尔文主义正统观念席卷欧洲时，对这一学说最著名的反对者，年迈的胚胎学家卡尔·恩斯特·冯·拜尔（Karl Ernst von Baer），不无讽刺地指出，每一个胜利的理论都经历过三个阶段：第一个阶段是被当作不正确的理论抛弃掉；第二个阶段是被当作与宗教对立的理论否定掉；第三个阶段是被当作教条接受，并且每一个科学家都声称早就认识这个理论的正确性。

我第一次接触到大陆漂移理论时，它正处在第二阶段，受着审判的煎熬。当时，美国知名古生物学家当中唯一敢于公开支持这个理论的肯尼思·卡斯特来到我的母校安蒂奥克学院作讲演。我们并不是顽固的保守主义堡垒，我们多数人完全是出于明智而抛弃了他的思想。（因为我现在正处在冯·拜尔所说的第三个阶段，所以我清楚地记得，卡斯特在我心中播下了实实在在的怀疑的种子）几年以后，我成为哥伦比亚大学的研究生，我记得，我那出色的地层学教授嘲笑过到澳大利亚看大陆漂移证据的人。他带领一群忠诚的趋炎附势的学生齐声嘲笑。（我现在已处在第三个阶段，再回想这些，虽然有趣，但不爽）出于对那位教授的尊敬，我必须说明，两年之后，他的观点迅速转变了，并将以后的岁月愉快地用在重新做他的毕生工作上。

今天，只不过才过了十年，我的学生会怀着更多的嘲讽抛弃那些否认大陆漂移说是明确合理的人——具有预言能力的疯子是有趣的，而陈腐的古板家伙只能叫人可怜。为什么在短短的十年就会发生如此深刻的变化呢？

绝大多数科学家坚持认为，或至少在公开情况下提出，在他们的专业中真理的获得是在一种被叫作“科学方法”的不会错的程序指导下，通过积累越来越多的材料。如果真是这样，我的问题就很容易解答。我们知道，在十年前，事实材料反对大陆漂移说，自那以后，我们增长了见识，又相应地修改了我们的观点。然而，我要指出，这样看问题一般说来是不切实际，就这个案例而言，也是完全不准确的。

在大陆漂移说遭到差不多普遍的抛弃期间，有关大陆漂移的直接证据，即从大陆裸露的岩石所得的材料，像今天一样稀少。之所以抛弃大陆漂移说，是因为没人能提出一个物理机制说明大陆在明显固定的洋底上的流动。由于缺乏合理的机制，大陆漂移说被当作荒谬的观点抛弃了。似乎支持这个学说的材料，也总是被解释后消除。如果这些解释听起来牵强或被迫的话，那倒有可能选择另一个途径——承认大陆漂移。在过去的十年，我们已经收集了一组新的材料，这次是从大洋盆地。利用这些材料，再加上大量的创造性想象，以及对地球内部的更深刻理解，我们设想出一种新的行星动力理论。按照这个板块构造理论，大陆漂移成为一种必然的结果。曾经被完全抛弃的采自大陆岩石的旧材料，又发掘了出来，并被誉为大陆漂移的决定性证据。简而言之，我们现在承认大陆漂移，是因为它符合一种新正统观念的期望。

我把这个故事视为科学进步的典型。在旧的理论指导下，以旧的框架收集的新事实，很少能导致思想的实质改变。事实并不“讲述它们自己”，事实是按照理论解读的。创造性思想，在科学中和在艺术中一样，是改变观念的动力。科学是一项精美的人类活动，并不是机械地、机器人似的收集客观信息，在逻辑律的指导下，产生出必然的解释。我将从关于大陆漂移的“经典”材料中找出两个例子来说明这个论点。在大陆漂移说尚不流行的时候，这两个材料都是要清除的谎言。

1. 古生代后期的冰期。2.4亿年前，冰川覆盖了现在的南部非洲、南极、印度和澳大利亚。如果大陆是稳定的，这种分布带来了难以克服的困难。

A. 南部非洲东部的条痕走向表明，冰川是从现在的大西洋流动到这个大陆的（条痕是岩床上的条纹，是由于冰川经过时在冰川底下与岩石的冻结造成的）。

世界的大洋是单一的系统，来自热带地区的热传递使开放海洋中任何大的部分都保持不冻结。

B. 非洲的冰川覆盖了现在的热带地区。

C. 印度的冰期肯定是在北半球的亚热带地区形成的，而且条痕表明是来自印度洋的热带水域。

D. 北方大陆没有冰川。假如地球冷得都能使热带的非洲结冰，为什么在北方的加拿大和西伯利亚却没有冰川？

如果南部大陆（包括印度）在这个冰期连接在一起的话，而且位置位较靠南，连接着南极，那么这些困难便不存在了。南美的冰川来自非洲，而且不是通过开放的海洋。“热带的”非洲和“亚热带的”印度当时与南极连接一起，北极位于大洋的中部，而且冰川未能在北半球形成。听起来就是大陆漂移，实际上，今天没有人怀疑这点。

2. 寒武纪三叶虫（生活于5亿～6亿年前的化石节肢动物）的分布。寒武纪的欧洲和北美的三叶虫分成两个不同的动物群，按照现在的地图，它们的特定分布如下。“大西洋”区三叶虫，生活在全欧洲，并且生活在远在北美边缘的少数局部地区，例如东部（而不是西部）的纽芬兰和马萨诸塞东南部。“太平洋”区三叶虫生活在整个美国和欧洲最西海岸的少数局部地区，例如苏格兰最北部和挪威的西北部。假如这两个大陆一直相隔5000公里，那就极难理解这样的分布。

但是根据大陆漂移理论，则恰好解决这个问题。在寒武纪时期，欧洲和北美是分离的，大西洋三叶虫生活在欧洲周围的水域，太平洋三叶虫生活在美洲周围的水域。这些大陆（现在含有三叶虫沉积层的地区）然后便相互移动，最终连接在一起。后来，它们再次分开，但并不是严格按照以前相连时的路线，古欧洲的一些零散地区，携带着大西洋三叶虫，留在了北美的最东边，而北美的一些地块吸附在欧洲的最西边。

这两个例子，今天会被广泛用作大陆漂移的“证据”，但在以前的岁月里，被断然抛弃了，并不是因为材料不完备，只是因为没人能提出一个恰当的机制来说明大陆的运行。所有最初的漂移论者都设想大陆如何通过静止的洋底运行。大陆漂移说之父阿尔弗莱德·魏格纳（Alfred Wegener）在20世纪早期提出，万有引力就可以使大陆运动。例如，大陆之所以缓慢地向西移动，是因为太阳和月亮的引力使大陆升抬，而地球在下面转动。物理学家的反应是轻蔑的，他们用数学表明，万有引力没有那么大的力，不能造成这样巨大的运行。所以，支持魏格纳的南非人阿利克斯·杜·托依特（Alexis du Toit）试图寻找别的办法。他提出，大陆边缘洋底局部地区的放射性熔化，导致大陆滑动。这一假说也没有为魏格纳的设想增加多大的说服力。

因为在缺乏机制的情况下，大陆漂移说显得有些荒谬，所以正统的地质学家便试图把那些使人联想到大陆漂移的证据，解释为一系列无关联的巧合。

1932年，美国著名地质学家贝利·威利斯（Bailey Willis）努力使冰期的证据与静态的地球相符。他借用“地峡连接”来救场，地峡连接是横跨4800公里的断断续续的狭窄陆桥。他认为在巴西东边和非洲西部之间有一个地峡连接，另一个是从非洲经过马达加斯加到印度，第三个是从越南经过婆罗洲和新几内亚到澳大利亚。他的同事，耶鲁的教授查尔斯·舒彻特（Charles Schuchert）在澳大利亚与南极之间加了一条，以及另一条从南极到南美，从而使南部海洋与其他水域之间的隔离有了连接。有了这样的隔离海洋，便可以解释南部地区的冰冻，解释冰川流经南美东部。冰川的冷水还补给了南部非洲的冰川。对位于赤道上方，距南方冰川以北4800公里的印度冰川，则需要另做解释。威利斯写道：“无法合理地设想出两大冰川之间有任何直接的关联，这种情况必须根据一种普遍的原因与局部地理及地形情况来考虑。”威利斯的工作就是发明创造：他简单地构想一种地形上升，使热而湿的南方水分成为降雪。针对北半球温带和北极地区缺乏冰，威利斯重建了一个洋流系统，以便他可以假设“在更冷的表面水下，有一种热的潜流向北流，在北极上升为热水加热系统”。舒彻特很高兴地峡连接提供了解决的办法：

全北区了不起的生物地理学家，从北非到巴西有一个陆桥，另一个从南美到南极（这个陆桥今天仍然存在），还有一个从极地到澳大利亚，并从澳大利亚穿过阿那夫拉海到婆罗洲、苏门答腊等到亚洲，再加上人们已经承认的风向、水流及迁徙鸟沿海架的扩散途径，而且他还有所需的所有可能性来解释生命的扩散，以及根据现在的大陆来排列地质时期的大陆区域和海区。

所有这些陆桥的唯一共同之处，就在于它们都是假设的，任何一个陆桥都没有一点直接的证据。然而，为了不把地峡连接这个萨迦 [13] 解读成教条主义者为了支持难以为继的正统观念而编纂得走了样的神仙故事，我要指出，对威利斯、舒彻特及20世纪30年代的任何思想健全的地质学家来说，有一件事显得比设想数千公里的陆桥还要荒谬十倍，那就是大陆漂移本身。

凭借如此丰富的想象，寒武纪三叶虫已不是不可克服的问题。大西洋和太平洋被解释为环境不同，而不只是地方不同，太平洋是浅海，大西洋是深海。由于可以自由地编造寒武纪洋底几何形状的假说，地质学家绘制着他们的地图，信奉着他们的正统观念。

当大陆漂移说在20世纪60年代开始流行时，来自大陆岩石的经典材料没有起到任何作用，大陆漂移有了新的理论做依托，有了新型的证据做支持。魏格纳学说物理上的荒谬在于他相信洋底阻碍了大陆的漂移。但是怎么能发生漂移呢？洋底是地壳，必定是稳定的。而且地壳向哪里运动？地壳的片段运动难道没有在地球上留下裂开的洞？所有事情并不是很清楚。或者可能是地壳运动吗？

“不可能”通常是由我们的理论来确定的，而不是自然来确定的。革命性的理论带来的就是意想不到。假如大陆必须踏海而行，那么大陆就不会发生漂移。然而设想一下大陆连接在洋壳上，随着洋壳片段的移动而被动地运动。我刚说过地壳运动会留下洞。这里我们走进了一个死胡同，必须凭借创造性的想象才能找到出路，而不是再到阿帕拉契的层峦中进行一番野外考察——我们必须以完全不同的方式建立地球的模型。

我们用一个比较合理的大胆设想，以便可以避开洞的问题。假如两块海底彼此离开，而地球内部如果产生出的物质填补了空缺，就不会有洞了。我们可以进一步将这个陈述的因果含义倒过来：从地球内部产生的新物质可能是使古海底运动的驱动力。但是因为地球并没有扩大，必定存在古海底沉入地球内部的区域，故而维系了创造与毁灭的平衡。

确实，地表看起来像断裂成不到十个大“板块”，所有边缘由创造（洋脊）狭窄区和毁灭（海沟）狭窄区连接起来。大陆固着在板块上，当洋底从位于洋脊的创造区散开后，大陆便随着板块运动。大陆漂移说不再是因自己的正确而骄傲的理论，它成了我们新的正统观念——板块构造的一个被动结果。

我们现在有了一个变动论的正统观念，这个观念如同所取代的不变论一样确定与不可妥协。这样，支持大陆漂移的经典材料又发掘了出来，并被当作确切的证据。然而这些材料当初在证实大陆变动观时没有起到作用，大陆漂移观只是在成为一种新理论的必然结果时，才取得了胜利。

这种新的正统观念使我们对所有材料的看法都变了。在我们复杂的世界中，没有“纯事实”。大约五年前，古生物学家在南极发现一种化石爬行动物，命名为Lystrosaurus。它曾生活在南部非洲，或许还在南美也生活过（在南美尚未发现相应年代的岩石）。假如谁在威利斯和舒彻特面前说这是个大陆漂移的论据，他可能会遭到痛骂——似乎骂得对。因为今天的南极和南美依然几乎完全由一串岛屿连接着（今天的海平面稍微降低，就可以形成陆桥）。Lystrosaurus可能在这个陆桥上信步漫游，这段旅程并不长。《纽约时报》根据这种观点写过一篇编辑文章，那时大陆漂移说已经被证实了。

我提出的理论更重要的论点可能会使一些读者困惑。这样不会导致教条主义和对事实的不尊重吗？当然会的，但不一定。历史的经验告诉我们，许多理论都会被竞争的理论所抛弃。任何正统观念都不是不可动摇的。即使这样，我也不会因为对板块构造学投入很多情感而悲伤，原因有两个。我的具有文化背景的直觉告诉我，板块构造学基本上是正确的。我的内心深处告诉我，板块构造学太激动人了，足以表明常规科学比起冯·丹尼肯之流的任何杜撰，比起现在的及过去的那些使人上当受骗的百慕大三角之类的事情，要有趣得多。

[1] 斯科普斯（1901—1970），美国田纳西州的一名中学教师，1925年，因讲授达尔文的进化论被指控违反当时的州法，犯了渎神罪，这成了当时轰动全美国的一桩审判案。——译注

[2] 哥革和玛各，《圣经·新约·启示录》中预言的受撒旦迷惑必将作乱的两个民族。——译注

[3] 在英文中，密室，closet，又有厕所的意思；牧师，clerk，又有职员、工作人员的意思。——译注

[4] 布丰（1707—1788），法国大博物学家，与他人合著《自然史》44卷，另著有《风格论》，提出“风格即人”。——译注

[5] 即20世纪70年代一些特创论者要求在学校课堂以相同的时间讲述进化论与特创论。——译注

[6] 英国作家斯威夫特的小说《格列佛游记》中的人形兽，形容人面兽心的人。——译注

[7] 摩尼教是3世纪由摩尼创立于波斯的宗教，相信这个世界非善即恶，黑白分明。——译注

[8] 穆勒（1773—1836），英国哲学家、历史学家和经济学家，著有《人类精神现象分析》《不列颠印度史》和《政治经济学原理》等。——译注

[9] 雅典娜和宙斯都是希腊传说中的神祇。宙斯是众神之神，雅典娜是手工业、文学、艺术的保护神。传说雅典娜是从宙斯的额头上生出来的。——译注

[10] 吗哪，古犹太人在荒郊得到的食物。——译注

[11] 布鲁诺（1548—1600），文艺复兴时期意大利哲学家、天文学家，宣扬泛神论、人文主义思想和哥白尼的日心说，被宗教裁判所判为异端，处以火刑。——译注

[12] 托尔克马达（1420—1498），西班牙第一任宗教总裁判官。在他任职期间受火刑而死的约有2000人。——译注

[13] 萨迦，指中世纪冰岛和挪威历史事件、历史人物、逸事传闻等北欧传说。萨迦式作品指的是英雄传奇和长篇汇叙。——译注

第六部分
大小与形状，从教堂到脑，到行星

·　大小与形状

·　估量人类的智力

·　脊椎动物脑的历史

·　行星的大小与行星的表面

21　大小与形状

谁能相信理论中的蚂蚁
图画中的长颈鹿
纵然有上万个博士
又怎能理解树林中一半的生物

约翰·查尔迪（John Ciardi） [1] 的诗句反映出一种信念，生命丰富的多样性会永远摧毁我们自称无所不知的狂妄。然而无论我们对多样性感到多么高兴，为动物的特异性感到多么欣悦，我们也必须认识到，生物的基本式样存在明显的“规律性”。在生物的大小与形状相关性方面，这种规律性最为明显。

动物是一种物理客体。自然选择使动物具备有一定优势的形状。结果，动物必然具备了最适应大小的形状。许多基本力（如万有引力）的相对强度大小以规则的方式改变，而动物则通过系统地改变形状来做出反应。

空间几何学本身是大小与形状相关性的主要原因。一般是增大，当形状保持不变时，任何物体都发生相对表面积的持续增长。之所以发生这样的增长，是因为体积的增长是长度的立方（长×长×长），而面积的增长只是长的平方（长×长）；换句话说，体积增长比面积增长快。

为什么这对动物来说很重要呢？许多依赖于表面积的功能必然对身体的整个体积起作用。消化的食物通过表面进入身体，在呼吸作用中氧是通过表面吸入的，腿骨的强度依赖于骨横截面的面积。但是腿按长度的立方体来支持身体不断增加的重量。伽利略在1638年发表的《对话》中，第一次认识到这个原理，他写作这个手稿时，正受到宗教审判的软禁。他认为，大型动物的骨必定厚得不成比例，以提供与小型动物细骨强度相应的力量。

在大型复杂生物的进化中，有一种解决表面积增加的方式特别重要：发展内部器官。肺本质上是为了气体交换而表面回旋丰富的袋；循环系统将物质运送到体内空间，大型动物不可能通过使物质直接扩散，从外表直达这些空间；消化器官不太大，但是绒毛增加了吸收食物的表面积（小的哺乳动物没有绒毛，也不需要绒毛）。

一些简单的动物没有进化的内部器官，假如这些动物变大了，它们就必须以一种剧烈的方式改变整个形状，这种改变是在较长的进化时段内以牺牲动物的可塑性为代价的。因此，一只绦虫可以长达6米，但厚度不能超过2.5厘米，因为食物和氧必须从外表面直接渗入身体的各个部分。

还有一些生物也受限于身体太小。昆虫通过外表面的内陷部分呼吸。氧必须通过外表进入整个身体。因此躯体大的话，内陷部分必定非常多而且卷曲，因而，昆虫的大小是有限的。如果一个昆虫的身体大小和最小的哺乳动物差不多，它的身体会“全都内陷”，没有内部器官的空间。

我们的知觉受制于我们身体的大小，我们无法认识到这个世界对小型动物显得多么不同。因为根据我们较大的身体，我们相对的表面积就小了，所以我们受制于我们体重的万有引力控制。但是，对表面积与体积比高的小型动物来说，引力可以忽略不计。它们生活在由体表力控制的世界，并以我们的经验全然不知的方式判断周围的惬意与危险。

伽利略绘画说明的大小与形状的关系。大的圆柱必定比小的圆柱更厚。出于同样的原因，大型动物具有更加厚实的腿骨

一只昆虫在爬上墙壁或爬上池塘时，并不是在表演奇迹。表面吸附力很容易抵消万有引力对它的下拉。将一只昆虫从屋顶上扔下，它会轻柔落下，因为作用于它体表的摩擦力减弱了万有引力的影响。

由于万有引力的相对减弱，便存在了另一种增长模式，大型动物不可能保持这种模式。昆虫有一个外骨骼，只有蜕去外骨骼，分泌出一个与增大的身体相配的新外骨骼才能生长。在蜕皮与再生长期间，身体肯定是柔软的。大型动物若没有支撑的结构，在万有引力的影响下，就会变成杂乱的一堆肉泥；小的昆虫则可以保持身体的亲和（相关的龙虾和螃蟹可以长得更大一些，因为它们在几乎失重的水中度过“软体”阶段）。这是昆虫个小的另外一个原因。

恐怖片和科幻片的创作者们似乎并没有认识到身体大小与形状之间的关系。这些“可能性的拓展者们”不能摆脱他们知觉上的偏见。《库克罗普斯博士》（Dr. Cyclops ）、《弗兰根斯坦的新娘》（The Bride of Frankenstein ）、《难以置信的收缩人》（The lncredible Shrinking Man ）和《奇妙的旅行》（Fantastic Voyage ）中的小型人的行为像是正常身体行为的翻版。他们怦然落下悬崖或楼梯，他们挥动武器，他们像奥林匹克运动员一样敏捷地游泳。电影中的昆虫大得难以名状，却继续爬上墙，或体大如恐龙，却能飞行。当《它们》（Them）中善良的昆虫学家发现巨大的蚁后们飞出去参加它们的婚礼时，他很快计算出这一简单的比例关系：一只正常蚂蚁长2.5厘米，可以飞行几百米；这些蚂蚁有长达1米，能飞行1600公里。哦，它们能（从美国东部）飞到遥远的洛杉矶！（待在哪里？它们可能待在下水道中）但是飞行的能力依赖于翅的表面积，而且在空中飞翅按立方增加必须负荷的重量。我们可以确信，巨大的蚂蚁就是克服了呼吸和蜕皮生长的问题，巨大的身体也会使它们永远待在地上。

生物其他的特征，随身体大小增长的变化要比随体表面积与体积比增长的变化迅速。在一些情况中，动能按长度（高度）的5次方增加。假如比你矮一半的小孩摔倒，他的头并不是按你头的动能的一半碰到地，而是按你头的动能的1/32碰到地。小孩更多是受身体大小的保护，而不是受“软的”头的保护。我们发脾气时产生的物理力也相应要大得多，但小孩发脾气时产生的物理力仅为我们聚集的物理力的1/32，而不是一半。我一直特别同情瓦格纳（Wagner） [2] 的歌剧《尼伯龙根的指环》（Das Rheingold ）中可怜的侏儒们。他们遭到残忍的阿尔布里克的鞭打。他们身材矮小，虽然非常勤奋，不懈努力，但使用细小的棍子，根本无法挖出阿尔布里克所要的贵重矿物。 [3]

这个区别衡量身体大小增加的简单原则，可能是生物形状最重要的决定因素。J.B.S.霍尔丹曾经写道：“比较解剖学所讲述的，主要是生物为按照体积比增加表面积而斗争的故事。”然而这一普遍性不仅适用于生命。空间几何学约束着船只、房屋、机器，当然还有动物。

中世纪的教堂是检验大小与形状效果的很好例证，因为在没有发明可以使现代建筑家挑战大小定律的钢制支架、内部照明和空调等之前，中世纪的教堂已经建造得很大。英国艾塞克斯郡（Essex）12世纪的小泰教堂（Little Tey）是宽敞而简单的正方形、具有半圆拱顶配房的建筑。光线透过外墙上的窗子进入里面。假如我们就按这个式样放大，去建造一个主教堂，那么外墙和窗将按长度的平方增加，这样，要使光线肯定照到里面的话，体积就要按长度的立方增加。换一种说法，窗面积的增加小于需要照明的体积增加。蜡烛的使用有限，这样一个教堂的内部要比犹大的行为还黑。中世纪的教堂像绦虫一样，缺乏内部系统，而且随着空间增大，必须改变外形，留出更多的外表面。此外，大型教堂不得不相应狭窄，因为房顶是用石头做的拱顶，没有内部的支撑，不可能有宽一些的房顶。葡萄牙巴塔哈（Batalha）的牧师会礼堂是中世纪最宽的石拱建筑之一，在建造中两次塌落，最后由死刑犯建成。

中世纪教堂的式样部分是由于大小的限制。英格兰艾塞克斯郡的小泰教区教堂建于12世纪，只有17.37米长，平面和顶部比较简单（上图），而同样是12世纪的建造的诺里奇大教堂（下图）长达137米，它的耳堂和配房都是适应这种大小的建筑，光线和支撑的需要决定了大教堂复杂的式样

（A.W.克拉彭，《英国浪漫式建筑；征服英国后》，牛津克拉伦顿出版社，1934，经牛津大学出版社同意引用）

看一下20世纪出现的诺里奇大型主教堂。与小泰教堂相比，它的中堂的四方形变得更狭窄了，小礼拜堂增加了半圈形配房，而且有一个耳堂垂直于中轴。所有这些“适应”增加了外墙及窗与内部空间的比。通常认为增加左右耳堂为的是形成一个拉丁十字形状。神学的驱动力可能需要这样的“外突”，但是大小的规律要求它们的存在。小型教堂差不多都没有耳堂。中世纪的建筑家有他们的经验规则，但是，就我们所知，他们没有关于大小律的明确知识。

大型生物，就像大型教堂一样，选择的余地很小。大到一定程度，大型陆生动物的外形便差得不多了，它们有厚实的腿，相对短而结实的身体。中世纪大型教堂相对较长，并且有大量外突。内部器官的“发明”使动物保持了外表简单、内部含有大量空间的成功形状，内部照明和结构钢架的发明，使现代建筑家设计出本质上立方体形状的大型建筑。限制拓宽了，然而规则仍然有效。大型的哥特式教堂没有宽超过长的，大型的动物没有像猎犬那样中部下陷的。

我曾经在纽约运动场听过孩子们的聊天。两个女孩子在谈论狗的大小。一个问：“狗能像大象那么大吗？”她的朋友回答：“不能，要是狗像大象那么大，它看起来就像大象了。”她说得太对了。

22　估量人类的智力

A. 人类的身体

朱利安·赫胥黎曾经提到，“大小本身就是迷人的”。我们的动物园中收养了大象、河马、长颈鹿和大猩猩，你们有谁不为《金刚》（King Kong ） [4] 在高楼顶上的各种搏斗喝彩？这种对少数比我们要大的动物的关注曲解了关于我们身体大小的概念。多数人认为智人种（Homo sapiens）是唯一体形最适中的生物。事实上，人类属于地球上的大型动物，99%的动物比我们小。在我们所属的哺乳动物灵长目的190个物种中，只有大猩猩的平均大小超过我们。

我们自定的角色是这颗行星的统治者，我们极有兴趣列举使我们获得这种优越地位的特征。经常援引的有：我们的脑、直立姿势、讲话的发展以及集体狩猎（提到的只是少数）。但我一直很惊讶，很少有人认识到我们的大型身体是我们进化进步中的控制因素。

尽管在一些圈子里，并没有对自我意识的智力给予大的名声，但智力确实是我们达到现在状况的必要条件。如果我们的身体很小的话，还能进化出这样的智力吗？1964年的一天，我进入纽约世界博览会自由企业展厅避雨。这个厅里标志牌的主要部分是一个蚁群，上面写着：“两千万年来进化停滞，为什么，因为蚁群是社会主义和极权主义的体制。”这句话无须认真关注。不过，我应当指出，蚂蚁已做得相当出色，只是由于它们的身体，不是由于它们的社会结构妨碍它们具有高度的心智能力。

在这个晶体管时代，我们可以将收音机放在表壳里，将电话装在很小的电子盒中，这种微型化会使我们错误地相信，绝对大小与复杂装置的运作无关。但是，大自然并不会使神经元（或其他此类细胞）变小。生物细胞大小的差异幅度比身体大小的差异幅度小得多。小型动物的细胞数量远远少于大型动物。人类大脑含有几十亿个神经元；一只蚂蚁受身体小的限制，神经元的数目要少数百倍。

评估我们脑大小优越性的正常标准。直线代表所有一般哺乳动物脑重与体重的平均关系。脑大小优势由斜线上看的偏差来衡量（比同样体重的平均哺乳动物“更多的”脑）。不相连的圆代表灵长类（都有比平均哺乳动物大的脑）。C是黑猩猩，G是大猩猩，A是化石人科动物南方古猿：直立的包括直立人（爪哇人和北京猿人），智人包括现代智人。我们的脑在所有哺乳动物中偏差位置最高（S.斯札里《灵长类古生物学研究·灵长类文丛》第5卷，1975年，267页）

应当明确人类脑的大小与智力之间并没有一定的关系［阿纳托尔·法朗士（Anatole France） [5] 的脑容量小于1000毫升，奥利弗·克伦威尔（Oliver Cromwell） [6] 的脑容量超过2000毫升，这是人们常引的例子]。但是不能扩展到物种之间看待这种差异，当然从蚂蚁与人类的脑大小差异幅度上也不能看到这样的差异。一个有效的计算机需要几十亿条线路，而一只蚂蚁根本就不能容纳这么多，因为细胞大小的相对恒定，要求脑小包含的神经元就少。因此，我们大的身体成为自我意识智力的先决条件。

人类脑大小的进化增长（虚线）。四个三角代表大概的进化顺序：南方古猿阿法种ER-1470（理查德·利基新近的发现，颅容略小于800毫升）、直立人（北京猿人）以及智人。在计算过的进化顺序中，这条线的斜率最高。两条直线代表南方古猿（上边那条）和大型猿（下边那条）脑大小的最常见程度（“人类进化中的大小与程度”，戴维·皮尔比姆与斯蒂芬·J.古尔德《科学》186卷，892～901页，图二，1974年12月6日。1974年美国科学促进协会出版）

我们可以提供更有效的论据，宣称人类这样的大小恰好行使他们的功能。F.W.温特（F.W. Went）在一篇有趣并引起争论的文章中（《美国科学家》，American Scientist ，1968），探讨了人类如果像蚂蚁那么大（假如我们克服了——而我们不可能克服——智力和脑小的问题），那么人类的生命就不可能成为我们知道的那样。因为当一个物体变大时，重量的增加要比表面积的增加快得多。小型动物有很高的表面积与体积比，它们生活在受表面力主宰的世界，而表面力对我们的影响很小（见前面的那篇文章）。

一个像蚂蚁那么小的人可能也穿衣，但表面吸附力会使它无法移动。水滴大小的限制使这个微体人无法淋浴，每一个水滴可能会以鹅卵石的力量落到他身上。假如人类中的微体人身上湿了并试图用手巾擦干，他为此将干上一生。他不能挤出水，不能点着火（因为稳定的火焰肯定达几毫米高）。他可以将金箔敲打得非常薄，做出一本适合他大小的书，但是表面吸附力将阻碍他翻页。

我们的技能和行为与我们身体的大小非常合适。我们不能比我们现在再高出两倍，那样的话，倒下的动能将增大16至32倍，而我们的净重（增加了8倍）会远远超过我们两条腿可以支撑的程度。人类中2.4米到2.8米的巨人或是早夭，或是很早因为关节或骨骼疾病而跛足。如果我们的身体再小一半，我们将没有足够的力量使用棍棒猎捕大型动物（因为动能会减少到1/16至1/32）；我们没有足够的力量使用矛和弓箭，我们无法用原始的工具劈开木头，或用镐和凿子采矿。因为这些都是我们历史发展的本质活动，所以我们必然认为我们进化的途径只有由与我们身体大小接近的生物来完成。我并不是认为我们拥有世界上可能最好的特征，只是认为我们身体的大小制约着我们的活动，而且在很大程度上定型了我们的进化。

B. 人类的大脑

人类脑的平均重量为1300克（45.5盎司）。为了容纳这样大的脑，我们有了与其他大型哺乳动物不同的圆球状的头。我们能根据脑的大小衡量优越性吗？

大象和鲸的脑比我们的大，但是这一事实并不表明最大的哺乳动物才有出色的心智能力。大的身体需要大的脑去协调行为。我们必须找到办法去掉计算中依据身体大小带来的疑惑影响。简单计算脑重与体重比显然是无效的。许多小型动物通常有比人更高的（脑/体）比，即小型动物单位体重的脑重更大。脑不随身体增大而增加，但脑以很慢的速度增加。

假如我们将所有成体哺乳动物的脑重与体重画成图表，我们便会发现脑重的增加速度是体重增加速度的2/3。因为表面积的增加速度也是体重增加速度的2/3，于是我们猜测脑重不受体重的控制，而是受作为神经分布端点的表面积的控制。这意味着大型动物可能有比人类绝对大的脑（因为它们的身体更大），而小型动物通常有比人类相对大的脑（因为身体大小减少的速度快于脑减少的速度）。

一个成体哺乳动物脑重与体重的图表，为我们指出了走出自相矛盾的途径。正常的标准既不是绝对脑的大小，也不是相对脑的大小，而是一定身体条件下实际脑大小与期望脑大小的差异。为了判断我们的脑的大小，我们必须将我们的脑与具备我们体重的平均哺乳动物期望脑的大小做比较。根据这个标准，我们正是（如同我们正确期望的那样）脑最发达的哺乳动物。没有哪个物种像我们这样远远高于平均哺乳动物脑大小期望值。

这一体重与脑大小的关系，使我们对于我们自身的脑进化有了更重要的了解。我们的非洲祖先（或至少是近亲）南方古猿阿法种脑容量为450毫升。大猩猩的脑通常更大，许多权威用这个事实推断南方古猿具有明显的前人类心智。一本近期的教科书写道：“最初在南部非洲的双足类人猿的脑并不比其他猿大，但据推测却有更复杂的行为能力。”但是南方古猿阿法种只有50至90磅（分别为雌性与雄性的重量，这是耶鲁大学人类学家戴维·皮尔比姆的估计），而大型雄性大猩猩体重可超过600磅。利用比较实际体重期望值这一正确标准，我们可以有把握地指出，南方古猿的脑比其他非人科灵长类大得多。

现在人的脑比南方古猿的大三倍。这一增长通常被称作进化史上最迅速最重要的事件，但是我们的身体已经极大地增加了。脑的增大只是身体增加的简单结果吗？或这样大的脑是新的智力水平的标志吗？

为了回答这个问题，我绘制了下列化石类人猿（或许代表了我们的谱系）的颅容（对照根据推测的体重）：南方古猿阿法种，理查德·利基的著名发现（颅容将近800毫升）和一个2000万年前的古猿（戴维·皮尔比姆根据股骨推测出的体重），周口店的直立人（北京猿人），以及现在的现代智人（Homo sapiens）。这个图表显示，比起任何根据身体大小的代偿所做的预测，我们的脑增长要迅速得多，而且这个结论的确加强了一种我们应该消除的自负。然而，我们的脑确实经历了与大型身体的要求无关的一种增大，我们的确比过去聪明了。

23　脊椎动物脑的历史

大自然极为勉强地隐藏了她过去的秘密。我们古生物学家根据沉积岩不完整序列中保存的残缺化石碎片，来编织我们的故事。多数化石哺乳动物仅仅是根据牙齿（我们身体中最硬的物质）和少量散乱的骨骼来了解的。一位著名古生物学家曾经谈到，从化石所知的哺乳动物历史，就是从牙齿化石的特征推演其后代牙齿特征的细微变化。

极少保存下来的软体部分令我们欣喜，像冻在冰中的猛犸或作为炭化影像保存在页岩床上的昆虫翅。然而，我们关于化石软体解剖的多数信息并不来自这类少数偶尔保存下来的东西，通常来自保存在骨骼中的证据——肌肉嵌痕或神经通过的洞眼。幸运的是，脑在包裹的骨骼上留下了印痕。当一个脊椎动物死去，它的脑便很快腐烂，但产生的空洞会被沉积岩填充，硬的沉积岩制出一个自然的石膏模型。这个模型不能保存脑的任何内部结构，但保存下来脑的大小及外表与原来的完全一样。

不幸的是，我们不能简单使用化石模型的容积对动物的智力做出可信的衡量。古生物学绝没有那么容易。我们必须考虑两个问题。

首先，脑的大小意味着什么？与智力相关吗？尚无证据表明在一个物种内智力与脑大小正常变化的幅度有任何关系（功能完全的人的脑容积从1000毫升到2000毫升不等）。然而，同一物种中个体的差异与不同物种间的平均差异不是同一现象。例如，我们肯定认为，人脑与金枪鱼脑的大小的平均差异涉及有意义的智力概念。那么，古生物学家又能做什么呢？我们必须根据我们有什么才能去做什么，我们有的主要是脑的大小的信息。

其次，决定脑大小的并不是心智能力，而是身体的大小。大的脑反映出的只是大型的身体需要有大型的脑。而且脑的大小与身体大小的关系并不简单（见前面的那篇文章）。随着动物身体变大，脑的大小以缓慢的速度增加。小型动物则有相对大的脑，即它们的脑重与体重比略高一些。我们必须找到一些办法消除身体大小的影响。通过用图表做出脑重与体重关系的等式可以做到这一点。

比如我们研究哺乳动物。我们把所能得到的许多不同物种成体的平均脑重与体重编辑出一个清单。这些物种在我们的图表上以点显示，符合这些点的等式表明，脑重增加的速度是体重增加速度的2/3。然后，我们比较给定物种的脑重与体重相同的哺乳动物“平均”脑重。这样的比较消除了身体大小的影响。例如，黑猩猩的平均脑重为395克。根据我们的等式，同样体重的哺乳动物的平均脑重应该为152克。因此，黑猩猩的脑比它应该的重量重（395/152）2.6倍。我们可以将实际脑大小与期望脑大小的比称为“脑形成商”，大于1的值表示比平均脑大，小于1的值表示比平均脑小。

但是这种方法给古生物学家带来了别的困难。我们必须既估计体重又估计脑重。完整的骨架很少见，一般的估计只是通过少量的骨骼做出的。难上加难的是，只有鸟类和哺乳动物的脑完全充满体腔。在这些类群中，颅模型完全再造了脑的大小与形状。但是鱼、两栖类和爬行类的脑只占部分颅腔，石化的模子要比实际的脑大。我们必须对活体脑占模子的多大部分进行估计。不过，虽然困难较多，设想和估计量又过大，但我们还是能够推想，甚至证明，脊椎动物脑大小进化中的连贯而隐秘的故事。

加利福尼亚心理学家哈里·J.杰里森（Harry J. Jerison）最近在一本名为《脑与智力的进化》（The Evolution of the Brain and Intelligence ，纽约，学院出版社，1973）的书中列举了许多证据，其中有不少是他自己十几年来收集的。

杰里森的主要论题是攻击一种常识，即认为可以将脊椎动物排列成从鱼经过两栖类、爬行类和鸟类阶段，再到哺乳动物的完美阶梯。杰里森喜欢使用功能论的观点，将脑重与生命模式的特定需要联系起来，而不是与进化过程中任何预定的内在增长趋势联系起来。现代脊椎动物中只填补了两个区域的“脑一体空白”：一类是由热血脊椎动物（鸟和哺乳动物），另一类是由冷血动物（鱼、两栖类和现代爬行类）。（鲨鱼是这一基本规律的唯一例外，它们的脑太大，对这些被当作“原始的”鱼来说，令人惊奇，而且超过了一些后来出现的鱼）确实，热血动物比起身体大小相同的冷血动物来，脑要大得多，但是不存在向着更高状态的稳定进步，只存在脑的大小与基本生理的相关性。事实上，杰里森相信，哺乳动物进化出大的脑，以适应最初作为小型动物在恐龙统治的世界外围竞争所需的特殊功能。他认为最初的哺乳动物在夜间活动，它们需要较大的脑将获得的听觉和嗅觉转换成空间图像，而这对日光下活动的动物来说，仅凭视觉便能分辨出。

杰里森按照这个框架提供了许多引人入胜的趣闻。我不愿意驳斥人们公认并令人欣悦的教条，但是我必须指出，恐龙的脑并不小，它们的脑恰好是它们作为巨型爬行动物应有的那么大。我们不能期望雷龙有更大的脑，因为大型动物的脑相对较小，而且爬行动物在任何体重级别上，都比哺乳动物的脑小。

现代冷血脊椎动物与热血脊椎动物之间的空缺被中间类型的化石形态填补了。我们根据五个标本知道了最早的鸟——始祖鸟，其中一个标本有保存良好的脑铸模。这种具有羽毛和爬行类牙的中间类型，它的脑在图表上正好位于现代爬行类与鸟类中间未被填补的区域。恐龙灭绝后，进化很快的原始哺乳动物的脑的大小介于相应重量的爬行类和现代哺乳类的脑之间。

通过追踪脑增长产生的某一种反馈，我们甚至开始可以理解脑大小进化增长的机制。杰里森计算了食肉类的脑形成商，这些食肉动物大概捕食四种不同类群的有蹄类食草动物：第三纪早期的“原始”哺乳类（通常认为第三纪是“哺乳动物时代”，代表7000万年前以后的地球历史），第三纪早期的高级哺乳类，第三纪中后期哺乳类，以及现代的哺乳类。记住脑形成商1.0指的是现在哺乳类期望脑的平均大小。

食草动物和食肉动物在进化中都表现出脑的持续增长，不过在每一个阶段，食肉动物的脑增长总是领先于食草动物。依靠快速捕捉奔跑的被捕者而生的动物，比食草动物需要更大的脑。而且，随着食草动物脑的变大（大概是因为食肉捕食者施加的强烈选择压力），食肉动物也进化出更大的脑，以维持差异。

南美是检验这个观点的天然实验室。几百万年前，在巴拿马地峡形成之前，南美是个隔离的岛式大陆。高级食肉动物从未到过这个大陆，捕食者是脑形成商很小的有袋类食肉动物。这里食草动物的脑并不随时间增长。在整个第三纪，食草动物的平均脑形成商一直低于0.5，所以当高级食肉动物从北美越过地峡时，这些原产的食草动物很快就被消灭了。从而再一次说明，脑的大小是对生命模式的功能适应，而不是具有固定增长趋势的定量单位。当我们要举例说明一种脑的增长时，我们可以将脑增长与生态角色的特定要求联系起来。这样，我们便不应该对“原始的”鲨有这样大的脑感到惊讶了。总的说来，鲨是海洋中最棒的食肉者。脑的大小反映的是生命的模式，而不是进化起源的时间。同样，像翼龙和霸王龙这样的食肉恐龙，比雷龙这样的食草恐龙有更大的脑。

但是我们的自身优越性怎样呢？脊椎动物的历史表明了为什么一个特殊的物种就该这样聪明吗？不该这样想。最古老的灵长类脑的铸模化石属于5500万年前的一种恐猴（名字是Tetonius homunculus），杰里森计算它的脑形成商为0.68。这个量确实只相当于同样体重的现存哺乳动物平均脑大小的2/3，但却是那时最大的脑了（根据常用的对体重的修正标准）。事实上，它比当时平均哺乳动物的脑大三倍。灵长类从一开始就走到了前面，我们大的脑不过是在哺乳动物时代开始时建立的模式的扩大。但是为什么人类这样的大脑是从一组小的、原始的树栖哺乳动物（如老鼠和鼩鼱）进化而来，而不是从习惯所认为的高级哺乳动物进化而来呢？我用这个有争议的问题作为结束，因为我根本就不知道我们能提出的最主要问题中任何一个问题的答案。

24　行星的大小与行星的表面

查尔斯·莱尔用明确的话表述了他那地质学革命的指导性概念。1829年，他在给同事及科学上的反对者罗德里克·莫奇逊的信中写道：

我的工作……将致力于在这门科学（指地质学）中建立推理的原则……（这门科学）从我们可以回溯的过去到现在根本没有持续连贯的因果性，有的只是某一时期起作用的因果性。起作用的原因无论在任何时期绝对没有能量程度上的差别。

这种变化速度是缓慢、稳定、本质上均变的学说，对19世纪的思想有深刻的影响。达尔文30年后采用了这个学说，而且古生物学中一直在探讨化石记录中缓慢和稳定的案例。但是莱尔对逐渐变化的偏爱源自何处呢？

所有普遍性的概括都有复杂的根源。部分原因是，莱尔只不过在自然中“发现”了他自己的政治倾向性——假如地球表现出的变化一定是缓慢逐渐的，负荷着过去事件的重负，那么自由主义者面对社会动荡的加剧将会感到安慰。然而，自然不仅是一个空旷的舞台，使科学家可以展示他们先验的嗜好，自然也会说不。许多定型我们行星表面的力量确实是缓慢而连续的。莱尔可以测量河底淤泥的积累和山坡的逐渐的冲蚀。莱尔的逐渐论（在他的系统陈述中过分极端了）表明了地球史的大部分情况。

我们所在的行星的主要形成过程是由于我的同事弗兰克·普雷斯（Frank Press）和雷蒙德·西弗（Raymond Siever）称作地球的外热发动机和内热发动机的作用。我们的太阳推动着外部发动机，但其影响有赖于地球的大气层。普雷斯和西弗写道：

太阳能驱动大气形成复杂的风型，并驱动海洋以与大气相应的形式循环。海洋、大气中的水和气与固体地表进行化学反应，并且把物质从一个地方物理地移到另一个地方。

这些过程大部分以经典的莱尔式方式逐渐进行，所造成的大的结果是由于微小变化的积累。流水冲刷大地，荒原变成沙丘，波浪吞没海岸，海水卷走沙石。

放射性衰变产生的热推动着内部发动机。所造成的结果，例如地震和火山喷发，以其突然和剧变使我们震惊。虽然只不过十几年前才发现这些事件基本过程的根源，但这也足以令莱尔含笑九泉。内部的热使地表运动，并以每年几厘米的速度移动大陆。这一逐渐的运动，延续了2亿年，已经将单一的泛大陆陆地分割成现在广泛分散的大陆。

然而，我们的地球在太阳系的内行星（水星、火星和我们的月亮）中绝对是个异类。（我没有包括金星，因为我们对金星的表面毫无所知。只有一个俄国探测器成功地穿过了金星致密的大气层，但只送回两张模糊不清的照片。我也没有包括木星及其他外周的大型行星，它们比内行星大得多，而且不太致密，属于不同的宇宙体类型）无论先验的偏爱多么强，也没有哪个地质学家倡导地球及内行星表面都是均变的学说。

火星、水星和我们的月亮上布满了小行星碰撞形成的坑。事实上，水星表面坑凹相叠。月亮的表面被划分为两个大区：致密坑的高地与稀疏坑的阴暗区（玄武熔岩构成的“海”）。莱尔主义的逐渐论可以应用到我们的地球，却不能描述我们邻近行星的历史。

例如看一下月亮的历史，根据对阿波罗航行收集的资料所做的推断以及加利福尼亚大学地质学家W.伊恩·里德利（W. Ian Ridky）的归纳，月亮的外壳40亿年前就硬化了。39亿年前，最大的小行星碰撞期已经结束，阴暗区的盆地已经露出，大的坑也形成了。31亿年前至38亿年前，放射性热产生的玄武熔岩填到阴暗区的盆地。之后，新产生的热赶不上月球表面失去的热，外壳重新硬化。到了31亿年前，外壳变得太硬，任何玄武岩都无法隆起，月球表面的活动实质上停止了。从那以后，除了大一点的小行星的偶尔影响和小的天体物质的流入外，几乎再没有发生任何事情。

我们今天看到的月亮与30亿年前的月亮很相似。月亮上没有大气侵蚀，没有表面物质的再循环，月亮不能产生内部的热搅动来改变它的外貌。月亮并没有死去，但它确实静息了。月震集中在外表下800～1000千米，与地球岩石圈的70千米相比，可以想见月亮的外壳很厚实。在月球外壳下面可能存在部分炽热区，但由于太深无法影响月亮表面。月亮的表面是古老的，上面记录了经历过的剧变，曾经有大量的小行星光顾，还有熔岩的上涌。月亮的早期历史充满了剧烈的变化，而迄今30亿年的变化确实太小了。

为什么地球与它的邻居们有这么大的差别？地球的历史中记载的主要是逐渐的积累过程，而不是古老的剧变。读者可能会认为这个问题的答案要从地球与邻近星体构造上复杂的差异中寻找。但是，就我们所知的密度和矿物成分而言，所有内行星基本上差不多。我打算提出，这种差异是因为一个很有说服力的简单事实——大小本身，而不是因为其他什么，地球比它的邻居们都大。

伽利略首次讨论过物体的大小对决定物体客体的形态和运作起主要作用（见文章21 和22 ）。几何学的一个基本事实表明，大型物体与形状相同的小型物体达到力的平衡不同（所有物体肯定都是差不多的球状）。考虑一下不同半径的两个球体表面积与体积的比。面积等于半径平方的恒定倍数，体积等于半径立方的恒定倍数。因此，当同样形状的物体更大时，体积的增加大于表面积的增加。

我坚持认为，莱尔提出的均变是地球相对低的面积与体积比的偶然性结果，而不是像他所说的是所有变化的一般特征。我们先来设想一下，地球与邻居们的早期历史差异并不很大。某一时期，我们这个行星也布满大量的坑凹。不过这是几十亿年前的状况，并且被地球的两个热体系消除了：通过内部热体系的搅动（上升为山脉，被熔岩覆盖，或者由于板块下降边缘的俯冲而陷在地球的深处），或通过外部热体系产生的大气或河流侵蚀，而很快消除掉。

这两种热机制之所以可以起作用，只是因为地球大到足以拥有相对小的表面积以及大的万有引力场。火星和月亮既没有大气又没有活动的表面。外部的热机制要有大气才能起作用。按照牛顿的公式，引力的大小与两个物体的质量成正比，与两个物体之间的距离平方成反比。为了计算地球和月亮控制水蒸气分子的万有引力，我们只需考虑星体的质量（因为分子的质量恒定）和从星体表面到星体中心的距离。当一个行星增大时，它的质量按行星半径的立方增加，而从表面到中心的平方距离就是半径的平方。所以，随着一个行星变大，它的万有引力对大气颗粒的拉力增加为r3/r2（r是行星的半径）。在月亮和水星上，这个力太小，不能控制大气，就连最重的大气颗粒也无法控制住。地球的引力则很强，足够控制大而恒久的大气，从而使大气起到外热机制媒介的作用。

放射性产生的内部热在整个星体中传播，还可以通过行星的表面扩散到空间中。小型行星，由于表面与体积比很高，散热很快，外壳固化很深。大的行星则保留了热和表面的移动性。

对这个假说的理想检验是有一个大小居中的行星，以便我们预测这个星体会表现出早期剧变与逐渐过程的混合。幸好，火星就是这么大，正好介于地球、月亮及水星之间。火星的一半表面都是坑，其余的部分反映出有限的内部及外部热机制活动。与地球的万有引力相比，火星的万有引力比较弱，但相比月亮已经比较强了，足够控制住少量的大气（大约比地球的大气薄200倍）。大风吹拂火星的表面，可以观察到荒丘。流动侵蚀的证据也很明显，令人感到惊奇的是，火星的大气中有少量的水蒸气。［由于发现火星的极帽主要是冰冻的水，而不是以前猜测的二氧化碳，这种奇妙现象也就好理解了。火星的土壤中大量的冰冻水极有可能成了永冻层。卡尔·萨根（Karl Sagan）曾经给我看过一张照片，照片上是一个比较小的坑，有向周围裂开的缝。对于这些特征，只能解释为液状的泥从局部融化的永冻层沿着坑流动。不可能是熔岩造成的，因为形成这些坑的小行星太小，不能产生足够的热来熔化岩石］

有关火星内部热的证据也很多（而且相当引人入胜），一些近来的猜想合理地将火星的内部热与地球板块构造运动的过程联系了起来。火星上有一个由巨大山脉组成的火山区，地球上没有这么大的。火星上的奥林帕斯火山宽500公里，高8公里，山谷直径为30公里。附近的马里纳里斯峡谷比地球上的任何峡谷都大，它宽120公里，深6公里，长5000公里。

下面是猜想：许多地质学家相信地球的板块是由产生于地球内部深处（或许在地表下3200公里的核—幔边缘）的热流和熔化的物质推动的。这些热流露出地表时表现为相对固定的“热点”，而地球板块就附在这些热流上。例如，夏威夷群岛实质上是随着岁月形成的向北的线性链。假如太平洋板块沿着一个固定的热流缓慢运动，那么有可能形成一个接一个的夏威夷群岛。

火星的大小介于中间，应该比月亮的动态大，比地球的动态小。月亮的外壳太厚，根本不能运动，内部的热不能到达表面。地球的外壳太薄，才可能裂成板块，并做连续的运动。假如火星的外壳薄的部分足以使热上升，但厚的部分又不能裂开进行广泛运动。再假如地球和火星都存在热流。巨大的奥林帕斯火山可能代表了一个热流中心，在一个不能运动的中心上升——那么奥林帕斯火山可能就像夏威夷了，小山一个挨着一个。马里纳里斯峡谷可能代表了块构造的一个不成功的尝试——地壳裂开，却不能移动。

最好的科学是统一的。它震动我们的智力想象，使我们学到控制我们屋顶上苍蝇的原则，也决定了我们地球在内行星中的独特性（作为小型动物，苍蝇有很高的表面与体积比。作用于体积的万有引力，并没有强到可以克服使苍蝇保持在天棚顶的表面吸附强度）。帕斯卡 [7] 曾经以行星作比喻说过，知识就像空间中的球体，我们学到的越多（球越大），我们接触到的未知就越多（行星的表面）。太正确了，但是记住表面与体积比的原则！球越大（体积），与未知（表面）的比就越大。随着知识的相对增加，绝对增加的无知可能会更多。

[1] 查尔迪（1916—　），美国诗人和文艺批评家，翻译过但丁的《神曲》，代表诗作有《其他的天空》。——译注

[2] 瓦格纳（1813—1883），德国作曲家，主要作品是歌剧，著名的有《漂泊的荷兰人》《纽伦堡名歌手》和《尼伯龙根的指环》等。——译注

[3] 一位朋友曾经指出，阿尔布里克本人也不大，使用鞭子时用的力比我们的力小得多，因此对他的下属来说，事情可能不那么糟。——原注

[4] 《金刚》是美国1933年的一部幻想影片，其中有庞大的怪物站在帝国大厦顶端用双手与飞机搏斗的场面。——译注

[5] 法朗士（1844—1924），法国小说家、文艺评论家，1921年获诺贝尔文学奖，主要作品有《希尔维特·波纳尔的罪行》《现代史话》等。——译注

[6] 克伦威尔（1599—1658），英国政治家、独立派领袖，内战时率领国会军战胜了王党军队，处死国王查理一世，成立共和国，任英格兰、苏格兰和爱尔兰护国公（1653—658）。——译注

[7] 帕斯卡（1623—1662），法国数学家、物理学家、哲学家，概率论的创立者之一，著有《思想录》等。——译注

第七部分
社会中的科学——一种历史的看法

·　论科学中的英雄与蠢货

·　姿势造就了人类

·　种族主义与重演论

·　罪犯被看作自然的错误或我们中间的猿

25　论科学中的英雄与蠢货

我在十几岁的浪漫年纪时，曾经相信，假如我能发现一个新的事实，能为人类知识的辉煌大厦增加一块砖，那么将会证明我将来作为一名科学家是对的。这种信念当然崇高，这种比喻却愚蠢。然而许多科学家都依然持这种态度从事他们的研究。

按照传统的科学“进步”模式，最初我们是迷信的无知，通过不断积累事实，从而获得最终的真理。根据这种自我陶醉的看法，科学的历史中所含的不过是逸闻趣事——因为其中记录的可能只是过去的错误和对于那些机智地瞥见最终真理的添砖者的奖励。它浅白得像一出过时的情节剧：（按我们今天理解的）真理是唯一的仲裁者，过去的科学家可分作正确的好人和错误的坏人。

在过去的十几年，科学史学家已完全不再相信这种模式了。科学并不是无情地探讨客观信息。科学是一种创造性的人类活动，天才的科学家更像艺术家，而不是信息的拥有者。理论中的变化并不是新发现衍生出的结果，而是受时代社会和政治力量影响的创造性想象。我们不应该通过我们自己信奉的不合时代的眼镜去判断过去——利用与他们自己无关的标准来判定正确与否，从而指定哪个科学家是英雄。假如我们把阿那克西曼德（Anaximander）称作进化论者，那就太蠢了，他出于倡导四元素中水的作用最主要，提出了生命最初生活在海里。然而多数教科书就是这样赞扬他的。

在这篇文章中，我将谈到一些在教科书中声名狼藉的恶棍，并且试图表明他们的理论在他们那个时代是合理的，而且对我们自己也有启迪。我们的恶棍是18世纪拥护过时胚胎学的“预成论者”。按照教科书的说法，预成论者相信一个完整而很小的微型人生居在人类的卵（或精子）中，胚胎发育只不过是这个微型人个头的增长。教科书继续道，这种观点的荒谬性，又被它的套装说推论加大了——假如夏娃的卵细胞中含有一个微型人，这个微型人的卵细胞中便包裹着一个更小的微型人，直至难以想象的地步，形成完全比电子还小的人。预成论者肯定是一些盲目的、反经验主义的人，他们支持先验教条。这种先验教条反对清晰的感官证据，认定动物的不可变易性——因为只要打开鸡蛋就能看到从简单到复杂的胚胎发育。预成论的首席发言人查理·博内（Charles Bonnet）也的确说过：“预成论是推理战胜感觉的最伟大的胜利。”我们教科书中的英雄则是“渐成论者”，他们把时间都用在观察鸡蛋上，而不是去奇思幻想。他们通过观察证明，成体形态的复杂性来自胚胎的逐渐发育。到了19世纪，他们取得了胜利。一个纯观察战胜偏见和教条的大胜利。

事实上，这个故事并没有那么简单。在经验性的观察中，预成论者像渐成论者一样仔细和精确。而且，假如我们一定要选出英雄的话，这个荣誉可能要落在预成论者的头上，与渐成论者不同，他们的科学观与我们的相当一致。

无须把一些外围人物的想象看成整个学派的信念。著名的预成论者，如马尔比基（Malpighi）、博内和冯·哈勒，都完全清楚最初的鸡胚是简单的管状物，随着卵中器官的分化，变得越来越复杂。他们也曾通过一系列精巧的观察，研究并绘制了完全可以与当时的渐成论者媲美的鸡的胚胎发育。

（约瑟夫·斯克罗法尼。经同意引自《自然史》杂志，1974年8～9月期。©美国自然史博物馆，1974年）

在观察上，预成论者和渐成论者没有异议。然而，渐成论者刻板地看待那些观察结果，而预成论者则坚持去探索“表象背后”。他们宣称发育中看得见的现象是欺人的。早期的胚胎是那么微小、凝结、透明，利用当时简陋的显微镜分辨不出预成的结构。博内1762年写道：“在有组织的生物已经可以看见时，不要标上这是生物存在的时间，不要用我们的感觉和仪器的严格局限性去限制自然。”而且，预成论者从未相信在卵中预成的结构形成完备的微型人。在卵中存在的是原基，不过各部分的位置和比例与成体的形态没有多大关系。博内在1762年又写道：“当鸡还是一个胚胎原基时，它的所有部分已经形成，只不过各部分的比例和位置与最终发育时的不一样。假如我们能够看到按照微小状况放大的胚胎原基，我们不会将它看作一只鸡，胚胎的所有部分并不是同时均匀发育的。”

但是预成论者如何解释套装说的反证论法呢——我们的全部历史都封包在夏娃的卵巢中呢？很简单，这个概念在18世纪的思潮中并不荒谬。

首先，科学家们相信这个世界只存在了——而且再持续——几千年。因此，人类是封包在有限世代中的成员，而不是20世纪地质时间表中的历经几百万年的产物。

其次，18世纪没有细胞学说划定有机物大小的下限。在现在看来，设想出一个比细胞还小的成形微型人是荒谬的。但是18世纪的科学家没有提出生物大小下限的依据。事实上，人们普遍相信列文霍克（Leeuwenhoek）的微动物——激发出欧洲人想象力的单细胞微生物，具有全套微型器官。因此，支持光的微粒说（光由不相连的颗粒组成）的博内，狂热地宣扬，几百万个光颗粒还是非常小，可以立刻全部进到微动物假定的眼睛中。“自然物要多小有多小。我们根本不知道物质划分的下限，但是我们看到的物质已经有极大的区别。从大象到螨虫，从鲸到只是螨虫两千七百万分之一的微动物，从太阳的球体到光的球形颗粒，中间等级的量级多得不可想象！”

为什么预成论者感到需要了解表象的背后？为什么他们不接受感觉到的直接证据？考虑一下其他的可能吧。无论最初的卵还是受精的卵都是不成形的。假如卵是不成形的，那么一些外力一定准确无误地将一种有可能产生的式样置于物质之上。但是这种外力可能是什么呢？而且对每一种动物肯定有不同的力吗？对这种力我们能了解、检验、感知、接触或理解吗？这种力怎么能不代表着差不多是对非实在的奇异而神秘的活力论的求助呢？

预成论代表了最好的牛顿式科学。它具备的一种基本态度，我们今天视为“科学的”态度，完全不同于依靠单纯感觉证据的活力论。假如卵真是无结构、无预成部分的同质物质，那么它怎么能在没有神秘指导力的作用下产生出这么奇异的复杂性呢？而卵却做到了这一点，而且之所以能做到这一点只不过因为建立这种复杂性所需的结构（不仅仅是原料物质）已经存在于卵中了。这样看，博内关于推理战胜感觉的论述本身就是合理的。

最后，谁能说我们现在关于胚胎的理解标志着渐成论的胜利？多数重大的争论都是按照亚里士多德的中庸之道解决的，这次也不例外。按照我们今天的理解，渐成论的正确之处在于，在胚胎发育中，器官是从更简单的原基开始渐次分化的，其中有预成的部分。但是预成论者则正确地坚持了复杂性不可能产生于无形的原料物质——也就是说，在卵中一定有什么东西调节卵的发育。我们所能说的（或许这有关系）是预成论者们错误地将这种“东西”等同于预成的，而我们今天则将这种东西理解为DNA结构中的编码指令。但是我们又能对18世纪的科学家期待什么呢？他们不知道自动钢琴，没听说过计算机程序，他们的智力内容中没有编码程序的观点。

再来想一想，宣称一个卵中含有几千个指令，写在分子上，告诉细胞开始和停止产生一定的物质，从而调节了化学过程的速度，还有什么比这更奇妙的呢？对我来说，预成部分的观点并不太牵强。遗传密码指示的差不多只是已经存在的东西。

26　姿势造就了人类

20世纪20年代，在戈壁沙漠的几次探险成了为确立美国自然博物馆声望贡献最多的事件。发现的东西丰富而令人激动，其中包括第一次发现恐龙蛋。这些探险中的真正浪漫奇遇，最适合好莱坞的英雄模式。很难找到比罗伊·查普曼·安德鲁（Roy Chapman Andrew）的（书名是沙文主义的）《对中亚的新征服》（The New Coquest of Central Asia ）更奇异的故事了。尽管如此，这些探险却没有实现预定的目标：在中亚找到人类的祖先。它们失败于最基本的原因——正如达尔文早于那时50年前所说，我们人类是从非洲进化来的。

20世纪20年代，在洞穴的沉积岩中发现了我们的非洲祖先（或至少是我们最近的亲戚）。但是这些南方古猿与以前人们认为的“缺失环节”应该的样子不符，许多科学家拒绝承认它们是我们谱系中的真正成员，多数人类学家想象，在智力增加的推动下，从猿到人有一个相当和谐的转变，缺失的环节在身体和脑方面都应该居中间状态——阿里·乌普（Alley Oop） [1] 或驼背的尼安德特人（Neanderthals）的古老（而错误）代表。但是南方古猿却不是这样。比较身体的大小而言，它们的脑确实比任何猿都大，但大得还不够（见文章22 和23 ）。我们脑大小的主要进化发生在我们到达南方古猿阶段以后。然而这些脑不大的南方古猿却像你我一样直立行走。怎么能这样呢？假如我们的进化是由于脑增大推动的，那么像直立姿势——另一个人化的“标志”（并不是偶然的特征），怎么能最先产生呢？乔治·盖洛德·辛普森（George Gaylord Simpson）在1963年的一篇文章中，利用这个疑难说明：

即使预测有牢固的基础，有时预测发现也有惊人的失败。有一个进化中的例子，就是未能预测发现“缺失环节”——现在知道的（南方古猿）——是直立的，还可以制造工具，但是相貌和脑能力则像一只猿。

我们必须将这种“惊人的失败”主要归因于一个不易察觉的偏见所导致的不正确推测：我们凭借脑的能力（而不是其他）统治其他动物。脑的增大必定推动着动物进化到所有阶段，在整个人类学史上一直认为直立姿势比增大的脑次要。19世纪最伟大的胚胎学家卡尔·恩斯特·冯·拜尔（Karl Ernst von Baer，在我敬重的科学英雄中，他仅次于达尔文）在1828年写道：“直立姿势只是脑高度发展的结果……人类与其他动物之间的所有差异都由于脑的构造不同。”又过了100年，英国人类学家G.E.史密斯（G.E. Smith）写道：“使猿成为人的，不是采取直立姿势或清晰语言的发明，而是脑的逐渐完善和心智结构的慢慢建立，直立姿势和讲话都是一些附带的表现。”

面对这种对脑重要性的齐声强调，有少数科学家坚持认为直立姿势是首要的。弗洛伊德（Sigmund Freud）在论述文明的起源时，根据的是他的极为独特的理论。弗洛伊德认为，直立姿势使我们的主要感觉由嗅觉转为视觉，这种看法是他于19世纪90年代写给朋友威廉·弗雷斯（Wilhelm Fliess）的信中开始提出的，在他1930年的论著《文明及其不满》（Civilization and Its Discontents ）中达到顶峰。嗅觉作用价值的降低，使性刺激物发生转移，对雄性来说，由周期性发情期的气味变成一直看得见的雌性生殖器。雄性持续的欲望导致雌性连续接受力的进化。多数哺乳动物只在排卵期交配，人类则在任何时间都可以进行性活动（性活动是作家热衷的一个主题），持续的性活动巩固了人类的家庭，并且开创了文明。具有严格交配周期的动物不能极大促进家庭结构的稳定。弗洛伊德总结道：“文明的必然过程大概就是这样建立在人类采取了一种直立的姿势之上。”

虽然人类学家都不支持弗洛伊德的观点，然而确实形成过一个次要的传统，强调直立姿势的首要性。（顺便说一下，这也是我们今天在解释南方古猿的形态和人类进化的途径中倾向接受的论点）脑不可能无缘无故地增长。最初的推动力一定是由于生命方式的改变带来的，这种生命方式大概给了智力强有力的选择奖励。直立姿势使手从行走中解脱出来，并用手抓握（抓握的字面意思来自拉丁文的“手”）。所以首次可以制造并便利地使用工具。智力的增加主要是对于双手抓握（还是按字面理解的抓握）所蕴含的巨大潜力的反映。（不用说，没有哪个人类学家会认真地认为脑和姿势在进化中完全独立，即一方达到完全是人的状态，另一方才刚刚开始变化。我们谈论的是相互作用与增强。尽管如此，我们早期的进化中所包括的姿势进化确实比脑的进化迅速。完全使我们的手解放出来使用工具，早于我们脑的最重要环节的进化）

冷静并不一定正确，这里有另一个证据。冯·拜尔神秘而睿智的同事洛伦兹·奥肯（Lorenz Oken）在1809年碰巧说出了“正确”的论点，那是冯·拜尔误入迷途几年之后。奥肯写道：“人类通过直立行走获得了他的性状，变得自由的手可以无所不做……随着身体获得自由，心灵也得到了自由。”不过在19世纪最提倡直立姿势具有重要作用的是达尔文的德国“猎犬”恩斯特·海克尔（Ernst Haeckel）。海克尔在没有任何直接证据的情况下，重建了我们的祖先，并且给了它一个科学名字，无语猿人（Pithecanthropus alalus），意思是直立的、不能讲话的、脑不大的猿人。（顺便说一下，“猿人”大概是唯一的在发现之前给出科学名字的动物，当杜布瓦19世纪90年代发现爪哇人时，他采用了海克尔提出的属名，但给了爪哇人一个新的种名，直立猿人，Pithecanthropus erectus，我们现在一般将这个生物包括在我们自己的属内，称作直立人，Homo erectus）

但是为什么虽然有奥肯和海克尔的反对，而脑是首要的观点还是变得非常牢固呢？有一件事是肯定的，那就是缺乏直接的证据，两种观点都没有直接的证据。除了尼安德特人（按照多数人类学家的看法，尼安德特人属于我们这个种的地理变异），直到19世纪快结束时，才发现化石人类，而这时脑是首要的教条已经确定很久了。不过不依靠证据的争论在科学史上很常见，因为在缺乏事实的局限中，影响思想的所有文化偏见（而这正是科学家试图竭力否认的）便暴露无遗。

实际上，19世纪已经做出了出色的阐述，阐释者的名字无疑会使多数读者吃惊——恩格斯。［稍微想一下便不会那么吃惊。恩格斯对自然科学有浓厚的兴趣，并且是出于为他的唯物辩证法哲学寻找一个“坚实的”基础。他生前没有完成他的“自然辩证法”，但是他在《反杜林论》（Anti-D ühring ）等论著中包括了大段有关科学的论述］1876年恩格斯写了一篇名为《劳动在从猿至人的转变中的作用》（The Part Played by Labor in the Transition from Ape to Man ）的文章。他死后，这篇文章于1896年发表，不幸的是，这篇文章对西方科学没有明显的影响。

恩格斯考虑了人类进化的三个本质特征：讲话、大脑和直立姿势。他认为第一步必定是从树上下来后，我们的陆地栖居祖先才继而进化出直立姿势。“这些猿类，在平地行走时就开始摆脱用手帮助的习惯，并且越来越多地采取直立行走。这是从猿转变到人的具有决定意义的一步。” [2] 直立姿势把手解脱出来使用工具（按恩格斯的用词，是“劳动”），随后才是智力的增加和讲话。

所以，手不仅是劳动的器官，它还是劳动的产物。只是由于劳动，由于对所做的日新月异的事情的适应……以及由于这些遗传下来的灵巧性愈来愈新地运用于新的、愈来愈复杂的操作中，人手才达到这样高度的完善性，在这个基础上人手才能仿佛凭着魔力似的产生了拉斐尔（Raphael）的绘画、托尔瓦德森（Thorwaldsen）的雕刻以及帕格尼尼（Paganini）的音乐。 [3]

恩格斯的结论似乎是他的唯物论哲学前提的演绎结果。但是我相信他的结论来自海克尔。两个系统陈述差不多相同，而且恩格斯在更早的一篇写于1874年的文章中引用过海克尔的有关段落。但是没关系。恩格斯文章的重要性并不在于他的坚实的结论，而在于他对于为什么西方科学先验地主张脑是重要的观点所做的尖锐的政治分析。

恩格斯认为，随着人类学会控制周围的环境，除了原先的狩猎外，又增加了其他技能——农业、纺织、制造陶器、航海、艺术与科学、法律与政治，以及最后“人脑中关于事物的幻想的反映：宗教”。随着财富的积累，少数人掌握了权力，并且强迫其他人为他们工作。劳动这一所有财富的根源和人类进化的主要动力，地位和为统治者工作的人一样低。因为统治者受他们的意愿控制（受脑力控制），他们的成就似乎是脑的作用。哲学的专业并没有遵循纯粹追求真理的理想。哲学家具有社会阶层和宗教的倾向性。柏拉图即使不是有意识地用设想出来的抽象哲学支持统治者的特权，他自己的阶级地位也促使他强调思想比思想左右的劳动更主要，更占统治地位，更崇高，更重要。在达尔文时期，这种唯心主义传统在哲学中占主导地位，它的影响无所不及，即使是科学上而非政治上的唯物主义者达尔文也感到难以摆脱唯心主义。要挑战一个偏见，首先要认识它。脑的首要性显得这么明显和自然，接受这个观念是理所当然的，人们并没有认识到这种观念是与职业思想家的阶级地位及倾向性相关的一个根深蒂固的社会偏见。恩格斯写道：

迅速前进的文明完全被归功于头脑，归功于脑的发展和活动。人们已经习惯于从他们的思维而不是从他们的需要来解释他们的行为……这样，随着时间的推移，便产生了唯心主义的世界观，这种世界观，特别是从古代世界没落的时候起，就统治着人的头脑。它现在还非常有力地统治着人的头脑，甚至达尔文学派最唯物主义的自然科学家们也还不能提出人类是怎样产生的明确观念来，因为他们在这种唯心主义影响下，没有认识到劳动在这中间所起的作用。 [4]

恩斯特·海克尔1874年版的《人类发生学》（Anthropogenie）中就含有这种对进化的种族主义解释（图片由美国自然博物馆提供）

恩格斯文章的重要性并不在于它的结果（正确）——后来发现的南方古猿证明了他（来自海克尔）提出的一个特殊的学说——而在于他尖锐地分析政治在科学中的作用，分析了必然影响所有思想的社会偏见。

实际上，恩格斯谈到的头与手分离已经相当严重地限制了科学的历史发展进程。学院式的科学尤其受到“纯”研究理想的限制。在以前的日子里，这种理想阻碍了科学院从事广泛的实验和经验性检验工作。古希腊的科学受阻于这种局限，贵族思想家不从事平民艺人的体力工作。中世纪的理发匠兼医生不得不处理战场上的伤亡。他们对医学实践的推进远远超过很少接触病人的学院医生。学院医生的治疗知识来自盖伦和厚厚的教科书。甚至今天，“纯”研究者还有轻视实践的倾向，在学术圈子里，“农民学院”或“牛学院”这样的话语还能令人忧虑地经常听到。假如我们听进去恩格斯的话，并且认识到我们将纯研究看得很优越的原因——是由于社会偏见，我们就必须促进科学家将理论与实践结合起来，对一个摇摇欲坠即将崩溃的世界来说，太需要这种结合了。

27　种族主义与重演论

保留更多胚胎（或）婴儿……特征的成体，无疑要比那些发育超越这些特征的人低等。按照这个标准衡量，欧洲人或白种人最高等，而非洲人或黑人最低等。

——D.G.布林顿（D.G. Brinton），1896年

根据我的理论基础，我显然认为种族不平等……在胚胎发育中黑人经历的阶段已经成了白人的最后阶段，假如这种迟缓在黑人中持续下去，那么一个转换阶段可能就是这个种族的最后阶段。其他种族都有可能会达到现在白人所达到的发育的顶点。

——L.博克（L. Bolk），1926年

布林顿告诉我们，黑人是低等的，因为他们保留着幼年的特征。博克则宣称，黑人是低等的，因为他们的发育超越了白种人保留的幼年特征。我真怀疑还有谁可以构建两个矛盾的论据去支持同样的观点。

这些论据来自对进化论中一个很专业的主题——个体的发育（个体的成长）与系统发育（谱系的进化历史）的关系，所做的不同阐释。我在这里的目的不是详细解释这个主题，而且论述伪科学的种族主义。我们喜欢认为科学的进步会清除迷信和偏见。布林顿将他的种族主义与重演论联系了起来，重演论认为个体在胚胎和幼年生长中，重复了它们祖先的成体阶段，就是说每一个个体在发育中都攀上了家族的树。（在重演论的支持者看来，人类胚胎中的鳃裂代表了我们的起源经过的成体鱼阶段。而按照种族主义者的阐释，白人的孩子经过并超越了“低等”种族成体具有的智力阶段）在19世纪后期，种族主义者握有的两三枚科学炸弹中，就有重演论。

然而到了20世纪20年代结束时，重演论完全垮台了。事实上，如我在文章7 中提出的，那时科学家开始以完全相反的方式解释人类的进化。博克领导的这场运动认为，人类的进化是通过保留我们祖先的幼年阶段和失去以前的成体结构——这个过程叫幼态持续。由于这种逆转，我们大概会期待白人种族主义溃败，至少是放弃以前的观点，最好是诚实地承认按照新的幼态持续解释，旧的证据证实了黑人的优越性（因为这时保持幼体特征成了一个进步的特征）。事实上却没有发生这样的事情。旧的证据被静悄悄地遗忘了，博克寻找出新的资料与旧的观点作对，同时再次认为黑人是低等的。由于幼态持续，“高等”种族的成体必然保留更多的幼年特征，所以博克抛弃了重演论者使用的所有令人尴尬的“事实”，而且列举了白人成体具有的少数幼年特征做支持。

在这一个案例中，显然科学对于种族的态度没有影响。相反的是，一种先验的黑人劣等的信念决定了带着偏见选择“证据”。从差不多可以支持任何种族优等主张的丰富材料中，科学家根据当时流行的理论，挑选出可以得出他们喜欢的结论的事实。我相信，在这个可悲的故事中，存在着一个具有普遍性的启示。无论现在还是过去，都不存在有关种族遗传决定的任何明确证据使我们进行种族的划分（根据脑大小、智力、道德认识等平均值来区分种族）。然而证据并没有阻止科学见解的表达。因此我们必然要得出结论，表达出来的是政治的见解而不是科学的见解——科学家倾向于保守性的行为，他们所提供的是社会普遍想听到的“客观性”。

还是回到我们的故事：最著名的宣传达尔文的人恩斯特·海克尔看到了进化论作为社会武器的广阔前景。他写道：

进化与进步站在一边，排列在科学光明旗帜下，另一边排列在等级体系的黑旗下，是精神的奴隶，缺少理性，野蛮，迷信和倒退……进化是在为真理而战中的重炮，二元论的诡辩在它面前纷纷倒下……就像面对重炮的连续轰炸一样。

重演是海克尔最喜欢的论据（他将重演命名为“生物发生律”，并且发明了“个体发育重复系统发育”的这句话）。他用重演攻击贵族所宣称的特殊地位——我们在胚胎期不都是鱼吗？而且嘲笑灵魂永存的观念——那么在我们胚胎期的蠕虫阶段，灵魂在哪里？

海克尔和他的同事也利用重演来证实北欧白种人的种族优越性。他们搜集了人类的解剖学和行为的证据，使用了他们可以找到的所有依据，从大脑到肚脐。赫伯特·斯宾塞（Herbert Spencer）写道：“蒙昧人的智力特征……在文明人的小孩阶段重现。”卡尔·弗格特（Carl Vogt）在1864年说得更强烈：“就黑人的智力构成而言，成年人和孩子的智力差不多……有些部落建立了国家，形成一个特定的组织。但是，他们就像其他部落一样，我们可以认为，整个黑人种族，无论过去还是现在，都没有表现出人性进步的趋向，没有表现出存在下去的价值。”而艾蒂安·塞雷（Etienne Serres）确实提出，黑人男性由于肚脐与阳具之间的距离（相对于身高）很短，所以是原始的；而白人则从孩子时就开始分开，随着生长，其间的距离在加大。肚脐位置升高是进步的标志。

在社会中使用很多的，是一般性的论据。因为与奥思尼尔·查尔斯·马什（Othniel Charles Marsh）的“化石争论”而出名的爱德华·德林克·科普（Edward Drinker Cope），将石器时代人类的洞穴画与白人孩子的画及今天生存的“原始的”成年人的画做了比较：“我们发现我们所知道的最早种族的成就，与未受教育的孩子画在石板上的画，或野蛮人画在山上岩壁上的画差不多。”整个“罪犯人类学”学派（见下一篇文章）都认为白人罪犯是遗传迟滞的人，并将他们也比作孩子和成年的非洲人或印第安人。一位狂热的支持者写道：“他们（白人罪犯）在红色印第安人部落中可以成为增光添彩的人或道德上的典范。”哈夫洛克·艾利斯（Havelock Ellis）曾经说过，白人罪犯、白人孩子和南美印第安人一般都不知道廉耻。

重演论的最大政治影响，是成为证明帝国主义合理性的依据。吉普林（Kipling） [5] ，在他的《论白人和责任》一诗中，将被征服的民族称作“一半是魔鬼，一半是孩子”。假如对遥远土地的征服动摇了基督教的某些信念，那么科学通过指出原始人像白种人的孩子一样，在现代世界不能自我约束，总是可以安抚人们迷乱的良心。在美西战争期间 [6] ，全美国都在争论一个问题：我们占领菲律宾是否正确？当反帝主义者引用亨利·克莱（Henry Clay） [7] “上帝不会创造一个没有自我约束力的种族”的论点时，乔赛亚·斯特朗牧师（Rev. Josiah Strong）反驳道：“克莱的概念形成之后，现代科学才表明种族几百年的发展过程就像一个人几十年的发展过程一样，科学还表明，欠发展种族没有自我约束的能力，他们不是万能的上帝意志的反映，只不过是未发育好的、没有自我约束能力的孩子。”还有一些人则持“大度的”观点，以家长主义者的模式表达了他们的种族主义：“没有原始人，这个世界顶多像一个没有孩子带来快乐的小家庭……我们应该公平地对待顽皮的种族，就像我们对待顽皮的小男孩一样。”

但是重演论有一个致命的缺陷。假如祖先的成体特征变成后裔的幼体特征，那么到了后裔个体发育结束时，发育一定要加快，好为新增加的特征留出位置。随着1900年孟德尔遗传学的重新发现，“加速率”便完蛋了，整个重演理论也随之崩溃——因为假如是基因制造了酶，而酶控制过程的速度，那么进化是通过发育的或者加快或者减慢实现的。重演要求普遍加快，而遗传学则表明同样有可能减缓。当科学家开始寻找减缓的证据时，我们这个物种成了研究的焦点。正如我在文章7 中讨论的，人类在许多方面，通过保留灵长类甚至一般的哺乳动物幼年特征来进化。例如我们的球状颅骨，相对大的脑，我们枕骨大孔的腹向位置（可以有直立姿势），小的颌，以及体毛较少。

经过半个世纪的时间，重演论的支持者已经收集的一些有关种族的“证据”都表明“低等”种族的成体像白人的孩子。当重演论崩溃后，人类幼态持续理论的支持者依然有这些材料。客观地重新解释应该产生出承认“低等”种族优越的观点，就像哈夫洛克·艾利斯（幼态持续观的早期支持者）写的那样：“我们种族的进步是一种青春式的进步。”实际上采纳的是新的标准——越像孩子的种族越优越。旧的证据干脆被扔到一边，而博克急忙寻找相反的材料，即成年白人像黑人孩子。当然，他找到了（如果你非常大胆地去找，你总能找到）：成年黑人有较长的骨架，黑色的皮肤，明显凸出的颌，以及“古老的牙列”，而成年白人和黑人孩子的骨架不长，浅（或至少较浅）色的皮肤，小而不凸的颌（我们不谈牙齿了）。博克说：“由于非常滞育，白人显然更进步。”哈夫洛克·艾利斯在1894年讲了许多同样的话：“许多黑人孩子的智力并不比欧洲人孩子的智力差很多，但是当黑人长大了，便变得愚蠢和迟钝了。而且他们的整个社会生活也陷入迂腐陈旧的状态，而欧洲人则保留了许多孩子般的活力。”

这些论述并不只是过去年代的错误，我注意到，1971年在关于智商的争论中，一位著名的遗传决定论者引用过幼态持续的论据。H.艾森克提出，非洲孩子和美国黑人孩子表现出比白人的感觉运动发育快。他还提出，在生命的第一年，感觉运动发育迅速与以后的低智商相关。这是没有实质意义和因果关联的一个经典例子：假如智商差异完全由环境决定，那么迅速的运动发育并不导致低智商——那只不过是种族差异的另一种尺度（比肤色的尺度还要糟糕）。然而，艾森克还是利用幼态持续支持他的遗传解释：“这些发现是重要的，因为按照生物学中一个非常普通的观点，幼年越是延长，一般讲这个物种就具有越高的认知能力和智力能力。”

但是在幼态持续的论据中存在一个隐伏的难题，对此白人种族主义者一般故意视而不见。很难否认人种中最具幼年状态的并不是白种人，而是蒙古种人（有一些美国大兵绝不能理解，据称越共的部队是由“青少年”组成的——其实许多人已经三四十岁了）。博克对问题视而不见，哈夫洛克·艾利斯则正视了，并且承认失败（而不是承认白人低等）。

如果说种族主义重演论者失去的是理论，那么种族主义幼态持续者失去的则是事实（虽然历史表明事实只是选来适应预先存在的理论的）。因为在幼态持续的材料中还有一个令人尴尬的地方——妇女的地位。在重演论中则不存在这个问题。妇女在解剖结构上比男人更像孩子——劣等的确切标志，科普竭力宣扬这一点。然而，根据幼态持续假说，同样的依据，应该更说明妇女是优等的。而博克再一次对问题视而不见。而且哈夫洛克·艾利斯再一次坦诚地面对问题，并且承认妇女具有阿什利·蒙塔古（Ashley Montagu）在他的论文《妇女的天然优越性》中主张的地位。艾利斯1894年写道：“妇女有比男人高等的人类特殊性状……在体质上确实这样：城市文明中的男人头大，有一张秀气的脸，骨骼不粗大，这些更接近典型的女人，而不像野蛮人。大的脑，大的胯，现代男人遵循女人经过的历程。”艾利斯甚至还提出在《浮士德》结束段落中我们可以找到拯救的办法：

永恒的女性，
使我们飞升。

28　罪犯被看作自然的错误或我们中间的猿

W.S.吉尔伯特（W.S. Gilbert） [8] 把讽刺的锋芒指向他认为的任何矫揉造作。不过我们还是要赞扬他的多数讽刺：华而不实的贵族和故作矫情的诗人现在依然是应该讽刺的对象。但是吉尔伯特本质上是闲逸的维多利亚时代的人，他标上自命不凡的许多现象，在我们看来是开明的——特别是妇女受高等教育。

一所女子学院！真是最愚蠢的去处，
一位姑娘在那里可以学到什么有价值的东西呢？

在《伊达公主》（Princess lda ）中，艾达蒙特城堡的人文学教授为她的“男人是自然中唯一的错误”找到了生物学的依据。她讲述了一个故事，一只猿爱上了一个漂亮女人，为了赢得她的芳心，这只猿试着穿戴整齐，像个绅士，但是所有这些都必然失败了，因为：

按照达尔文主义，一个男性，虽然举止得体，
顶多是个刮掉毛的猴子。

吉尔伯特的《伊达公主》创造于1884年，八年之前，意大利医生西萨尔·隆布罗索（Cesare Lombroso）发起了一场当时最有影响的社会运动，他的观点与吉尔伯特的观点近似，不过说实在的是关于男人中的一个类群——天生的罪犯实质上是生活在我们中间的猿。隆布罗索后来回忆了他顿悟的时刻：

1870年，我在帕维亚的监狱和疯人院对尸体和活人进行了几个月的研究，以便确定精神病人和罪犯的本质区别，进展并不顺利。12月一个阴沉的早晨，忽然间我在一个盗贼的骨架中发现许多返祖的异常现象……我一下子就解决了罪犯的性质及起源的问题：一定是在我们时代重现的原始人和低等动物的性质。

犯罪的生物学理论并不新颖，但是隆布罗索对这个论点赋予了新奇的进化曲解。天生的罪犯并不单是神经错乱或病态的人，严格地说，他们退回到以前的进化阶段。在我们的遗传构成中，保留了我们原始猿类祖先的遗传特性。一些不幸的男人生而具有的祖先性状多得出奇。在过去的野蛮人社会中，他们的行为可能是合适的。今天，我们则将他们的行为当作犯罪。我们可以同情天生的罪犯，因为他们不能自救，但我们不能宽恕他们的行为。（隆布罗索认为40%的罪犯是固有的生物学上的罪犯——天生的罪犯。其他的罪犯可能是由于贪婪、嫉妒、极度愤怒等造成的——偶然的罪犯）

我讲述这个故事是出于三个原因，这三个原因使我讲述的目的并不是对19世纪后期历史中一个被遗忘角落的好古式发掘。

1. 对社会历史的一个概括：这个故事说明进化论在生物学核心之外的领域也有巨大的影响。即使最抽象的科学家也要受社会的影响。重要观点的影响无所不在，而且深远。生活在纷乱世界中的人可能对这点有更清楚的认识，但许多科学家却不知道这点。

2. 一种政治观点：利用生物学天性解释人类的行为通常是以启蒙的名义取得进展的。生物学决定论的支持者认为，科学可以斩断迷信和感情主义的罗网，告诉我们有关人类的真实性质。但是在一般情况下，他们的观点具有不同的重要影响。阶级社会的领袖们利用这些观点主张现存的社会等级必须保持下去，因为它符合自然规律。当然，我们不会因为不喜欢一个观点的引申含义就否认这个观点。按我们理解的真实性肯定是首要的标准。但是决定论的观点总是来自偏见的臆测，而不是确切的事实，隆布罗索的罪犯人类学是我所知道的典型例证。

3. 一种当代的注解：隆布罗索的罪犯人类的牌子已不复存在，但是其中的基本假设依然存在于现在流行的所谓罪犯基因或罪犯染色体的观点中。这些现代的见解与隆布罗索最初见解的价值差不多。当代的这些见解引起我们的关注，是因为它们表明，在我们不断通过谴责牺牲者来努力解除我们这个多数人幸福昌盛的社会中的苦难时，不幸借助了生物学决定论。

1976年是隆布罗索确立材料100年，后来这些材料扩展成《犯罪者论》（L 'uomo delinguente ）。在这本书的开始，隆布罗索讲了一系列有趣的逸事，说明按照我们的标准，低等动物的日常行为就是犯罪。动物凶手镇压反叛者，它们清除性竞争者，它们由于愤怒杀死其他动物（一只蚂蚁，对一只反抗的蚜虫不耐烦了，便弄死并吃掉了它），它们组成犯罪团伙（三只群居海狸，与一只独居海狸生活在同一地区，三只海狸拜访它们的邻居，并且受到很好的接待，当独居海狸回访它们时，它的这种挂念便招来杀身之祸）。隆布罗索甚至将食虫植物对飞虫的捕捉看作“与犯罪相同”（虽然我很难看出这与其他的进食形式有什么区别）。

在接下去的部分，隆布罗索考察了罪犯的解剖特征，并且发现了他们作为回复我们进化阶段状态的原始体质标志（烙印）。因为他已经将动物的正常行为定义为犯罪，所以这些活着的原始人的行为肯定是由他们的本性决定的。天生罪犯的类猿特征有：相对长的胳膊，可以活动的大脚趾和能够抓握的脚，低窄的前额，大耳朵，厚骨骼，大且前凸的颌，男性丰富的胸毛，以及对疼痛的感觉不灵敏。但是他们的返祖并不是停留在灵长类水平。大的犬齿和宽平的上颚像是更远的哺乳类。隆布罗索甚至将天生罪犯面部的高度不对称与比目鱼（两只眼在头的一面）的正常状态进行了比较！

但是天生罪犯不仅体质上有烙印，其社会行为也和猿及活着的野蛮人相关。隆布罗索特别强调了文身这种在原始部落和欧洲罪犯中的共同行为。他统计了有关罪犯文身的大量内容，发现它们是猥亵的、无法无天的、自我辩解的（然而当看到文身上写的“法兰西万岁，新鲜的炸土豆万岁”时，很难接受隆布罗索的看法）。他在罪犯的俚语中发现属于罪犯自己的语言，在诸如拟声法和对非生命的拟人化方法上，罪犯的语言非常接近野蛮人讲话：“他们讲的话与我们的不同，是因为他们的感受不同。他们讲话像野蛮人，因为他们是我们优秀欧洲文明人中真正的野蛮人。”

隆布罗索的理论并不是抽象的科学。他建立并积极领导了一个国际“罪犯人类学”学派，这是19世纪后期最有影响的先锋运动之一。隆布罗索的“实际的”“新”学派热衷从事改变法律力度和刑事处罚的运动，他们认为他们改进的识别天生罪犯的标准是对加强法律力度的一项主要的贡献。隆布罗索甚至提出一种防范性的犯罪学——社会无须等待（或忍受）犯罪行为，因为体质和社会烙印确定了潜在的罪犯。在一个罪犯的固有天性第一次暴露之前，就可以识别（在早期孩童时期）、发现并清除罪犯（隆布罗索作为一位自由主义者，赞成流放而不是处死）。隆布罗索最亲密的同事恩里克·费里认为“文身、人身测量学、相面……反射活动、血管舒缩的反应（他认为罪犯的脸色不会变红），以及视力范围”可以被法官用作断案的标准。

罪犯人类学家还从事刑事处罚的基本改革运动。古老的基督教伦理认为，罪犯应该因为他们的行为而受到惩罚，但是生物学表明，应该根据天性来判断罪犯。惩罚与罪犯相当，而不是与罪行相当。偶然性的罪犯，没有烙印，而且有能力悔过，应该被拘禁一段时间，这对确保他们的改过是必要的。但是天生的罪犯是因为天性而犯罪：“理论上的伦理无法进入病态的大脑，如同油无法渗入大理石一样。”隆布罗索建议施行永久拘禁（条件要好，但应该是隔离状态）任何具有明显烙印的惯犯。他的一些同事却没有这么宽宏。一位有影响的法学家在写给隆布罗索的信中说：

你已经向我们表明，存在着人类面孔的凶狠、狡猾的巨猿。这样的话，他们显然必然作案。假如他们抢劫、偷窃和杀人，这是由于他们的天性和他们的过去，但是当证明他们总是保持巨猿特性的话，依然有充分理由消灭他们。

而隆布罗索本人也不排除“最后的解决”。

存在着天生的罪犯这种机体上邪恶的人、返祖的再生物，他们不仅是野蛮人，甚至还是最凶狠的动物，我们很难同情他们，这个事实使我们就像已经坚持的那样，硬起心肠，不需要对他们有任何怜悯。

应该提到隆布罗索学派的另一个社会影响。假如人类中的野蛮人像天生的罪犯，保留着猿的特性，那么就可以把原始部落——“没有法律的少数种族”——视作本质上的罪犯。这样，在欧洲殖民扩张的高峰时期，罪犯人类学为种族主义和帝国主义提供了有力的论据。隆布罗索在谈到罪犯对疼痛不敏感时写道：

他们身体上的不敏感使我们不禁想到那些可以忍受青春期仪式的野蛮人，白种人绝对忍受不了那种痛苦。所有旅行者都知道，黑人和美洲野蛮人在忍受痛苦方面差不多。黑人为了逃避工作，可以把手砍断，并一笑置之，美洲野蛮人在被缚在刑柱上受着缓慢烧烤时，还能快乐地歌唱，赞颂他们的部落。［恨不得早点打击种族主义者。想到了许多西方的英雄勇敢地忍受极度痛苦而死——圣女贞德（Saint Joan）被烧死，圣塞巴斯蒂安（Saint Sebastian）被乱箭射穿，还有一些殉道者受过肢刑，身体被拉拽、肢解。但是当一位意大利人不能喊出声求饶时，那只表明他并没有感到痛苦］

假如隆布罗索及其同事是热心的前纳粹组织，我们也许会把整个现象当作煽动家有意的伎俩而不予理睬。那样留下的教训无非是警惕任何误用科学的空想家。但是罪犯人类学的领袖们是“开明的”社会民主派，他们将他们的理论看作建立在人类实际社会上的一个理性科学的先锋。隆布罗索认为罪犯行为的遗传决定性就是自然规律和进化规律：

我们受寂静的规律控制，这些规律从未停止运作，它们比我们书中描述的规律更具权威性地统治着社会。犯罪显然是一种自然现象……就像生与死一样。

回顾起来，隆布罗索的科学“实在”来源于他在对事实进行所谓客观研究之前就有的社会偏见。他的观点预先判决了许多清白无辜的人，这种预先判决通常不过是毫无坚实依据的预言。他通过列举我们解剖中固有的潜在表现而理解人类行为的尝试，只不过是通过完全责怪罪犯的遗传特性来反对社会变革。

当然今天没有人再认真对待隆布罗索的观点。他的统计错得无法置信，只有对一种必然结论的盲目相信才可能导致他的欺骗和欺诈。此外，今天已没人再把长臂和突出的颌看作劣等的标志了，现代的决定论者在基因和染色体中寻找更本质的标记。

在《犯罪论者》的发表与它的百年纪念之间，发生了许多事。没有人再认真提倡根据天生罪犯的特征来做必然性的罪犯侦破或认定造成不幸伤害的凶手，也没有人宣称具有犯罪自然倾向必然导致犯罪行为。然而隆布罗索的精神还保留在我们许多人中间。当理查德·斯佩克（Richard Speck）在芝加哥谋杀了八名护士时，他的辩护人提出他这样做是不得已，因为他有一条额外Y染色体。（正常女性有两条X染色体，正常男性有一条X染色体和一条Y染色体，极少数男性有一条额外Y染色体，XYY）这一披露引发了大量的猜想，我们的普及性杂志中充满了“犯罪染色体”的文章。简单的决定论者的论点无非这些：男性比女性更具攻击性。这可能是遗传决定的。假如是遗传的，攻击性一定在Y染色体上，有两条Y染色体就有了两倍的攻击性，于是可能有暴力和犯罪的倾向。但是从监狱中匆忙收集的XYY男性信息似乎太不清晰了，而且甚至斯佩克本人根本就是XY的男性。生物学决定论者再一次惹了一身泥，掀起一点争论的波澜，提供了一点无聊的谈资，然后又因为缺乏依据而偃息了。为什么我们对固有倾向的假说这么感兴趣？为什么我们把我们应该承受的暴力和性别歧视的责任转嫁到我们的基因上？人性的标志不仅在于我们的心智能力上，还在于我们心智的易变性上。我们已经创造了我们的世界，我们也可以改变这个世界。

[1] 美国的卡通人物，是原始的尼安德特人的造型。——译注

[2] 恩格斯：《自然辩证法》，于光远等译编，人民出版社，1984年，295页。由于引文不同，译文略有出入。——译注

[3] 同上，297页。

[4] 恩格斯：《自然辩证法》，于光远等译编，人民出版社，1984年，302—303页。

[5] 吉普林（1865—1936），英国小说家、诗人，作品表现英帝国的扩张精神，有“帝国主义诗人”之称，1907年获诺贝尔文学奖，著名作品有小说《吉姆爷》、诗歌《军营歌谣》。——译注

[6] 美西战争，指1898年美国与西班牙之间的战争。——译注

[7] 克莱（1777—1852），美国政治家，曾任国务卿（1825—1829）。——译注

[8] 吉尔伯特（1836—1911），英国刚作家、诗人，诗歌以讽刺时弊见长。——译注

第八部分
人性的科学与政治学

A. 种族、性与暴力

·　为什么我们不应该为人类的种族命名——一种生物学的看法

·　人性的非科学

·　种族主义者的论据与智商

29　为什么我们不应该为人类的种族命名——一种生物学的看法

分类学是研究分门别类的科学。我们将严格的分类学规则应用到其他生命形态上，但是当我们面对我们应该知道得最清楚的物种时，我们却遇到特殊的问题。

我们通常将我们自己的种分成族。 [1] 按照分类学的规则，正式的种的再分，叫作亚种。因此，人类的种族，是智人种的亚种。

在过去的十几年，由于定量技术的引入，产生出研究物种内地理变异的方法，将种分成亚种的做法在许多方面被逐渐放弃了。对于人类种族的认定不能也不应该离开与我们这个种相关的社会及伦理问题。不过，这些新的分类学程序为旧的争论提供了具有一般性的纯粹生物学论据。

我认为继续从事智人种中族的分类代表了探讨种内差异一般性问题的一种过时的方法。换句话说，我反对人类种族分类的理由就是我不赞成将西印度群岛蜗牛中惊人的变异分成亚种的理由，那是我自己专业的研究课题。

以前就多次有人提出反对族的分类的论点，著名的是由《族的概念》（The Concept of Race ）一书的11位作者提出的，这本书由阿什利·蒙塔古1964年编辑（1969年科利尔—麦克米伦公司出版了简装本）。然而他们并不要求人们普遍赞成他们的观点，因为十年前的分类学实践仍然支持习惯的亚种认定。例如，1962年西奥多修斯·杜布赞斯基惊奇道：“有些学者讨论否认人种中有任何族……就像动物学家观察到动物的大量多样性一样，人类学家也面对人类的多样性……族是科学研究和分析的课题，很简单，因为族是自然界的事实。”而格兰特·博格（Grant Bogue）最近在与阿什里·蒙塔古的争论中写道：“一些格格不入的学者已经说不了，因为这根本就是错误的……即有些学者则走得太远，甚至提出我们头脑中完全有真正的族的概念……对这场争论有各种回答，有一个答案经常听到：族是不言自明的。”

这些论点有明显的谬误。不言自明的是地理变异，而不是族。没人否认智人种是有明显差异的种，观察到的肤色差异就是变异性最明显的现象。但是存在变异性的事实并不要求认定族。研究人类差异有更好的途径。

在分类的阶层系统中，种的阶元有特殊的地位。按照“生物学物种概念”的信条，每个种代表了自然界中的一个“真实的”单位。种的定义反映出这一地位：“（种是）具有共同基因库的实际上或潜在的相互配育的群体。”在种以上水平，我们则看到比较人为性的分类。一个人划分的属可能是另一个人划分的科。不过，在建构阶层体系中，有些规则必须遵守。例如，你不能将同一类元（例如属）的两个成员放入更高阶元（例如科或目）的不同类元中。

在种以下水平，只有亚种。在《系统学与物种起源》（Systematics and the Qrigin of Species ，哥伦比亚大学出版社，1942）一书中，恩斯特·迈尔（Ernst Mayr）定义了这个阶元：“亚种或地理族是种在地理上区域性的细分，亚种与种的其他细分存在遗传上和分类上的差异。”我们需要满足两个标准：（1）必须通过形态、生理或行为特征识别亚种，即一亚种必须与其他亚种具有“分类学上的”（而且，通过类推，必须有遗传上的）区别；（2）一个亚种必须占据种全部地理分布上的一个小区域。当我们决定通过确定亚种来描述种内的差异时，我们是在利用地理界限和可识别的特征将连续的变异分成间断的单位。

一个由计算机制作绘制的地图，表示北美雄麻雀的大小。数字越高，体形越大，根据的是对这种鸟骨架16种不同的标准综合的结果

在两个基本方面，亚种与其他所有分类阶元不同：（1）亚种的界限不固定，而且不能界定，因为根据定义，一个亚种可以与所属种内的其他亚种相互配育（不能与密切相关的形态相互配育的类群必定是一个完全的种）。（2）这个阶元无须使用。所有生物肯定属于某一物种，每一个种肯定属于一个属，每一个属肯定属于一个科，以此类推。但是把种划分为亚种则没有必要。亚种是一种使用方便的阶元。只有当我们断定我们对变异理解会通过确定分离的、地理上相连的种内单位而增加时，我们才使用亚种这个阶元。许多生物学家现在认为，我们在自然界中观察到的动态变异格局上加上正式的命名，不仅不便利，而且是完全误导的。

我们应该如何处理以物种甚多（包括我们这个种）为特征的丰富地理变异呢？有一个过去研究的例子，1942年发表的一部关于夏威夷树蜗牛（Achatinella apex fulva）地理变异论著。作者将这一变异惊人的种分成78个正式的亚种和6个额外的“微地理族”（亚种以下区别微小的单位）。每一细分都有一个名称和正式的描述。结果产生出一部浩繁冗长、枯燥难读的厚书。由于书中充斥了名称和静态的描述，掩盖了进化生物学中最有兴趣的一种现象。

然而这个种内存在着使任何生物学家都着迷的变异格局。蜗牛的壳形与地面高度和降雨相关，变异细微的壳形与气候条件协调，迁徙的路径反映在壳的颜色花纹上。我们应该像一个编写目录的人那样探讨这样的变异吗？我们应该将这种动态连续的格局人为地分成分离的单位，并赋予正式的名称吗？难道客观绘制这些变异，而不是加上分类学家在命名亚种中必须使用的正式细分的主观标准，不是更好吗？

我想对于我的最后一个问题多数生物学家会做出肯定的问答。我还认为30年前多数生物学家就会做出肯定的回答，那么为什么生物学家仍然用建立亚种的方式处理地理变异呢？他们之所以这样做，是因为还没有客观绘制种内连续变异图的技术。的确，他们只能绘制单一性状的分布图，如体重的分布图。但是单一性状的变异只是同时影响许多特征的变异格局中极小的一部分。而且，“不适宜”这个经典问题又出现了。绘制任何单一特征的图形，一定呈现出不同的分布：在寒冷气候中的体形可能比较大，在炎热气候中的比较小，而体色在开放的空地要浅，在森林中要深。

一种令人满意的客观绘图程序要求同时处理许多性状的变异。这种方式叫作“多变量分析”。许多年前，统计学家发展了多变量分析的基本理论，但是在发明大型电子计算机之前，很难周全地使用多变量分析程序。多变量分析中的计算极其艰苦，超过了手工计算者的能力和人的耐心，但是计算机则可以在几秒钟内完成。

在过去的十几年，通过多变量分析，地理变异的研究已经发生了转变。几乎所有多变量分析的支持者都不命名亚种。假如所有标本都必须首先进行分离的细分，就不可能绘制连续的分布图。根据区域样品自身的形态来描述特征，以及探讨这种图景中的有趣规则性，不是更好吗？

例如英国麻雀是19世纪50年代引进北美的。自那时起，它的地理分布与形态差异达到相当的程度。以前是通过命名亚种来处理这种变异的。R.F.约翰斯顿（R.F. Johnston）和R.K.塞兰德（R.K. Selander，见《科学》，1964，第550页）不再使用这种程序，他们提出：“我们不相信对于一个开放的动态系统进行静态命名是合适的。”他们则绘制了变异的多变量图，我复制了他们的一份图，图中汇总了表示身体大小的16种形态性状。变异是连续、规则的。大型麻雀一般生活在北方内陆地区，而小型麻雀生活在南方和沿海地区。大的体形与寒冷气候的密切关系一目了然。但是如果用一套正式的拉丁文名称人为地划分这种连续性来表述变异，我们还能看到这么清晰的变异吗？而且，变异格局反映动物分布中主要原理的作用。贝格曼式规律表明，热血动物在寒冷气候中体形大一些。对于这种规则性的标准解释利用的是身体大小与相对体表的关系（在第六部分的文章中讨论过）。大型动物比小型动物的体表面积相对要小。因为动物通过体表散热，体表面积相对减少有助于身体保持热量。当然地理变异的格局并非总是这么有规则。在许多物种中，一定区域的群体与直接相邻的类型也有一定的差异。然而，客观绘制这种格局要比静态地划分和命名要好。

多变量分析刚刚开始对人类变异的研究产生类似的影响。十几年前，J.B.伯索尔（J.B. Birdsell）写了几本划分人类种族的书，他遵循的是当时人们接受的方法。最近，他利用多变量分析方法研究了澳大利亚土著人血型的基因频率。他不再将人类细分为间断的单位，并且写道：“努力分析进化力量的性质和强度可能更好一些，而对人类分类的乐趣则消失了，或许永远消失了。”

30　人性的非科学

当一群小姑娘同时被一个女巫扣留的时候，17世纪赛伦的法官的解释只是她们着了魔。 [2] 当查理·曼森（Charlie Manson） [3] 的追随者认为他们的领袖具有神秘的力量时，他们并没有认真做过判断。两件事件相隔300年，在此期间，我们对于决定集体行为的社会、经济和心理因素知之甚少。现在对这类事件再做粗略的就事论事解释，就显得可笑了。

在解释人性和人群中差异方面，过去流行的是粗略刻板的风气。人类的行为被归因为固有的生物规律，我行我素。因为我们是这样的生物。一本18世纪初级课本的第一课简明地说出人类的位置：自亚当以降，我们都有罪。摆脱这种生物学决定论的运动已经成了20世纪科学与文化的一个主要趋向。我们开始将我们自己看成习得的动物，我们开始相信阶级和文化的影响远胜过我们遗传构成的禀性。

尽管如此，在过去的十几年，复活的生物学决定论，从“通俗行为学”到赤裸裸的种族主义，在我们中间泛滥。

以康拉德·洛伦兹（Konrad Lorenz）为教父，罗伯特·阿德里（Robert Ardrey）为剧作家，德斯蒙德·莫里斯（Desmond Morris）做解说员，我们看到人类成为“裸猿”，来源于非洲的食肉类，具有天然的攻击性和先天的侵占性。

莱昂内尔·泰格尔（Lionel Tiger）和罗宾·福克斯（Robin Fox）试图为西方过时的男人有开拓性、女人温良而节制的理想找到生物学的基础。在讨论男人与女人的跨文化差异时，他们提出，根据我们充当集体中猎手和孩子哺育者的主要角色，遗传了一种荷尔蒙物质。

卡尔顿·库恩（Carleton Coon）提出了一些先期事件以配合他所宣称的（《种族的起源》，1962）五大人类种族分别从直立人（爪哇人和北京猿人）进化到现代人，而黑人的转变最慢。最近，智商测试被（错误地）用来推断各个种族之间［阿瑟·詹森（Arthur Jensen）和威廉·肖克利（William Shockley）］和阶级之间［理查德·赫恩斯坦（Richard Herrnstein）］智力的遗传差异。我必须指出，得出的结果总是有利于作者所属的特定群体（见下一篇文章）。

人们根据各自的基础有力地批评了这些观点，然而却很少有人把它们作为一个共同的哲学——生物学决定论来论述过。当然，人们可以接受某一特定的观点，而否定另一种观点。相信人类有暴力的天性并不表明就是一个种族主义者。然而所有这些观点有一个共同的支柱，即设想我们多数基本特征都有直接的遗传基础。假如我们的遗传程序决定了我们是什么，那么这些特征便是不可避免的。我们只能顺其自然，但是无论通过意愿、教育还是文化，我们都不能改变这些特征。

假如我们根据表面意思接受“科学方法”的陈词滥调，那么对于各种生物学决定论的同时复活，一定会归为是新的信息否认了20世纪早期的科学发现。我们获悉，科学通过积累新的信息而进步，并利用新的信息改善或取代旧理论。但是新的生物学决定论并没有依照新的信息，而且从中连一个清晰的事实都找不到。支持生物学决定论的复兴肯定有其他原因，实质上最可能的是社会或政治原因。

科学总是受到社会的影响，但是科学的运作严格地受事实的限制。教会最终对伽利略做出让步，首先是地球的确围绕太阳运行。然而，在诸如智力和攻击性这些复杂特性的遗传构成研究中，我们却脱离了事实的限制，因为我们实际上什么也不知道。在这些问题上“科学”顺应（和显露出）社会和政治对它的影响。

那么是什么非科学的原因助长了生物学决定论的复活呢？我相信原因很多，从单纯地追求畅销书的高版税到恶毒地企图将种族主义重新作为好名声的科学。其共同特征一定在于我们现在普遍存在的抑郁。将我们对战争和暴力的责任转嫁到我们假定的食肉类祖先身上，该多么叫人释然。将贫穷和饥饿归咎于那些人自身的条件，该多么令人心安——以免我们不得不归咎于我们的经济体制或我们的政府拙劣无能，无法确保所有人都有上佳的生活。而且对那些控制政府的人，以及为科学的维持所需提供金钱的人来说，这是一个多么适宜的论点啊。

按照决定论的论据，可以清楚地划分出两群人，一些人基于设想我们这个物种的一般性质，另一些人则利用智人种中所谓“族群”差异。我在这里讨论第一种观点，在我的下一篇文章中再论述第二种观点。

大致概括起来，通俗行为学的主流主张，在更新世的非洲生居着两个人科祖先的谱系。一个谱系是小型的陆生食肉类，进化成现在的人；另一个谱系是大型的、大概温驯的食草类，已经灭绝了。一些人利用该隐（Cain）和亚伯（Abel） [4] 的类比作为结论，并且指责我们弑亲的祖先。“捕食性转变”为狩猎确立了固有的暴力模式，并产生了我们侵占性的欲望“从狩猎生活的开始到人科的出现，产生出竭尽全力的侵占性”［阿德里（Ardrey），《侵占的必要性》（The Territorial lmperatiue ）］。我们可能会穿上衣服，会都市化、文明化，但是我们带有我们“凶手猿”祖先遗传的行为模式。在《非洲的创生》（Aferican Genesis ）中，阿德里的支持者雷蒙德·达特（Raymond Dart）认为：“捕食的转变和武器的使用，解释了人类血腥的历史，解释了人的永久攻击性、非理性、自我毁灭以及无情地诚心寻死。”

泰格尔和福克斯扩展了集体狩猎的观点，宣称西方文化传统上所尊重的男女差异具有生物学的基础。男人狩猎，女人守在家里带孩子。男人具有攻击性和好斗性，但是他们之间依然可以建立密切的联系，反映出在古代杀死大型动物需要合作，这种合作现在体现在橄榄球运动和扶轮社 [5] 中。女人是温顺的，她们为了自己的孩子倾注了全部身心，因为她们的祖先只需要照顾家庭和男人，姊妹亲情是一种错觉。“我们为了狩猎而强壮……我们依然是旧石器后期的猎人，是擦拭一新用于有效竞赛的机器［泰格尔和福克斯，《至尊的动物》（The lmperial Animal ）］。”

通俗行为学的故事建立在两类所谓的证据上，二者都引起很大争议。

1. 与其他动物的类比（资料丰富但不完善）。许多动物（包括某些但不是全部灵长类）无疑表现出固有的攻击性和侵占性行为模式。既然我们表现出类似的行为，难道我们不能推出类似的原因吗？这种假设的荒谬反映了进化理论中的一个基本问题。进化论者将两个物种之间的相似性划分为共同后裔具有的同源特征和分别进化的“同功”特征。

假如在同源特征的基础上比较人类与其他动物，那么得出的我们行为遗传特性的看法便是浅薄的。但是我们怎么知道相似是同源的还是同功的？即使我们涉及的只是具体的结构，如肌肉和骨骼，也很难作出区分。事实上，多数研究系统发育的经典论据中就有对同源性和同功性的混淆，因为同功的结构可能非常相似（我们将这种现象称作进化趋同）。要想说清楚何时相似的特征只是行为外在的表现太难了！狒狒可能具有侵占性：雄狒狒可以组成统治等级。但是我们寻找生存空间，我们军队的等级，到底是同一种遗传构成的表现，还是仅仅可能是纯文化起源的一种同功模式？而且当洛伦兹将我们与鹅和鱼作比较时，一种纯粹的猜想使我们更加迷茫，狒狒毕竟和我们的关系很近。

2. 来自人科祖先化石的证据（虽然零碎却是直接的材料）。阿德里的侵占性观点是基于设想我们非洲的祖先南方古猿阿法种是食肉动物。他的“证据”来自在南部非洲洞穴收集的骨骼和工具，以及牙齿的大小和形状。对那里存在的成堆骨骼并没有认真考察过，它们可能是鬣狗所为，而非人科动物所为。

据认为牙齿体现得明显一些，但是我相信，牙齿的证据即使不是绝对错的，也是站不住脚的。这个论据根据磨牙（前臼齿和臼齿）的相对大小。食草类的磨牙表面较大，利于磨研含沙子的和量大的食物。南方古猿硕壮种这种假定温驯的食草类，比起它的食肉类亲戚、我们的祖先南方古猿阿法种，有更大的磨牙。

但是南方古猿硕壮种是比南方古猿阿法种大的生物。随着身体大小的增加，假如牙齿保持同样的相对大小，动物必须利用以长度平方增加的牙齿表面的咀嚼来供养以长度立方增加的身体（见第六部分的文章）。这样做不到，大型哺乳动物必须有比小型同类差别大的牙齿。我通过测量一些哺乳动物类群（啮齿类、似猪的食草类、鹿和一些灵长类）的牙齿表面积和身体大小来检验这个说法。我发现大型动物都有比较大的牙齿，不是由于它们吃的食物不同，只是由于它们的体形大。

而且，南方古猿阿法种的“小”牙齿根本就不小，它们的牙齿绝对大于我们的牙齿（虽然我们比它们重三倍），而且南方古猿阿法种的牙齿和比它们几乎大十倍的大猩猩的牙齿差不多！我认为牙齿大小的证据说明南方古猿阿法种主要是食草类。

关于生物学决定论的问题，并不是在学院的走廊中争论的一个抽象的问题。生物学决定论的观念具有重要的影响，并且已经充斥了我们的大众传媒。阿德里晦涩的理论已经成了斯坦利·库勃里克（Stanley Kubrick）的电影《2001年太空漫游》（2001）中的主题。我们的似猿祖先用骨头做的工具先是捣碎貘的骨架，然后转了转变成我们下一个进化阶段的空间钻——随着理查德·施特劳斯（Richard Strauss）的《查拉图斯特拉》（Zarathustra ）主题变成约翰·施特劳斯（Johann Strauss）的《蓝色多瑙河》（Blue Danube ），库勃里克的下一个电影《发条橘子》（Clockwork Orange ）继续这个主题，而且受人类天性暴力观点的启发，探讨其中的困境。（我们应该接受极权统治从而众人一律，还是应该在民主中维持着肮脏和邪恶？）不过从男性特权准备反击日益发展的妇女运动中，便可以感受到生物学决定论的直接影响。正如凯特·米利特在《性的政治学》中所说：“父系社会通过男性成功地冒充的自然习性而顽固、有力地维持着。”

31　种族主义者的论据与智商

19世纪中期，美国最伟大的生物学家路易斯·阿加西提出，上帝创造的黑人和白人是不同的物种。奴隶制的捍卫者从这个主张中得到了莫大的安慰，因为《圣经》所规定的博爱和平等只限于种内。废奴论者还能说什么？科学对于这个问题已经做出了冷静的阐释，基督教的渴望和感伤并不能否认这一点。

在将平等主义等同情感希望和感情盲目的尝试中，相似的证据，加上明显的科学的认可，一直被引用着。不了解这种历史情况的人，倾向根据表面现象接受种族主义的复活，他们以为所有观点都来自实际存在的“材料”，而不是真正激发它的社会条件。

19世纪种族主义者的论据主要依靠颅骨测量学，即对人类骨骼的测量。今天这些论据已经名声扫地。智力测验之于20世纪，如同颅骨测量学之于19世纪，1924年优生学运动在移民限制法案 [6] 中的胜利，标志着智力测验的第一次不幸的影响，这次对非欧洲人和东南欧人的极其严格限制，第一次在美国广泛统一地使用了智力测验——第一次世界大战中在军队中进行的心理测验。心理学家罗伯特·M.耶基斯（Robert M. Yerkes）主持并管理了这些测验，他得出结论：“单纯的教育不可能使黑人种族与高加索人具有相同的竞争能力。”我们已经知道，耶基斯及其同人在设想测验中表现出差异的原因时，并不知道如何区分遗传因素和环境因素。

这出复兴闹剧的最近插曲开始于1969年，那年阿瑟·詹森在《哈佛教育评论》中发表了一篇题为《我们能对智商和教育的成就赞美多少》的文章。这种观点再一次又得寸进尺，声称已经出现令人不舒服的新信息，以及科学必须讲出“真理”，即使这个真理否认了自由主义哲学坚持的观点。但是我再一次又要指出，詹森没有新的材料。他提出的观点前后矛盾，不合逻辑，漏洞百出。

詹森认为智商测验准确地测量了我们称作“智力”的东西。他然后试图厘清影响智商差异的遗传因素和环境因素。他的做法主要依照我们做过的一项自然实验：同卵双胞胎的分开养育，这种遗传相同的人之间的差异只能是环境造成的。比起在类似环境中成长的无关系个体，同卵双胞胎中的智商差异要小。詹森利用同胞胎材料，对环境进行了估量。他得出结论，在美国和欧洲白人中间，智商的遗传率为0.8（或80%）。美国白人与黑人之间智商的平均差异为15个智商点（一种偏差标准）。他认为这种差异太大，不可能是由于环境影响造成的，而是由于智商的高遗传率。为了不使有人认为詹森是按照抽象的学术传统写作的，我仅仅引述他那篇文章中的第一句：“强迫教育已经尝试过，但显然失败了。”

我相信对詹森的论据可以按照“分级系统”的方式予以反驳，即我们可以在一个层面上使它站不住脚，然后，即使我们承认詹森的论据在最初的两个层面上可行，却证明在更高层面上无效。

层面1. 智商等于智力。谁知道智商测的是什么？智商是在学校中“成功”的良好预测，但是这种成功是智力的结果，讨好的结果，还是汲取社会领袖们喜欢的价值的结果呢？一些心理学家利用将智力界定为操作性的“智力”测验中获得的分数，回避了智商是否等于智力的问题。真是一个巧妙的诡计。但是在这一点上，智力的技术性定义使我们对智力这个母语感到茫然不知，以致我们不能再去界定什么是智力。但是为了争辩的缘故，让我们接受（虽然我不相信）智商可以衡量母语含义中的某些有意义的智力方面。

层面2. 智商是可遗传的。这里我们再次碰上母语与技术含义的混淆。对外行来说，“可遗传的”意思是“固定的”“不可更改的”或“不变的”。对遗传学家来说，“可遗传的”指的是对具有共同基因的相关个体之间相似性的评估。可遗传的并不指脱离环境影响的不变成非突变性质。眼镜可以矫正视觉的遗传变异，胰岛素可以治疗糖尿病。

詹森坚持认为80%的智商可以遗传。普林斯顿的心理学家利昂·J.卡明（Leon J. Kamin）做了大量一丝不苟的工作，检查构成詹森估量基础的双胞胎研究的细节。他发现其中有大量的矛盾之处，以及不准确性。例如西里尔·伯特爵士（Sir Cyril Burt）在50多年的智力研究中，收集的有关同卵双胞胎分养的材料最多。虽然他根据各种“改进”的形式增加样品的大小，他的一些相关系数依然是在第三位小数点上，这在统计学上是不可能的。 [7] 智商部分依赖性别和年龄，而相关的研究却没有适当地标准化。这样有可能得出双胞胎之间不合适的较高相关值，这不是因为双胞胎具有共同的基因，只是因为他们具有共同的性别和年龄。这个材料欠缺太多，不可能得出对智商遗传性的合理估计。但是，为了争辩的缘故，让我们假设（虽然没有材料支持这个假设）智商的遗传性高达0.8。

层面3. 类群内和类群间变异的混淆。詹森在他的两个主要观点中建立了一种因果联系——一个是美国白人类群内的智商可遗传性，另一个是美国黑人与白人平均智商差为15点。他认为黑人的“缺陷”主要是由于遗传，因为智商具有很高的遗传性。这可能是最糟的一种不合理推论，因为同类群中的可遗传性与不同类群之间的平均差异并没有必然的关联。

用一个简单的例子足以证明詹森论点中的缺陷。人的身高比某些人声称的智商的可遗传性更高。比如在营养不良的印第安农民类群中，平均身高为1.575米，可遗传性为0.9（一个真实的数值）。高遗传性指的就是矮个人农民一般有矮个人的后代，而高个人农民有高个人的后代。这不是说适当的营养不可能将平均身高增加到1.829米，高于美国白人的平均身高。意思只是，条件改善的话，比平均身高矮的农民（这里指他们可能已经有1.78米了），他们的孩子的身高却矮于小孩的平均身高。

我并没有宣称智力（无论如何定义）没有遗传基础，我只是认为智力遗传基础的真实性并没有太大价值和意义，而且并不是十分重要的。任何特征的表达都代表着遗传与环境之间复杂的相互作用。我们的工作就是为所有个人潜在价值的实现提供最好的环境条件。我只是要指出，证明美国黑人智力遗传上平均不足的观点，根本就没有依据新的事实和引用新的材料做支持。这种观点就像黑人比白人具有遗传优势一样。哪一种说法都该受谴责。不能利用类群的平均值来判断一个人。

如果说现在流行的生物学决定论在研究人类的智力中并没有依据新的事实（事实上，根本没有新的事实），那么为什么还这么流行？肯定有社会的和政治的原因。20世纪60年代是自由主义的大好岁月，大量的钱用于改造贫穷的计划，但效果却不显著。接着出现了新的领导和新的优先考虑。早期的计划为什么没有见效？有两种可能：（1）我们投的钱不够，我们没有做出有效的创造性努力，或者（这会使任何在位的领导者不安）不进行全社会根本的社会和经济转变，我们就不能解决贫穷问题；（2）计划的失败在于计划接受者的遗传决定了他们的特性——活该的牺牲者。那么，对减少开支时代的当权者来说，会选择哪种可能性呢？

我想我已经说明生物学决定论并不单是聪明人在鸡尾酒会上闲谈的人类动物性的有趣话题。生物学决定论是一个具有重要哲学含义的普遍性观点，并且有着重要的政治影响。约翰·斯图尔特·穆勒的一段话应该成为反对生物学决定论的座右铭：“在所有逃避考虑社会和道德对人类心灵影响的平庸方式中，最平庸的方式就是将行为和性状的多样性归咎于遗传天性的差异。”

B. 社会生物学

·　生物的潜力与生物学决定论

·　一种多么聪明的动物

32　生物的潜力与生物学决定论

1758年，林奈（Linnaeus）在《自然体系》（Systema Naturae ）的定本中面临了一个困难的抉择，如何分类他所属的那个物种。是简单地将智人种列在其他动物中间还是为我们设立一个独立的位置？林奈妥协了。他将我们放到他的分类系统中（与猴子和蝙蝠很近），但是通过描述又使我们与动物的关系很远。他用大小、形状、指和趾的数目这些具体的明显性状确定我们的亲戚。关于智人种，他只写下苏格拉底的告诫——“了解你自己”（nosce te ipsum）。

对林奈来说，智人种既是特殊的又是不特殊的。不幸的是，后来的诠释者把这种明智的解决方法推向某个极端，并完全曲解了。特殊和不特殊意味着非生物规律的和生物规律的，或意味着后天的和先天的。这种后来的极端化并不明智。人类是动物，我们做什么是由于我们的生物潜力。一些自封的生态激进分子宣称，大型城市是我们即将毁灭的“非自然的”先兆。这最令热情的（虽然最近不是了）纽约人愤怒了。但是（这里我使用的是最强调性的但是），认为人类是动物并不是说我们特殊的行为模式和社会等级阶层完全由我们的基因直接决定。潜力和确切表现是不同的概念。

E.O.威尔逊（E.O. Wilson）的《社会生物学》（Sociobiology ，哈佛大学出版社，1975）引起的激烈争论，使我关注了这个问题，威尔逊的书受到广泛的赞扬和宣传。然而，我发现我自己却属于极少数的坚定反对者之一。我对《社会生物学》中的大部分观点也给予很高的评价，这和普遍的看法相同。在清晰解释进化的原则以及始终透彻探讨许多动物的社会行为方面，《社会生物学》大概是多少年来的首要文献。但是我对威尔逊书中最后一章“从社会生物学到社会学”确实不满。威尔逊在用了26章的详细材料说明非人类动物后，得出带有广泛猜想的所谓人类行为的一般模式具有遗传基础的结论。不幸的是，因为最后一章论述的主题与我们所有人的内心都很密切，所以在公开出版物的有关评论中，占去了80%。

我们有谁要是批评了该书的最后一章，便被指责完全否认生物规律与人类行为的关联，被指责复活一个古老的迷信，即将我们人类放在“造物”之外。我们是纯粹的“后天主义者”吗？我们承认人类完善性的政治观点，就是看不到生物天性的明显限制吗？对这两个问题的答复显然是否定的。这不是一般生物规律与人类独特性的问题，而是生物的潜力与生物学决定论的问题。

威尔逊在《纽约时代杂志》（New York Times Magazine ，1975年10月12日）上针对批评意见答复道：

毫无疑问，人类社会行为的模式，包括利他行为，是受遗传的控制，就是说人类的社会行为是有限的可能模式中的子集，与白蚁、黑猩猩及其他种类的动物行为模式有很大的差异。

假如这就是威尔逊的遗传控制含义，那么我们没有什么异议。我们确实不做其他动物做的所有事情，我们行为的潜力确实受我们生物特性的限制，假如我们可以进行光合作用，我们便会发展出不同的社会生活（没有农业，没有采集，没有狩猎——这些都是我们进化的主要决定因素），或者具有文章10 中讨论过的瘿蚊的生活周期。（当生居在一个不拥挤的蘑菇中时，这些昆虫在幼虫或蛹的阶段就生殖，年幼的瘿蚊在母体中生长，从体内蚕食了母亲，年幼的瘿蚊从掏空的仅剩外壳的母体中出来，再去吃食，成为新的一代，而且去做出崇高的牺牲）

但是威尔逊却提出了更过分的观点。第27章（最后一章）并没有论述人类潜在的行为范围，没有提出从所有动物的更大的全部行为范围中限定人类行为范围的论据。这一章主要是关于人类行为中具有可变特性的特异基因的广泛猜想，这些行为包括怨恨、攻击性、恐惧、服从、同性恋，以及西方社会中男人与女人之间的典型行为差异。当然，威尔逊并没有否定非遗传的习得在人类行为中的作用，他甚至还一度指出“基因放弃了多数的统治权”。但是他又很快加上，基因“至少在决定文化之间不同行为的定性方面，具有相当的影响”。而且他在下一段中呼唤“人类学的遗传学学科”。

在威尔逊的人类行为论述中，生物学决定论是首要的主题。第27章与其他章节的内容没有联系。按照我的理解，威尔逊的目的是指出，达尔文的理论能够重新系统地阐释人类科学，就像从前曾经使许多生物学学科发生了转变一样。但是如果没有基因来供选择，达尔文式的过程就不会发生。除非人类行为中有意义的“特性”受特定的基因控制，否则社会学的独立领域便不能自保了。我们说的“有意义”指的是社会学家和人类学家经常争论的课题，如攻击性、社会分层，以及男女之间的行为差异。假如基因只决定我们的体形大得足以生活在一个受万有引力作用的世界中，需要通过睡眠来使我们的身体得到休息，不能进行光合作用，那么基因决定论便不会引起人们的关注。

遗传控制人类特定社会行为的观点有什么直接证据？目前的答案是什么都没有。（从理论上说，通过标准、可控的配育实验得到这样的证据不是不可能。但是我们不能在培养果蝇的瓶子中培养人，建立纯系或控制恒定的营养条件）因此，社会生物学家必须拿出有说服力的间接证据。对此，威尔逊采取了三个主要策略：普遍性、连续性和适应性。

1. 普遍性：假如在最近的灵长类亲戚和我们人类自身中都能发现一定的行为，那么就有可能得到共同的遗传控制的详细材料。第27章尽是假定人类普遍性的陈述。例如，“人类太容易被灌输某些意识了，他们追寻那些意识”，或“人类重信仰轻知识”。我只能说，我个人的经验与威尔逊所说的并不相符。

当威尔逊不得不承认多样性时，他经常将那些不舒服的“例外”当作暂时不重要的异常现象。由于威尔逊相信重复的、通常是种族灭绝式的战争，已经决定了我们的遗传命运，那么存在非攻击性的人便令他难堪。不过他却写道：“可以认为一些隔离的文化曾经几代离开战争过程，结果又回复到人种学家划分的和平状态。”

即使我们可以汇总一系列人类与我们灵长类近亲共同具有的行为特征，但这无论如何也不能成为提出存在共同遗传控制的充分理由。类似的结果不一定由于类似的原因，事实上进化论者已经深刻认识到这一点，所以提出用不同的术语来表达类似性。由于共同遗传祖先的类似特征是“同源的”，功能相同但进化历史不同的类似性是“同功的”（如鸟的翅和昆虫的翅——这两个类群的祖先都没有翅）。下面我将提出，人类生物规律的基本特征支持人类与其他灵长类的行为类似是“同功的”观点，在人类当中，这些类似并没有直接的遗传特异化。

2. 连续性：威尔逊宣称（我认为他很肯定），W.D.汉密尔顿1964年用“亲选择”理论对利他主义的达尔文主义解释，形成了动物社会进化理论的基础。利他行为是稳定社会的凝固剂，这种看法似乎违背了达尔文主义的解释。根据达尔文主义的原则，所有个体都最大限度地加大自己对以后世代的遗传贡献。那么生物又怎么能愿意通过表现出利他行为或有利其他个体，来牺牲自己或历经危险呢？

解决的办法在概念上非常简单，当然技术细节很复杂。利他行为通过有利于亲属，保留了利他主义者基因，当然利他主义者本身并不长久拥有这种基因。例如，在多数有性生殖的生物中，一个个体（平均）与其直系亲属有1/2的基因相同，与它的嫡表亲属有1/8的基因相同。因此，假如面对自救还是牺牲自己去救助两个以上的直系亲属或八个嫡表亲属时，按照达尔文主义的计算，有利于利他的牺牲，因为这样做，利他主义者实际上在以后的世代中增加了自己的遗传份额。

自然选择会有利于保存这种为自身利益的利他行为者基因。那么对于非亲属的利他行为又是什么样的呢？这里社会生物学家为了坚持遗传学的解释，必须利用一个相关的概念“相互利他主义”。利他行为承受某些危险，又没有直接的好处，但是它唤起目前的受惠者在将来做出回报的行为，那么从长远看，利他行为便有了补偿，是一句古老谚语的遗传表现：一报还一报（即使我们不是亲属）。

那样的话，连续性的观点便可以继续下去。对其他动物社会群中的利他行为可以合理地解释为达尔文式亲选择的例子。人类表现了利他行为，而且可能有类似的直接遗传基础。但还是那句话，结果相似并不等于原因相同（见下文根据生物的潜力而不是生物学决定论的另一种解释）。

3. 适应是达尔文式过程的标志。自然选择连续起作用并且缓慢地使生物适应环境。不利的社会结构就像糟糕的形态结构一样，不会生存长久。

人类的社会活动显然是适应的。马文·哈里斯已经令人高兴地证明，其他文化中那些令沾沾自喜的西方人感到奇怪的社会活动同样符合逻辑而且有感情（《牛、猪、战争与巫师》，Cows , Pigs , Wars , and Witches ，蓝登书屋，1974）。人类的社会是一个利他主义之谜，同时显然也是适应的。这不是一个不言自明的直接遗传控制的论据吗？我的回答很明确：“不是。”而且我可以利用我最近与一位著名人类学家合作得出的论据，来更好地说明我的观点。

我的同事坚持认为，生活在浮冰上的爱斯基摩人的经典故事，是存在亲选择保持特定利他基因的合适证据。在一些因纽特人当中，社会单位排列得像一个家庭类群。假如食源减少，家庭不得不为了生存而迁走时，年迈的祖亲们自愿地留在后面（等死），而不是冒险随整个家庭为了生存而经历漫长、艰辛而危险的迁徙。没有利他行为者基因的家庭类群便要屈从于自然选择，因为病老者会阻碍迁徙，导致整个家庭的死亡。具有利他基因的祖亲们通过牺牲会增加他们的适应度，因为他们帮助有共同基因的近亲的生存。

我的同事的这种解释是合理的，但却不是绝对的，因为还有一种更简单的非遗传解释：根本不存在利他基因，实际上爱斯基摩人家庭中根本没有重要的遗传差异。祖亲们的牺牲是一种适应的、非遗传的文化特性。没有牺牲传统的家庭不能生存许多代。在其他的家庭中，以歌曲和故事的形式纪念牺牲，年迈的祖亲们留下来不走便成了家庭中最伟大的英雄。孩子们在很小的时候就普遍记住这种牺牲是光荣和荣誉的事情。

我不能证实我的观点，就像我的同事不能证实他的观点一样。但是在现在缺乏证据的情况下，两种观点至少同样合理。同样，人类社会中无疑存在相互利他行为，但这根本不能成为利他行为具有遗传基础的证据。正如本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin） [8] 所说：“我们必须相互帮助，否则就只有自己靠自己了。”职能性社会可能要求相互利他行为。但是无须通过基因将利他行为编码到我们的意识中，通过学习同样可以具备利他行为。

我再回到林奈的妥协上，即我们既是普通的，又是特殊的。促使我们怀疑我们的行为受特定基因直接编码的主要原因，恰是我们生物学独特性的中心特征，当然是我们大的脑。大小本身是任何物体功能和结构的主要决定因素。大型物体和小型物体不可能以同样的方式作功（见第六部分）。对物体伴随大小的增长而变化的研究叫作“异速生长研究”。最著名的异速生长是大型动物表面积与体积比降低的补偿性结构变化——相对厚实的腿和回旋状内脏表面积（例如肺以及小消化器官的绒毛）。但是在人类进化中，脑的明显增长产生的异速生长影响可能最重要——增加了足够的神经联系，将一个不易变的严格循规蹈矩的装置变成一个易变的器官，具备了有效的逻辑和记忆，灵活的学习取代了直接的演示，成为社会行为的基础。易变性可能是人类意识中最重要的决定因素（见文章7 ），直接编程的行为大概成了不适应的。

当我们知道脑具备的可变性使我们可能成为攻击性的或平和的，统治的或服从的，怨恨的或宽容的，为什么还要设想存在攻击性、统治或怨恨的特定基因呢？暴力、性别歧视和一般的恶劣是符合生物规律的，因为这些是可能行为范围中的子集。但是和平、平等和善良只是好像符合生物规律的，而且只要我们营造可以使这些品性兴旺的社会，我们就可以看到它们影响的增加。我对威尔逊的批评是他不去援引非生物学的“环境论”。环境论仅仅利用生物潜力的概念——脑的能力决定了所有行为，不存在预先决定，环境论反对生物学决定论的特定基因决定特异行为特征的思想。

但是为什么这么一个学术问题变得如此敏感和轰动呢？每一方都没有坚实的依据，而且比如这个问题——我们顺从是因为顺从者基因已经被选择了，还是因为我们的遗传构成允许顺从作为许多策略中的一个呢？这到底有什么区别？

之所以围绕生物学决定论生出广泛激烈的争论，是由于生物学决定论中的社会及政治含义的作用。正如我在前面的文章中说过的那样，生物学决定论总是利用生物学的必然性来捍卫现存的社会等级，从“穷者永远贫穷”，到19世纪的帝国主义，再到现在的性别歧视。为什么这样一系列缺乏事实支持的观念几百年来都受到当时媒介的关注？因为科学家们虽然出于不同的原因（有些还是善意的）提出决定论的学说，但如何利用决定论却不是科学家所能控制的。

我并没有追究威尔逊或其他人的动机。我不是因为不喜欢决定论的政治用法才否认决定论。按照我们的理解，科学上的真实肯定是我们的首要标准。我们的生活中有一些令人不快的生物学真理，其中死亡最无法否认，也不可逃避。如果遗传决定论是真理，我们会学会与它很好相处。但是我再重复一遍我的观点：没有证据支持决定论，而且过去几百年的粗陋决定论已经被明确否定了。再有，决定论的继续流行是那些从现状中获益人的社会偏见在作祟。

但是我们别让《社会生物学》背上过去决定论的原罪。《社会生物学》的极为流行首先引起的直接结果是什么？我们顶多看到一种社会研究的开始，只不过它的前提因为拒绝考虑直接的非遗传因素而变得荒谬。1976年1月30日的《科学》（美国最有名的科学家专业杂志）上有一篇论乞讨的文章，这篇文章如果一字不改地登到《全国讽刺》（National Lampoon ）杂志上，我会把它当作一篇讽刺文。作者派遣“乞丐”向不同的目标乞讨小钱。对于得出的结果则只是根据亲选择、相互利他主义、黑猩猩和狒狒的食物分配习性角度来讨论——根本没有论及美国城市的现状。他们得出的一个主要结论是：“男乞丐向单个女性或一对女性乞讨很成功，向一男一女乞讨则不太成功，向一个男性或两个在一起的男性乞讨极不成功。”但他们并没有谈到城市的恐惧或性的政治学，只有一些关于黑猩猩和利他行为遗传学的论述（虽然他们承认相互利他行为的观点大概不太适用，然而他们却提出人们将会从乞丐那里得到好处）。

在第一篇对《社会生物学》持否定态度的评论中，经济学家保罗·萨缪尔森（Paul Samuelson） [9] （《新闻周刊》Newsweek ，1975年7月7日）力劝社会生物学家小心处理种族和性别的问题。我发现他的建议并没有引起注意。威尔逊在《纽约时代》杂志1975年10月12日的一篇文章中写道：

在猎人—采集人社会中，男人狩猎，女人待在家里。这个明显倾向在多数农业和工业社会中依然保持着，仅在这个基础上，显然就有遗传的根源……我自己的猜想是，即使在未来社会最自由最平等的情况下，强烈的遗传倾向也足以引起劳动的实际分工……甚至受同样的教育，进入各种职业的机会相等，男人很有可能继续在政治生活、商业和科学中起到突出的作用。

我们与其他动物既相似又有区别。在不同的文化氛围中，强调这个基本真理的这一面和那一面都能起到一定的社会作用。在达尔文时代，我们与动物相似的观点，中止了几百年来有害的迷信。现在我们可能需要强调我们作为易变动物的差异性，强调我们具有丰富的行为潜力。我们的生物天性并不阻碍社会的变革。正如西蒙娜·德·波伏瓦（Simone de Beauvoir） [10] 所说，我们“存在的本质就在于没有本质”。

33　一种多么聪明的动物

在《文明及其不满》中，西格蒙德·弗洛伊德考察了人类社会中令人困惑的难题。我们本质上是自私并具有攻击性的，然而任何成功的文明都要求我们为了共同的利益与和谐而超越我们的生物学天性，表现出利他的行为。弗洛伊德进一步提出，随着文明变得更加复杂和“现代”，我们必须放弃越来越多固有的自我。这样做使我们个人并不完善，带着内疚、痛苦和艰辛，文明的价值就是建立在个人的痛苦之上的。

对文明建立过程中人类本能的克制范围不容忽视……有力的本能多么准确地预见了不满。这种“文化上的失望”统治了人类社会关系的广大领域。

在有关“人性”这一普遍主题的猜想中，弗洛伊德的论点是一种特别有影响的异说。当我们批评我们自己时，我们从我们的动物过去中寻找原因。存在着我们猿类祖先的桎梏——残忍、攻击性、自私，总之，一般是恶劣的。对于我们奖励和追求（取得非常有限的成功）的特性，我们认为是一种独特装饰，是我们的理性创造，并且施加在我们不情愿的身体上。我们对更美好未来的希望源于理性和善良——心智超越了我们的生物局限，“建立你更加庄严的大厦，噢，我的灵魂”。

支持这种常见信念的只不过是古代的偏见。科学当然无法证实这种信念，因为我们对人类行为的生物学知之甚少。这种信念来源于涉及人类灵魂的神学和探讨灵与肉分离的“二元论”哲学。我在前面的一些文章中已经攻击了这种信念所持的态度，即我们想把生命的历史看成进步的历史，并将我们看作生物堆积物的顶端（对其他生物具有统治的特权）。我们寻找我们独特性的标准，（自然地）安顿我们的心灵，而且将人类意识的高尚结果确定为脱离生物规律的固有东西。但是，为什么？为什么我们的恶劣就是我们类猿的过去留下来的包袱，而我们的善良却是人类特有的品性？为什么我们不应同样探讨我们“高尚”特性与其他动物之间的连续性？

一个不绝于耳的科学论点似乎支持了这个古老的偏见。人类善良本身的成分是利他主义的——为了其他人的利益牺牲我们个人的安逸，在极端的情况下，甚至牺牲我们个人的生命。然而，假如我们接受达尔文主义的进化机制，利他主义怎么能成为生物学的一部分？自然选择表明，生物按自己的利益活动，它们并不知道诸如“种的利益”这类抽象的概念。它们不断地“斗争”，牺牲同伴，以增加它们的基因份额。而这就是生物，尽管做得不加掩饰。我们发现在自然中并没有更高的原则。达尔文认为个体优势是在自然中成功的唯一标准。生命的和谐并不深奥，自然的平衡是由于竞争对手之间的相互作用，每一方都只想自己赢，并不是由于合作分享有限的资源。

难道只可能是自私进化成为生物的行为特性？假如利他主义是社会稳定的凝固剂，那么人类社会肯定基本上置于自然界之外。有一个办法可以解决这个难题。按照达尔文主义，明显的利他行为有可能是“自私的”吗？个体的牺牲有可能使自己的基因存在下去吗？对这看起来矛盾的问题，答案是“是的”。这个矛盾的解决是由于英国理论生物学家W.D.汉密尔顿20世纪60年代早期提出的“亲选择”理论。E.O.威尔逊在《社会生物学》中，将亲选择当作生物学社会理论的基石。（我在前一篇文章中批评了威尔逊关于人类行为猜想中的决定论方面，我也赞扬了他的一般利他主义理论，现在继续这个主题）

在有关杰出人物的传说中，也包括他没有进一步发展的预见。英国生物学家J.B.S.霍尔丹（J.B.S. Haldane）大概预先提出了进化生物学家将在这个世纪设想出的每一个好的观点。一天晚上，霍尔丹在一个酒吧淡论利他主义，据记载，他在一张信封的背面很快计算了一下，然后宣称：“我将为我的两个兄弟或八个表亲献出生命。”霍尔丹的这一神秘评论是什么意思？人类的染色体是成对的，我们从母亲的卵中接受一套染色体，从父亲的精子中接受另一套。因此，我们拥有父母每个基因的复制品（在男性的性染色体上的基因却不同，因为母体的X染色体很长，即比父体的Y染色体有更多的基因。多数位于X染色体上的基因在短的Y染色体上没有相应的复制品）。以任一人类基因为例，兄弟之间具有同一基因的概率是多少？假设这个基因位于X染色体上（这个论据对于位于父体染色体上的基因同样说得过去）。每一个卵中含有配对染色体中的一条染色体，即含母体一半的基因。发育成你兄弟的卵细胞或者与你接受的染色体相同，或者是配对染色体中的另外一条染色体。你与你兄弟具有相同基因的机会是50:50。你的兄弟有一半的基因与你的基因相同，按照达尔文理论的计算，他的一半与你一样。

那么，假如你与三个兄弟在路上行走，一个带有明显谋杀企图的穷凶极恶家伙走了过来，你的兄弟没有发现这一点。你只有两个选择，走近他并发生提醒式的嘘嘘声，以使你的兄弟们警觉，他们躲起来或跑掉了，而你则必死无疑；或者躲起来看着这个穷凶极恶的家伙收拾你那三个兄弟。作为一名合格的达尔文式游戏的参加者，你应该怎么做？正确的答案是你应该发出声响，这样你只是失去了自己，而你的兄弟代表了1.5个你。这样更好，他们将传播150%你的基因。你那看起来利他的行为，在遗传上是“自私的”，因为这种行为最大限度地将你的基因传到下一代。

按照亲选择理论，只有当利他行为通过有利亲属而增加自己的遗传潜力情况下，动物才进化出冒险及牺牲自己的行为。利他行为与亲属社会必须共同发展，亲选择的益处甚至能促进社会相互作用的进化。我举的四兄弟与一个穷凶极恶家伙的例子简单了一点，如果是1/12血缘的表亲，关系远了4倍，情况将变得更加复杂。汉密尔顿的理论不只是对明显的事情做出过多的说明。

汉密尔顿的理论在解释膜翅目（蚂蚁、蜜蜂和黄蜂）社会行为进化中一些长期存在的生物学难题方面，取得了惊人的成功。为什么在膜翅目中真正的社群化至少分别进化了11次，而在其他昆虫（白蚁）中只进化了1次。为什么不育的职虫 [11] 在膜翅目中总是雌性，但是在白蚁中却既有雄性又有雌性？看起来从膜翅目不常见的遗传系统的亲选择作用中可以找到答案。

多数有性生殖的动物是2倍体。它们的细胞中含有两套染色体，一套来自母体，另一套来自父体。白蚁像多数动物一样，是2倍体，而社群生活的膜翅目是单倍-2倍体。雌性由受精卵发育而来，是正常的2倍体个体，带有母体和父体的各一套染色体。但是雄性由未受精的卵发育而来，只有母体的一套染色体，用技术用语说，雄性是单倍体（染色体为正常染色体数的一半）。

在2倍体生物中，同胞与亲本的关系是对称的：亲本与它们的孩子有一半的基因相同，而每一个同胞（平均）与其他同胞有一半的基因相同。但是在单倍-2倍体物种子，遗传关系并不对称，致使亲选择以一种不同寻常的有效方式起作用。看一下蚁后与她儿子和女儿的关系，以及这些女儿与她们的姐妹及兄弟的关系： [12]

1. 蚁后与女儿有1/2的关联。她的每一个后代都带有她1/2的染色体，也就是有她1/2的基因。

2. 姐妹与她们的兄弟之间并不是像2倍体生物那样有1/2关联，而只有1/4的关联。看一下任何一个姐妹的基因。1/2的机会是父亲的基因，如果是这样，她不会与兄弟的基因相同（他们没有父亲的基因）。如果是母亲的基因，她的兄弟也具有这种基因的机会是1/2。她与兄弟的关联是0（父亲的基因）和1/2（母亲的基因）的平均，或1/4。

3. 姐妹之间的关联为3/4。再看一下任何一个基因。假如是父体的基因，那么姐妹必然都有这种基因（因为父亲只有一套染色体传给所有的女儿）。假如是母体的基因，像前面一样，姐妹之间具有50:50的机会都具有这个基因。姐妹之间的关联为1（父亲的基因）和1/2（母亲的基因）的平均，或3/4。

利用这些不对称，似乎可以简明而出色地解释动物的多数利他行为——不育的雌性职虫放弃自己的生殖，帮助她们的母亲培育更多的姐妹。只要职虫侧重于照料姐妹，她将通过帮助母亲培育可育的姐妹（3/4的关联），使她自己的基因更可能地存在下去，胜过培育自己的可育的儿女（1/2的关联）。但是雄性并没有不育和劳动的禀性。他宁愿培养儿女，他们具有他的所有基因，这胜过帮助姐妹，她们与他有1/2的基因相同。（我并不认为具有这样的初级脑的生物具备了有意识的意愿。我使用“他宁愿”只是为了便于简化说明“在进化过程中，没有这种行为方式的雄性，会处于选择的劣势，而且逐渐地被淘汰”）

我的同事R.L.特里弗斯（R.L. Trivers）和H.黑尔（H. Hare）最近在《科学》（1976年1月23日）上报道了下列的重要发现：他们提出蚁后与工蚁对不育的后代有不同性比例的偏向。蚁后喜欢1:1的雌雄性比例，因为她与儿女的关联是平均的（1/2）。但是培育后代的是工蚁，工蚁可以通过有选择地养育卵而将自己的偏爱施加给蚁后。工蚁宁愿培育不育的姐妹（关系为3/4），而不是兄弟（关系为1/4）。但是它们必须培育一些兄弟，以免它们的姐妹找不到配偶。所以它们做出了妥协，与姐妹的关系达到非常密切的程度。因为它们与姐妹的关联超过与兄弟关联的三倍，它们在培养姐妹时，将多投入三倍的能量。工蚁通过喂食来投入能量，喂食的程度反映在可育后代的成体重量上。于是特里弗斯和黑尔测量了21种蚂蚁整个巢中所有可育后代的雌雄体重比。平均体重比（或投入比）非常接近3:1。这已经很说明问题了，但是这个论据中的决定因素来自对奴役蚁的研究。奴役蚁指的是受工蚁管制的其他种的蚂蚁成员。奴役蚁与所服从的蚁后的女儿们没有遗传关系，对蚁后的儿女们一视同仁。在这种情况下，雌雄的体重比为1:1。当奴役蚁物种没有被俘获，而是为自己的蚁后工作时，雌雄的体重比又是3:1。

根据作用于单倍-2倍体特异遗传构成上的亲选择，似乎解释了蚂蚁、蜜蜂和黄蜂社会行为中的关键特征。但是这与我们何干？这种亲选择有助于我们理解形成我们个性的既助长自私又促进利他行为的矛盾结合吗？我愿意承认（这只是我的直觉，因为没有事实来约束我们），亲选择大概可以解决本文第一段中提到的弗洛伊德难题。我们的自私和攻击性的冲动可能是按照达尔文式的个体优势途径进化来的，但是我们的利他倾向也无需代表着根据文明的要求施加的独特装饰。按照达尔文式的途径（径由亲选择），同样可以产生出我们的利他倾向。人类的善良像人类的邪恶一样，可能都是“动物性的”品性。

但是这里我要打住——只有决定论者的猜想才把特异的行为归因于存在利他主义者基因或机会主义者基因。我们的遗传决定了我们有多种多样的行为——从斯克鲁奇（Ebenezer Scrooge）到非斯克鲁奇。 [13] 我不相信守财奴由于具有机会主义者基因而聚财，也不相信慈善家的赠予是由于自然赋予他们更多的利他主义者基因。早期教育、文化、阶级、地位和所有我们称作“自由意愿”的无形之物，决定了我们如何限制基因许可的多种多样的行为，从极端的利他到极端的自私。

有一个根据利他主义和亲选择所做出的决定论猜想的例子，那就是E.O.威尔逊提出的对同性恋的遗传解释（《纽约时代杂志》，1975年10月12日）。由于专一同性恋并没有孩子，那么在达尔文式的世界中怎么能选择出一种同性恋基因？假设一下我们的祖先组成小的亲属关系很近的竞争群体。有一些群体中只有异性恋的成员，还有一些群体中则有同性恋成员，他们只充当狩猎中或孩子养育中的“帮助者”，即他们不生育孩子，但帮助亲属抚养与他们有很近遗传关系的亲戚。如果具有同性恋帮助者的群体在竞争中胜过专一异性恋的群体，那么亲选择会保存下同性恋的基因。这种看法并不违背逻辑，但缺乏事实依据。我们已经确定不存在同性恋基因，并且对于假说中我们祖先社会构成的有关知识一无所知。

威尔逊的意图令人钦佩，他试图提出，一种不常见并备受诽谤的性行为在某些人那里是自然的，而且是有益的（至少在古代的社会组织形式中是的），从而证明这种性行为本质上同样体面。但是他的策略很危险，因为假如遗传设想错了，就会招致适得其反的结果。如果你要捍卫一种行为，采取的方式却是提出人们的这种行为是既定的，那么如果你的猜想错了，届时这种行为就不是自然的了，就该受到歧视了，这样你又怎么能继续捍卫这种行为呢。更好的方式则是坚定地站在人类自由的哲学立场上，主张自由的成年人在他们的私人生活中与别人做什么是他们自己的事，不用遗传学的猜想来辩护，也不一定受到歧视。

虽然我长期以来就对亲选择的决定论观点深感担忧，但是我赞赏这个见解，因为它提供了我偏爱的生物潜力的主题。亲选择进一步拓宽了生物潜力的范围，甚至将善的能力也包括了进来，善曾经被视为人类文化固有的独特性。西格蒙德·弗洛伊德认为，具有讽刺意味的是，我们最伟大的科学见解的历史，是不断反映出我们这个物种退离宇宙中心位置的历史。在哥白尼和牛顿之前，我们认为我们生居在宇宙的中心。在达尔文之前，我们认为是仁慈的上帝创造了我们。在弗洛伊德之前，我们把自己想象成理性的生物（弗洛伊德的观点确实是知识史上最坦白的观点之一）。假如亲选择理论导致又退离一步的话，我们可能会生活得更好一些，因为亲选择理论使我们不再认为我们统治其他动物，并且使我们认识到，我们与其他动物是相互联系和统一的。

[1] 在涉及人类时，汉语的习惯译法是“种族”；在涉及分类学时，则常译作“族”。——译注

[2] 这是17世纪末发生在美国马萨诸塞州赛伦市的一个事件。——译注

[3] 曼森是20世纪60年代美国一个邪教组织的头目，1969年参与谋杀了波兰著名电影导演R.波兰斯基（《苔丝》的导演）的妻子等人。——译注

[4] 该隐是亚当与夏娃的长子，亚伯是该隐的弟弟，该隐谋杀了亚伯，见《圣经·创世记》。——译注

[5] 扶轮社，1905年创建于美国芝加哥，是一种由工商界人士和自由职业者组成的服务社团。——译注

[6] 移民限制法案，1924年美国国会通过的法案，主要限制亚洲人和东欧人向美国的移民。——译注

[7] 我的这篇文章写于1974年，自那以后，反对西里尔爵士的情况又有进展，从推断出他的粗心到公然（而且证据充分）指责他作伪。例如，伦敦《泰晤士报》的记者发现，西里尔爵士的合作者（为了从事这项声名不佳的双胞胎研究）显然是他构想的产物，根本就没有这个人，在卡明发现的启发下，人们必然怀疑这份材科以及由此产生的观点的真实性。——原注

[8] 富兰克林（1706—1790），美国政治家和科学家，参加起草《独立宣言》，发明了避雷针。——译注

[9] 萨缪尔森（1915—），美国经济学家，1970年获诺贝尔经济学奖。——译注

[10] 波伏瓦（1908—1986），法国女作家、存在主义哲学家，让·保罗-萨特的终身伴侣，代表作有小说《应邀而来》《达官贵人》，论著《第二性》《论人性》等。——译注

[11] 职虫，社群生物中劳作的昆虫，在蚁类中叫工蚁，在蜂类中叫工蜂。——译注

[12] 为了便于说明，译文与原文一样，下面均采用了第一第二人称代词。——译注

[13] 英国作家狄更斯小说《圣诞颂歌》中的人物，是一个令人憎恨的老吝啬鬼。——译注

后记

达尔文主义走向何方？再过100年达尔文主义的前景如何？我没有特异功能，只有一些关于过去的知识。但是我相信对未来走向的评估与对过去的理解密切相关，尤其与达尔文自己世界观的三个中心成分相关：他强调生物个体是最主要的进化参与者，他确定自然选择是适应的机制，以及他相信进化变化是逐渐的。

达尔文认为自然选择的作用是进化变化的唯一动因吗？他相信所有的进化产物都是适应的吗？在19世纪后期，生物学圈子中曾争论谁是真正的“达尔文主义者”。奥古斯特·魏斯曼（August Weismann）作为坚定的选择论者，他不承认任何机制的作用，宣称是达尔文真正的传人。G.J.罗马尼斯（G.J. Romanes）对拉马克（Lamarck）及其他进化论者的观点像对自然选择一样的重视，他为自己戴上真正达尔主义者的头衔。他们俩都不是。达尔文的观点是多元论的和广容性的——这是面对复杂世界的唯一合理的态度。他当然承认自然选择的绝对重要性（魏斯曼），但是他并不否认其他因素的影响（罗马尼斯）。

魏斯曼—罗马尼斯的争论又闹过一阵，这两个近些年最广泛争论的运动像它们古老的倡导者一样，已经过去。我猜想达尔文的中间立场会再次流行下去，因为面对复杂的自然界，每一方极端的系统陈述都要做出让步。一方是人类“社会生物学家们”，他们提出一系列详尽的猜想，所根据的前提是自然的产物肯定是适应的。我已经听到过利用适应的（甚至遗传的）论点说明家族中男性对财产的继承以及上层社会男女的高口淫率。

怀着对于普遍适应的信心，社会生物学家正在倡导基本的原子论——甚至还原到达尔文系统陈述中的生物个体这一显然不可再分的水平之下。塞缪尔·巴特勒（Samuel Butler）曾经在一篇著名的评论中谈到，鸡仅仅是蛋制造另一个蛋的途径。一些社会生物学家如实地坚持按照这个隽语看问题，而且提出，生物个体只不过是基因用来制造同样基因的装置。生物个体成了“真正”进化单位的暂时容器。在达尔文的世界中，生物个体为了使自己的种类延续下去而斗争。但是这里，基因本身成了生存斗争中的将军。在这场激烈的战斗中，只有最适应的才能获胜，所有的变化必然是适应的。

沃尔弗冈·魏克勒（Wolfgang Wickier）评论道：“根据进化论可以推出，基因按照自己的利用推动个体。”我承认我只能将这种观点当作胡乱比喻。我不会被这种有意图的错误归因所迷惑。这是一种写作习惯，我本人也犯过类似的错误，有一种观点曾使我感到困惑，这种观点认为基因是分离、可分的颗粒，基因通过在生物中建立性状作为各自增殖的武器。生物个体并不是分解独立的遗传编码片段，这些片段一旦离开身体环境便没有意义，它们不能编码出连在一起的形态部分或特定的行为。形态和行为并不是由争斗的基因精确建立的，争斗的基因无须适应所有情况。

就在社会生物学家试图比魏斯曼还魏斯曼时，许多分子进化论者却持相反的观点。他们提出，许多进化变化不仅不受选择的影响，而且在方向上真是随机的。（在达尔文的系统陈述中，作为原材料的变异可能是随机的，但是进化变化是决定性的并由自然选择定向）例如，遗传密码是冗余的，产生同样氨基酸的DNA顺序不止一个。很难想象自然选择能够控制从一个重复顺序到另一个重复顺序的遗传变化（因为在两种情况中，选择“看见”相同的氨基酸）。

我们的选择可能是认为这种“不可见的”遗传变化无关紧要，因为如果变异在生物的形态和生理上不表达，自然选择就不能对它起作用。而且按照下面的看法（我不相信这个见解），假如多数进化变化是中性的，那么我们就需要用一种新的比喻来说明达尔文的影响。我们可能不得不将自然选择看作一种偶发现象，只能作用很少的转译成具有生物适应意义部分的遗传变异——这只是藏有丰富变异海洋的表面。

但是，分子进化论者的挑战远比这严重——因为他们发现蛋白质（可见的遗传产物）中的变异远比建立在自然选择模型上群体可能保持的变异要多。而且他们推断出蛋白质长期的进比变化速率非常规则，几乎像钟表一样。假如进化受自然选择这种决定性的过程指导，它们又怎么会像钟表一样呢？要知道选择的强度体现在环境变化的速率上，而气候并不像节拍器那样有节奏地变更。或许遗传变化真的是中性的，以随机恒定的速率积累。这个问题还没有解决，利用自然选择，再加上某些可能并不荒谬的特定假说，也能解释丰富的变异和钟表似的速率。我只想指出，我们还没有最终的答案。

我预言达尔文主义的多元论会取得胜利。自然选择会显得远比某些分子进化论者想象的重要得多，但是自然选择又不会像某些社会生物学家坚持认为的那么万能。事实上，我想建立在变异基础上的达尔文式自然选择并不影响（现在一些人热心地引来作为对自然选择支持的）一些行为。

我希望达尔文自己工作中的多元论精神可以传播到进化思想中的更多领域，有些领域依然由严格的教条统治着，导致这种结果的原因在于不加怀疑的个人偏好、旧的习惯和社会偏见。我自己喜欢攻击的一个靶子是多数古生物学家所宣扬的进化变化是缓慢而稳定的信念（而且必须承认，这种信念受到达尔文本人的偏爱和鼓励）。化石记录并不支持这个信念，在化石记录中，大规模的灭绝和突然的起源更明显。我们不可能通过记录某些腕足（像我们爬上山坡一样）是逐渐变化的来证实进化。为了回避进化并非逐渐发生这个令人不快的真理，古生物学家指望靠化石记录极不准确来搪塞——所有的中间阶段都在记录中消失了，保存下来的只是地质之书的少数几页中少数几行的少数几个字。他们为了维护正统的渐变论，付出的代价太大了，甚至认为化石记录几乎呈现不出他们想去研究的真正现象。但是，我相信渐变论并不是唯一合理的解释（事实上，渐变并不常见）。自然选择理论中并不包括有关速率的陈述。自然选择可以造成小群体中的迅速物种形成（地质上呈突发状）的变化和整个谱系常见的极慢转变。

亚里士多德认为，多数重大的争论都可以通过中庸之道来解决。自然界中的复杂和变幻令人不可思议，几乎任何事情都可能发生。博物学家所能做出的最明确而有力的陈述就是科科伦船长（Captain Corcoran） [1] 常说的那句话“几乎不可能”。一个人要想清晰、确切、全面地解答生命的问题，就必须做出全方位的探讨，不只是在自然界中。事实上，我比较怀疑一种诚实的探讨会找到答案。我们可以明确地解决小的问题（我知道为什么在这个世界看不到7.6米长的蚂蚁）。我们可以合理地处理中等程度的问题（我怀疑拉马克主义可以作为合理的进化理论复活）。大的问题则只有听任丰富多彩的自然的摆布——变化可能是定向的或无目的的，逐渐的或剧变的，选择的或中性的。我为自然的多种多样感到欣喜，把确切性的幻想留给政治家和说教者吧。

[1] 科科伦船长是19世纪英国作曲家沙里文和吉尔伯特的歌剧《皮纳福克（》1878）中的主角。——译注

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时间的故事

［加拿大］丹·福尔克　著
严丽娟　译

海南出版社
·海口·

目录

序 说一个关于时间的故事

引言 时间到底是什么？

第一章 洞穴里的秘密

洞穴中的阳光

最早的人科动物

一见如故

出生、死亡和来世

争论的焦点

索尔兹伯里平原上的秘密

天界的设计？

时间的圣殿

新石器时代的看法

第二章 突然损失了十一天

不一致的周期

河流的节奏

恺撒的历法

用月亮计时

玛雅人和“有生命的时间”

古怪的周期：一周

复活节的问题

格里高利解决了问题

“把11天还给我们！”

第三章 切割时间的人

时间的工厂

计时的工具：太阳、沙子和水

教会的时间

索尔兹伯里的铁钟声

时间的价值

海上的困境：算不出经度

一团乱的列车时间：时区的问题

活在原子时间里

第四章 被时间控制的世界

中国：时间就像编织的布

印度教和佛教：逃避时间的周期

非洲：“事件时间”

美洲原住民：时间的阴影

背对着未来

澳洲：“美梦时间”

希腊人：多样化的时间

线性时间的诞生

枪支、细菌和CCT

生活的步调

第五章 记忆的持久度

回忆过去，想象未来

灵长类的规划

鸟儿、大脑和早餐

心智时光旅行的演进

孩童的心智时光旅行

记忆的弱点

瞬间记忆

小布什在想什么？

第六章 寻找时间之箭

通往《原理》的路

“绝对时间”的问题

牛顿和莱布尼兹

不存在的流动

寻找时间之箭

哲学插曲一

未来“真的存在”？

两种时间

南纽英顿的智者

那时间究竟是什么？

第七章 时间、重力和黑洞的想象

相对论的根基

全新的时空观

“现在”的问题

爱因斯坦的巨作

时间、重力和黑洞

量子革命

时间和量子

第八章 跟着小说去旅行

走出时光旅行的衣柜

西雅图信号正炽

跟着小说走

向前跳

回到昨日

虫虫翻身

哲学插曲二

爷爷！快闪啊！

覆水难收

撞球和本体

改变谁的历史？

物理学所不容？

第九章 世界几岁了？

主教和圣经

石头里的秘密

达尔文的“深远时间”

时间和宇宙

不断膨胀的宇宙

终极的免费午餐

第十章 宇宙大爆炸之前的故事

膜上的宇宙

在开始之前

从虚无中创造时间

再访时间之箭

卓越的科学家

非常特别的大爆炸

心智与物质

第十一章 生命、宇宙和万物最终的命运

向永恒的现在张开双臂

未来简史

未来学家的话

文明的终点

忆哥白尼于柏林墙

下注

地球的终曲

宇宙的命运

黑暗的能量，黑暗的未来

天文学的结局

生命的尽头

第十二章 最后，哲学家说……

心智和头脑

时间的演化

眼见可否为凭

哲学插曲三

恺撒还活着？

在加拿大多伦多谈时间

时间的风景

漫步普林斯顿

参考书目

返回总目录

谨以此书纪念我的祖父母

伊格娜西与李奥尼亚·福尔克

雷维夫与沙因博士

再没有什么能比时间更神秘的了。时间，无限、无声、永不停息，时而翻滚，时而激荡，动如脱兔，静若处子，宛若广纳万物的海潮，容人类及宇宙万物浮游其上，仿佛轻烟，仿佛若隐若现的幻影：永远是最真实的奇迹，令人哑然噤声──无法诉诸言语。

——卡莱尔《论英雄与英雄崇拜》（1840年）

序
说一个关于时间的故事

“你在写一本关于什么的书？”

跟别人说你在写一本关于时间的书，他们会有一些很有趣的反应。有些人满脸疑惑，有些则会不置可否地耸耸肩。“时间有什么好说的？”他们感觉你找不到足够有趣的题材来塞满整本书（“不就滴滴答答地过去了吗？”）。还有些人似乎一听就懂，还会猜测有没有特殊的主题：“会讨论时光旅行吗？”会，我保证会，有一整章的篇幅（我告诉他们，就算时光旅行不可能实现，引发的问题仍非常吸引人，例如时间和空间的本质，以及自然的定律）。有些人猜这本书一定跟“物理学”有关，非常深奥，不断提到熵、世界线等名词。不是的，我要他们放心，至少不会“只”讨论物理学。我想要用更不受限的手法，从几个不同的方向探索时间之谜，每个方向都有不同的观点和真知灼见，也各有成功和挫败的记录。

事实上，我不得不从这么多的角度来探索时间，因为单一学科提供不了“答案”。看到家里书架上排列的书籍，事实显而易见（当然我也跑了很多趟图书馆，但是在家收藏相关的书籍也让人很开心，在直面本书中的必要元素前，就可以研究好不少的数据）。最上面两排书架放了科学史和科学哲学：这里有布洛诺夫斯基、布尔斯廷和伽莫夫的经典著作，还有一堆萨根的书，另外还有费理斯和丹尼尔森最近的作品。下面是科学传记区：有德雷克和索贝尔的《伽利略传》，韦斯特福尔和格莱克的《牛顿传》，派斯、弗尔辛和艾萨克森的《爱因斯坦传》。其他一些书则专门讨论这些伟大的科学家所创造出的理论。下面放了关于现代物理学和宇宙论的书，包括霍金、温伯格、格林、戴维斯、瑞斯、克劳斯等人的著作。再下面则是关于演化和人类本质的书籍，包括戴蒙德、塔特萨尔、道金斯、豪泽的著作。更下面则是关于意识和心智方面的著作，包括平克、彭罗斯、丹奈特、克里克、达马西奥、埃德尔曼的著作。更不用提我一定准备了一些详细讨论时钟、历法和计时的书籍，如惠特罗、艾文尼、兰迪斯、邓肯、史蒂尔的作品。

说到时间，好吧，时间横跨上面所有的领域。我其实要面对一项挑战，每一门学科或多或少都跟其他的领域有关系。如果要织一张蜘蛛网，东连西连当然没问题，但写书的话就真的会受到束缚，所以我必须紧贴着主题流畅地叙述，也就是说一个故事。要说这个故事，我必须精挑细选。在权衡科学和哲学的比重时，科学通常会胜出。并不是因为哲学枯燥无味，只是因为我觉得在叙述故事发展时哲学的说法比较无力。（“什么？你不会提到海德格尔和伯格森？”很可惜，都没有。我会提到柏拉图、亚里士多德、莱布尼兹、麦克塔加特和其他几位关键人物。）光在这些学科中，正在进行的研究也多到无法塞进一本书里，本书的十二个章节信手拈来都可以独立写成一本书。如果读者想要进一步钻研，我希望书后详细的注释和完整的来源书目表可以帮你找到更多阅读素材。就文字来说，这些都是我经过深思熟虑后的选择，主要挑选近年来进展最为夺目的科学领域。

一开始我先钻研书籍和期刊，并到图书馆找数据，但我的工作不止这些：过去几年，我荣幸之至，能和当代几位最有深度的思想家见面，有些人还接受了好几次访谈。我会跟他们说：“只要一个小时吧。”但心里知道一定会超过这个时间，而大多数人仍然很慷慨地让我拿着麦克风问个不停。特别感谢彭罗斯、巴伯、多伊奇、施莫林和戴维斯，他们能够领会最艰难的科学问题，的确让我获益良多。还有更多学者和我一起坐下来，耐心地叙述他们的研究内容，也有人领我参观实验室、博物馆的展览和考古遗址。在本书的篇章中我会提到每个人的名字，非常感谢他们的帮忙（大多数访问是为了本书而特别安排的，但我偶尔也引述之前的研究成果，包括我为加拿大广播公司的节目《好点子》制作的几部纪录片）。

在写作的过程中，好几个人帮我看过稿子的不同篇章。西门纽克、马瑟和芒罗提供了非常宝贵的建议，豪厄尔则好心地读完全文（如果有任何谬误，当然是我个人的责任）。跟布朗、斯达克曼和斯科特讨论本书内容，也让我受益无穷。

完成第一本书《T恤上的宇宙：寻求解释一切的理论》（2002年出版）后，我就很想写一本关于时间的书。这本书绝对不是前一本书的续集，大体上主题完全不一样，但某些主要题材（比方说狭义相对论）再度现身，所以有时我也会建议读者到我的第一本书里找寻更详细的解释。

越洋文学经纪公司的经纪人塞奇威克和布莱德利是本书得以开花结果的推手，也多亏麦克莱兰斯蒂沃德出版社的编辑布莱德萧，把我的草稿雕琢成可以出版的样子，也感谢菲雪发挥她的编辑长才。

欢迎读者批评指教，来信请寄insearchoftime@hotmail.com。

引言
时间到底是什么？

如果有知觉，我们就能察觉到时间的推移。

——卢卡斯《时间和空间的论文》

时间流逝。听，时间正在流逝。

——托马斯剧作《牛奶树下》

“我彻底解决了问题，”1905年5月，年轻的爱因斯坦兴奋地告诉友人贝索，“解决的方法就是分析时间的概念。”

贝索和爱因斯坦在瑞士伯恩的专利局一起工作，他是第一个听到这个秘密的人。一个月后，全世界都知道了（起码《物理学年鉴》的忠实读者一定会看到。要再过14年，爱因斯坦才会成为家喻户晓的科学家）。爱因斯坦花了10年的时间密集研究，进行了设计精巧的“思想实验”，写出了一篇充满开创性的文章，他想协调麦克斯韦的电磁学理论以及自伽利略以来就已经确立的相对运动法。这个问题需要马上找到解答，连当代最聪明的人都被难倒了。他的论文标题稀松平常──“关于运动物体的电动力学”，其内容却是颠覆性的：时间突然就像橡胶一样，变得充满弹性；空间和时间紧密地联结了，而像“现在”这么简单的词似乎完全失去了意义。

爱因斯坦的论文令大众震惊，正因为大家一向都以为时间就这么简单。过了一百多年，似乎仍然很简单。毕竟时间就在身边，包覆了我们的世界，也定义了我们的世界。只要醒着，就能听到时间的回声。时间就是意识体验的基础。

最重要的是，时间会流动，或者看似在流动。最常见的比喻就是河流：在我们的想象中，时间就是绵延不断的河流，把未来带到我们眼前，把过去的事件带到我们身后。同样，我们也可以把时间想象成固定的景物，我们从中航行而过。更现代的比喻则是投影机：事件就像一格一格的电影，每一格都只能用瞬间的“现在”照亮，之后就退入过去。接下来的影格就是未来的事件，朝着镜头冲过来，时机到了就能体验到属于这一格的短暂“现在”。

不论用哪个比喻，时间似乎都只朝着一个方向流动，从过去已经无法改变的事件流向不可知的未来，没有转圜的余地。口中才说出“现在”，另一个“现在”就来了；之前的“现在”消失在过去中，永远无法挽回。我们不能改变五秒钟前发生的事情，也不能重返诺曼底人征服英格兰人的黑斯廷斯战场。未来很尽责地朝着我们飞奔而来，停也停不住。我们不确定未来会发生什么事，却能确定未来一定会来到眼前。

这些说法看起来平淡无奇，甚至有点幼稚，却反映出这种感觉在我们心里有多么根深蒂固。小孩子很快就学会“昨天”“今天”和“明天”的意思，能分辨“过去”“现在”和“未来”。我们把时间当成有价值的东西：想要节省时间，讨厌浪费时间，想要腾出时间来做喜爱的活动。想要喘口气时，我们要求时间暂停。开心的时刻会说时间飞逝，接受牙医治疗时却觉得时间慢得像在爬──但内心深处我们当然没这么天真。我们把记录“正确”时间的工作交给时钟，在布满半导体玩意儿的世界里，到处都是计时工具。但我们也不禁觉得，就算没有时钟记录过了多久，时间还是无情地继续流逝。正如2300年前亚里士多德所说：“即使四周一片黑暗，我们的肉体也不受干扰，如果心里想到什么事情，我们马上就会觉得时间也悄悄流逝了。”牛顿则猜测即使没有工具，时间仍会不断过去；但我们在后面也会看到，牛顿无法提供定论。这方面爱因斯坦也一样：他在1905年“彻底解决”的问题只是时间诸多秘密中的一个。时间的奥秘尚未完全揭开。

一说到时间，大家都觉得很熟悉，却又感觉到无比神秘，这就是最难懂的悖论所在：再没有其他的事物像时间一样位处人类生活的中心，却似乎离我们非常遥远。人类一定能察觉到时间的流逝，这是最贴近人类意识核心的概念。但谁能解释时间到底是什么？完全不可捉摸。我们看不到、听不到、闻不到、尝不到也摸不到时间。但我们真能感觉到，或至少认为自己感觉得到。咬文嚼字？非也，我们之后会看到：科学家和哲学家还在争论“时光流逝”这样的简单句子到底想表达什么意思。

时间跟变化的关系密不可分。这个时候看到这样，过一会儿又看到那样，我们就会把变化跟时间流逝扯上关系。难怪有些人把时间定义成“大自然避免所有事件同时发生的方法”。但要把时间跟变化画上等号，似乎又错过了重点。时光的流逝感觉更基本、更重要。难怪诗人、作家、哲学家和科学家纠结了这么多年，还是无法掌握时间的概念。

所以再问一次：时间是什么？小朋友的回答可能是：“就算你站着不动，也会一直过去的东西”或“用时钟测量的东西”。大人会有更好的答案吗？对爱因斯坦的重大突破有基本概念的人或许会回答：“跟空间一样是一种维度”──不过我们觉得时间跟空间非常不一样。

如果我们细看这些（以及其他很多）和时间有关的说法，就会觉得愈看愈不满意，这就是问题所在。我们说时间“包覆了我们的世界”和“定义了我们的世界”，但这些说法适用于所有人吗？还是只跟非常在乎时间的西方文化有关联呢？佛教的和尚会跟华尔街的交易员一样担心自己误了约会吗？我们观察到小孩子学会说“过去”“现在”和“未来”，不过也只有在家长在乎这些名词的文化里。我们接下来会看到，在某些文化中根本找不到这些名词和相关的概念。

最基本的感觉（感到时间会“流动”）也是一个问题。但这个说法又有什么意义呢？我们说时间如河水般流动……但流动的河水有河岸作为基准。时间流动的基准是什么？假设河水流动的速率是每秒一千加仑，时间流动的速率则是……每秒一秒钟？说了等于没说。（事实上，如果这么主张，我们就得想象出次要的时间或“超时间”来当作主要时间流动的基准。如果次要的时间或“超时间”也会流动，就需要第三个时间概念来当作基准，以此类推。根本是愈帮愈忙！）圣奥古斯丁（354—430年）耗费多年思索时间的问题，难怪他有时候会觉得非常受挫。“那么，时间是什么？如果没有人问我，我知道答案，”他悲叹道，“但如果我想解释给问这个问题的人听，我却说不出来。”圣奥古斯丁到了最后才臆测，时间仅存在于我们的脑海里，只是心智构造出来的东西。之后不同时代的哲学家也得出同样的结论。但时间感觉没那么虚幻，不是吗？

科学的贡献不可忽略，但科学也让时间玄上加玄。爱因斯坦的相对论告诉我们，像“现在”这么普通的概念在四维的时空中就失去了意义。“现在”在仙女座星系是什么时间？我们找不到有意义的答案。如果这个困境让你觉得很烦恼，没关系，我们之后会看到，爱因斯坦跟你有一样的感觉。

在物理学中，不需要辨别过去和未来，更让人觉得奇怪。有些物理学家觉得时间和空间是一个巨大的区块，其中的过去和未来具有平等的地位。同时，“现在”被降级成主观的标记，如同“这里”。有些科学家觉得，虽然时间本身或许具有真实性，但其流动或推移纯粹只是幻觉，是神志清醒的人观察周围环境的方法产生的结果。没有刻意观察，就没有时间的推移。正好呼应圣奥古斯丁的说法。

在努力了解时间意义的同时，我们也想用最精准的方法来测量时间。哲学家和物理学家仍在苦苦思索时间的意义，世界各地的巧手工匠和技师则发挥了无比的创意，用最迷你和最庞大的时计来记录时间。

自从人类存在以来，就发明了计时的方法。显而易见的自然循环，如一天、太阴月、一年，都引起了人类祖先的注意（他们跟现在住在都市里的人不一样，晚上能享受到黑漆漆的天空，天体的运行自然会影响到他们的生活）。葬礼仪式的迹象可以追溯到几万年以前，其中的陪葬物也透露出永恒的概念。

在历史上可以找到更为清楚的记录。每一个古老的文明都制定历法来记录自然的循环，有许多精细到令人叹服。西方历法的根源来自埃及和巴比伦，后来也做了一些修订：每隔四年就插入一个闰年（这要感谢恺撒），且每四百年有三次不插入闰年（这要感谢教宗格里高利八世），让我们能把一年的天数凑成类似自然循环的模样，准确度也还算合理。然而，之后我们会看到，有很多方法可以跟上自然的循环，格里历只是其中一种。

在某些古老的文化中，当时的人认为时间会不断循环，事件的结果一再重复；有些人觉得死亡本身只是转成另一种人类或非人类的存在状态。犹太教与基督教共有的神学理论想象到死后的生活，但对于历史的观点却十分不一样：事件在上帝的监督下按着独特的顺序一件一件发生，从创世的那一刻一直到最后的审判日──非常明确的线性时间观。历史学家认为，线性时间的想法就是西方世界观的基石。这个想法或许也铺下了科学革命和工业革命的道路，因而引发我们对理性的喜好，也有一种不断进步的感觉。到了17世纪末，欧洲人已经把时间当成抽象的东西，完全不受人类活动的牵制。

到了现在，时间无所不在：电子表、手机和计算机上都看得到时间一秒接一秒滴滴答答地流逝；而让全世界保持联系的电子网络，要仰赖时间差不到十亿分之一秒的原子钟发出的信号。在奥运比赛中，百分之一秒就可能是金牌和银牌之间的差异。但物理学家能辨别出最短的事件长度是一百埃秒（一百埃秒有多短？跟一秒相比，等于一秒钟和三亿年的差别），和他们测量出的这最短的时间比起来，一瞬间简直就是永恒。

在所有的物种中，人类最在意时间，但所有的生物都会受到时间循环的影响。生理时钟让动植物的生物节奏与自然环境保持一致。说到负责让我们察觉到时间的器官，大家都会回答是大脑。我们用某种方法从环境中吸收大量且混乱的感官数据，组织成有意义的环境写照，但周围事物的写照会不断改变；这幅图画在时间中演化，也扎根在时间里。人类拥有非常精密的能力，能形成、储存和唤回这些心理的意象。记忆似乎就等于时间。“现在”或许只持续了短短一刹那，但在我们心中却能延续好几十年。如果某段经验特别深刻，比方说第一次接吻、儿女出世、所爱的人去世，有可能一辈子都不会忘记。

我们不只记得过去，也会设想未来。事实上，我们可以在心中投射不同时代的景况。不论是古罗马战士，还是能遨游星际的宇宙飞船，都很容易想象。心中的意象或许不完全正确，或许还有点四不像，但能想到这些东西，就让我们跟其他生物有了区别。我们是时间的生物，完全融入时间里面。

就算没有历史学家或考古学家，甚或人类根本不存在，宇宙仍会记录自身的过去。这些记录不一定很容易解读，但有了适当的工具后，我们就能阅读自然的历史书。举例来说，化石告诉我们远古时代有什么样的动植物（很多早就灭绝了），放射性原子可以告诉我们这些动植物存活的年代，峡谷告诉我们几千年来所经历的风化和腐蚀。天文学家发现，宇宙本身带有它自己新生时期的回声──光线的光子已经在宇宙间飘扬了将近140亿年。

140亿年这个数字看了就让人心烦意乱，这是我们所能估算出最接近宇宙年龄的数字，代表从宇宙形成到现在已经经过的时间。在最后几章，我们会看到这项伟大发现的证据，也会向前展望，推测还剩下多少时间。很有可能眼前的时间远超过已经经过的时间──宇宙看起来还算年轻。但从宇宙火热的开端到现在所横跨的时间仍令人难以置信。自从猿猴般的生物开始在地球上直立行走，那时到现在所经过的时间跟宇宙的年龄比起来，真是小巫见大巫，再跟我们懂得制定历法、制造时钟及使用科学工具来探索世界的时间相比，人类文明的历史更显得短暂。过去几十年来，教育家同心协力，想要把那段漫长的时间形象化；比方说在庞大的弯曲通道上标出每个漫长的时期（例如在纽约的萝丝地球和太空中心），或用巨大的黄色卷尺（例如在多伦多的安大略科学中心），或用放满了化石的自然步道展示地球的地质史（例如在大峡谷新建的“时间步道”）。事实上，这些表现方式都把时间转化成空间：我们看不见时间，却能在木头、玻璃纤维或钢铁上看到有形体的倒影。或许在想尽办法描绘时间的同时，我们也只能做到这样了。

在这几十亿年间，没有人知道在多少个星球（起码有几百万个）上有多少物种进行演化。我们只知道其中有些生物或许曾思忖过时间的本质。这当然是推测。我们知道起码智人（现代人的学名）想了解时间的本质。的确，这个最难以理解的维度已经变成人类最着迷的东西。

在接下来的章节中，我们会讨论历史上最具洞察力的思想家对时间有什么看法，包括了亚里士多德、牛顿和年轻时代在专利局工作的爱因斯坦。我们也会遇到当代最有深度的思想家彭罗斯、戴维斯、巴伯、多伊奇、施莫林等人。我们也会看看哲学家、物理学家、心理学家和神经科学家有什么相关的发现，以及不同的文化（现代的和好几百年前的）如何看待时间难以捉摸的本质和显而易见的流动。把时间调查得一清二楚，本书内容离那个目标还有一大段距离，只能算是简短的导览，但愿能激起读者的兴趣。

第一章
洞穴里的秘密

这座五千多年前的古墓的魅力在于特定的时间所见的景物：每年冬至这一天，早上第一缕阳光就会从墓穴上方的小开口直射进来，阴暗的墓室会变得明亮温暖。这是巧合还是精心计算？它有什么样的意义？太阳每日的起落，月亮每月的圆缺，四季轮回的转换——这是自然时钟的提示。

最早的伟大发现就是时间，也可称为经验的风景。

——布尔斯廷《发现者》

从都柏林搭乘爱尔兰铁路局的城际快车向北，只要半个小时就能到达德罗赫达市，但来到爱尔兰的游客却很少安排到此一游的行程。就连盛赞四周各郡具备丰富历史文化资源的《寂寞星球》也说这个海岸边的小城“没有魅力”。不过，当出租车继续往西行驶时，景色也愈来愈美，德罗赫达稠密的工业区逐渐让路给梅丝郡起伏的丘陵和翠绿的山谷。再往内陆走了几公里，我们来到欧洲非常重要的一处史前遗迹──纽格兰治的“长廊古墓”。

大多数来到纽格兰治的游客从博因河的南侧穿过主要的游客中心进入遗址，但我跟人家约好了一大早见面，必须从这条名河的北侧过来，穿过纽格兰治农场，清晨的空气中充满了鸟儿啁鸣和牛铃轻响。出租车绕过最后一个弯，就看到了遗址，一个盖满青草的圆形矮土堆，直径约为80米，高12米。外墙砌了一层白色石英砖，在阳光中闪闪发亮。我今天会面的对象是工务局负责管理遗址的图菲，我们一起爬上通往古墓主要入口的小丘。

图菲解释说，建筑物的年份可追溯到公元前3100年，比埃及的吉萨大金字塔还要早500年，比位于巨石阵中心的“三石塔”早了整整1000年。当时，住在爱尔兰的新石器时代人类以农耕为生，照顾谷类作物和饲养家畜。图菲对着树木和小丘陵间若隐若现的博因河抬抬下巴，这条河就是当时人类的高速公路。在纽格兰治的古墓开始兴建前，他们可能已经在这块土地上耕种了上千年。图菲指出：“他们把石头和木棒当作工具，还没有开始使用金属。”石英则从今日的威克罗郡运来，离此地约有80公里。建造遗址时，用掉将近两千块石头，运输、塑形和搬抬所需要的人力几乎难以想象。

我们通过入口处——这里有一大块画满装饰线条的砂岩，接着走向一扇铁门。图菲开了门锁，我们进去后都低着头，免得碰到很低的天花板。虽然外面看起来是圆形，古墓内却又长又窄，深深切入土堆的中心。我们小心朝着墓室后方前进。身后的入口很快就变成远处一个小小的发光方块。如果不是头顶上每隔几米就装了一盏电灯，一定伸手不见五指。四周也安静到了一种诡异的程度。有一对蝙蝠在里面做窝，它们一定觉得再没有其他地方比这里更适合定居。

古墓约有25米长，但宽还不到1米。主通道到了另一边的尽头会分支成三个小凹处，所以整个墓室形状就像一个拉长的十字架。虽然近代爱尔兰人在17世纪就发现了古墓，到了20世纪60年代才正式进行挖掘，那时考古学家欧凯利和他的小组成员在古墓后方的凹处，发现至少五个人火化后的骨架，放在像盆子的石头上。挖掘工人也发现了耐人寻味的新石器时代艺术品。几块石头上刻有几何图案；最复杂的一组在古墓最后面，三块石头上的螺旋图案还互相重叠。

我们站在后方的墓室里，图菲用手电筒照射着铺了一层鹅卵石的弧形天花板。图菲说：“那片屋顶还没整修，在爱尔兰这样的天气条件下，过了五千年仍然滴水不漏。”新石器时代的农夫为什么要费尽心思防止死人的骨头受潮呢？据图菲推测，或许他们觉得祖先的灵魂不会死去。虽然今天阳光普照，但图菲面带微笑提醒我，她的祖国以潮湿多雨出名。她沉吟道：“或许，爱尔兰人心中都认为，天堂就是一个可以永远保持干燥的地方。”

但纽格兰治古墓最有趣的地方不是墙壁，也不是屋顶和艺术品。它的魅力不是你在某处看到的东西，而是特定的时间所见的景物。每年冬天到了冬至，也就是白天最短的日子，太阳光线会从主要入口上方叫作“屋顶盒”的小开口射进来，照亮古墓后方。在冬天最寂静的时候，一缕阳光短暂潜入阴暗的墓室，这样的情景看起来没什么，却是纽格兰治最独特的地方。在这些经过风吹雨打的石头上，我们可以略窥首先考虑到时间问题的人心里的想法，不过这一观念仍很不确切。

洞穴中的阳光

如果在建造屋顶盒和通道时角度稍做改变，冬至这天阳光就无法射进来。是巧合吗？就这么凑巧对齐了？都柏林高等研究院的天文学家汤姆·雷曾在20世纪80年代调查过纽格兰治的几何设计，他断定不可能是巧合。我到汤姆·雷位于都柏林的办公室拜访时，他说“我是天文学家，也是数学家，看了统计数字后，我感觉这样的构造真的不太可能这么凑巧”，“当时的人想要”和太阳成一直线。几年前，鲍威尔在知名考古学期刊上发表的文章也有同样的结论：“毫无疑问，这个特色就是整座墓地设计中不可或缺的一环。”

纽格兰治现在的名字来自盖尔语中的“阳光洞穴”（Uaimh na Gréine）。事实上，甚至在20世纪60年代首度开挖前，当地就已经流传着阳光会在一年中的某个时刻照进洞里这样的说法。欧凯利猜测可能和冬至有关，因为新石器时代晚期的遗址常有这种连成一线的设计。因此他在洞穴外扎营过夜，第二天——1969年12月21日——起了个大早，以便亲自证实他的猜测（为了确定结果，一年后他又重复了同样的实验）。汤姆·雷跟我说这个故事时忍不住笑意。他说：“从天文学家的角度来看，其实不需要亲身体验。只要做一些调查，就可以找到答案。但我们想象的情景很浪漫，在一年中白天最短的那一天，欧凯利坚持守在墓室后面，等待太阳升起。看吧，太阳升起时，他发觉阳光照进纽格兰治的主要墓室。”那天早上，欧凯利的日志内容如下：

位于爱尔兰纽格兰治的“长廊古墓”，可追溯到公元前3100年的新石器时代。到了冬至的早晨，阳光通过古墓入口上方的开口射进来，照亮墓室后方

格林尼治标准时间上午8时54分，太阳的顶缘从地平线冒出来，到了8时58分，第一道阳光穿过屋顶盒，沿着长廊直射进墓室的地板，一直延伸到最深处石盆的前缘。

但现代人的看法和五千年前不完全一样。汤姆·雷说，过去数千年来，地轴会周期性地摆动。这个现象和地球自转轴的进动（precession）有关：地球转动时，地轴本身会慢慢绕着太阳系旋转，转一圈需要2.6万年。而与此相关的摆动，天文学家称为章动（nutation），章动会造成地轴定期改变倾斜角度。目前地轴的倾斜角度为23.5度，而在纽格兰治古墓兴建时，倾斜角度比现在略大，大约为24度。汤姆·雷说，这个小小的变化当然也有其重要性，当时全年最短的白天比现在短一点，最长的白天也长一点。从而就会影响到日出和日落的时间。欧凯利也注意到同样的现象，现在到了冬至这天，日出后过了几分钟，第一道阳光才会射到墓室后方。然而，五千年前，应该一步到位。汤姆·雷说：“太阳一升起，应该就会照进来。”

纽格兰治的冬至日出仍是大众瞩目的事件。每年都有数千人参加抽签，希望能得到机会在12月21日所在的那个星期参观古墓。由于主要通道角度朝上，第一道阳光并不会照到墓室后方的墙上。欧凯利观察到，第一道阳光会照在离墓室后墙几米的地上。能得到参观机会的幸运游客希望能看到墓室内的第一道阳光。图菲说：“大家会一直盯着地面。”近几年来她所目睹的冬至日光次数应该居冠。“不知道过了多久。尽管大家都看着地面，还是无法捕捉到第一道光线。”很快光束的大小开始跟铅笔差不多，图菲说：“然后光线马上就变长变宽，同时在地面上向后移动。”一直过了几分钟，阳光才照在墓室中间，这时光线大概有20厘米宽，而且亮度惊人。图菲说：“颜色很好看，很温暖。整个墓室都被照亮了，你抬头最远可以看到顶石，聚集在墓室内的所有人的面孔都能看得一清二楚。”

新石器时代的人把这么多巨大的石头搬到一个地方，用非常精确的方法建造了墓室，好让太阳直直照进来，到底有什么意义？我们可以想象建造纽格兰治墓的人（就像说起现代的农民）一定对四季变化很有兴趣，也喜欢观测天体的移动，尤其是太阳和月球。当时还没有街灯和购物中心的光害，天空仍保有原始的清新。是的，爱尔兰的天气虽然常乌云密布，但在晴朗无云的晚上，每个人都能看到空中闪烁着光芒的天体。太阳每日的起落、月亮每月的圆缺、一年四季的转换──任谁都无法忽视天空的自然规律。

汤姆·雷说：“他们当然对天文学很有兴趣。”但他也告诫大家，不要把现代西方的术语套在差异这么大的文化上；把那些新石器时代的农人归类为“天文学家”或称纽格兰治为“观测站”时要想清楚。但我们将会看见，在讨论建造精巧的新石器时代遗址时，各种类型的学者都免不了提到“观测站”这个说法。此外，当时的农人对天空的兴趣浓厚，这一点毫无疑问。汤姆·雷说：“主要的两大天体一定是关心的焦点。有没有宗教的含义，我不知道，我想其他人也不知道答案。”

最早的人科动物

我们最早的祖先没有时钟和历书，却有功能类似的东西，也就是大自然。数千年来，天体有节奏的动作反映出时间无穷无尽的循环，这一定让远古时代的人类深深着迷。今天，我们可以低头看手表（或手机液晶屏幕上显示的时钟）；老祖先则会抬头看太阳、月亮和星星。很有可能在更早之前，从老祖宗第一次直立行走和削出最早的粗糙石头工具时，就有了更基本的时间观念。但从这些骨头和工具推断出人类思想和信念的挑战不仅艰巨，还会带来无尽的挫折，就连看起来最可信的想法都极少得到证明。近年来遗传学、认知科学、灵长类研究方面都有明显的进步，才能巩固上述的努力成果，当然更不能忘了考古上的发现。尽管如此，追溯的时代愈久远，找到的线索也愈零散模糊。

人类学家怀疑最早的人科动物，也就是人类家族最早的成员，早在我们所属的智人种掌管地球前，就已经有了某种时间观念。 [1] 早期的人科动物活在数百万年前的世界里，纽约州立大学石溪分校的谢伊认为，“（他们）或许已经有初步的时间概念，跟我们很像”，他们也能“理解过去和未来，也持有‘在这种情况下，会发生那件事’的观点，从偶然的角度察觉未来”。谢伊不说“意识”，因为这个名词在许多科学领域中都有太多包袱，但假设有自我意识和环境意识的生物至少也有基本的时间改变概念，似乎也算合理。谢伊说，最早的人科动物至少能意识到过去和未来，才能组成互助合作的社会团体，在险恶多变的自然环境中猎捕大型动物。他们能向过去学习，试着预测未来的情况；也能在脑海中整理不同的做法，想象不同的做法会带来什么样的结果（心理学家称之为“心智时光旅行”，我们会在第五章详加讨论）。

在非洲和中东远古湖泊的沿岸，可以找到这些早期人类懂得规划未来的证据，在这里，考古学家发现了库存庞大的石造工具，它们由早期的人类制作，储藏的地方看起来颇有策略性。谢伊猜测，或许他们规划这些储藏的地方，是要让材料离部落近一点，万一有需要就可以立刻当成武器使用。甚至连工具的精细程度也表示他们懂得做计划：细心凿出的手斧应该不止用来切一次，而是要重复使用。看来这些人科动物在某种程度上明白过去和未来；他们感觉得到生存的意义，除了知道下一座山头上有什么猎物，也知道第二天或下一个季节会发生什么事。虽然还处在初步发展阶段，但他们显然具备了某些时间概念。

远古人类最令人不解、最具争议性的一项行为就是死者的葬礼，在人科动物的记录上，一直到了后来才出现埋葬死者的习惯。这种做法就最低限度而言，是暗示了人类祖先的生死观念，或许他们也想到了“永恒”。有系统的葬礼最早出现在约十万年前的尼安德塔人身上，这个人种是人类族谱的旁支，住在欧洲和亚洲西部。然而，现代智人所行的葬礼却更加精密。在详细探讨这种做法前，最好先来看看人类族谱这两个分支之间的复杂关系。

一见如故

尼安德塔人最早出现在距今13万年前，一直到2.5万年前都十分兴旺。他们跟智人同时分布在一样的地理区域，有很多共同的特性；在大约于4万年前开始的旧石器时代晚期，他们的确同时出现在欧洲西南部。但这两个人种泾渭分明。尼安德塔人个子不高肌肉发达，额头后斜，眉骨突出。就算帮他们刮了胡子，再换上现代的服饰，走在21世纪城市的街道上仍会令看到的人惊讶得倒抽一口气。他们的大脑体积其实比现代人更大，但我们接下来就会看到，大小并没有那么重要。

有些尼安德塔人的特性似乎跟现代人类很像：他们会制作石器，会控制火，以肉类为主食，也会照顾老人和病患（从骨骼可以看出有些重度残障的人也活了很多年）。人类学家克莱因指出：“这个迹象很有说服力，指出他们也有人性。”（近年来也有人争论尼安德塔人和智人是否偶尔会混种；根据基因研究和化石记录，愈来愈多人同意，就算真有其事，混种交配也非常少见。）但两个人种的生活风格和智力却有天渊之别。

尼安德塔人虽然会造石矛和石斧，但制作的工具类型不多，也很少用到骨头或象牙，更没留下艺术或首饰的遗迹。也找不到他们懂得创新的迹象：十万年来用的工具都差不多。克莱因的结论是，尼安德塔人灭绝“并非仅仅因为他们的行为跟不上时代，而是因为他们没有能力做到”。相反的，早期的人类留下了很多艺术作品。

尼安德塔人和智人之间的巨大差别，也反映在他们的葬礼仪式上。尼安德塔人把死者埋在浅坑里，没有明显的“陪葬物”或葬礼仪式留下来的相关证据。这种埋葬方式可能只是用卫生的方法处理尸体。等到现代人出现后，我们才看到陪葬物的明显证据，例如工具、首饰和其他下辈子可能用得到的东西。耐人寻味的是，虽然智人最早在20万年前就出现在非洲，但如此复杂的埋葬方法似乎到了后期才兴起──大约从5万年前开始，我们的祖先才会大张旗鼓地埋葬死者。

出生、死亡和来世

考古学家在俄罗斯的松希尔遗址发现的人类历史上最早的复杂葬礼，距今约有2.8万年。遗址内有一具男性长者的遗骨，还有一男一女两名青少年。每具遗体上都装饰了数千颗象牙珠子（可能缝在衣物上，但是衣物早已腐烂）。男人戴着象牙手环，上面有黑漆的痕迹。少年系了腰带，肩膀下方有一只象牙雕的猛犸象。右侧有一支用猛犸象牙雕出的巨型长矛。少女戴着镶珠的帽子，身边放了很多象牙小刀和匕首。

我们不免会推测，旧石器时代晚期的居民对下辈子有所期待。考古学家史蒂文·理查德指出，他们的世界观似乎表示他们相信超自然的力量，或许也相信有来生，这样的看法也是人类史上最早出现的记录。他说，从复杂的埋葬仪式来看这是“首次出现的宗教意识形态”。要定义宗教当然不简单，但对史蒂文·理查德来说（或许大多数的学者也这么想），这种意识形态包含信徒的假设：死亡并非终点。他们一定确信人类某些物质以外的元素在死后仍会留存，这些元素就跟活人一样具有相同的信念和渴望。换句话说，旧石器时代的祖先心里描绘的时间观念已经复杂到让他们想象死后可能还要继续生活，能够想象时间从这个世界延伸到另一个看不见的世界。

现代的智人到达欧洲后不到一万年的时间，最后的尼安德塔人就消失了。新来的智人在挣扎求生时占有某种有利的条件。很多人类学家相信，语言能力带给他们（也就是我们）优势。包括尼安德塔人在内的其他人科动物可能只会发出不清楚的声音和打手势，现代人却早已发展出复杂的符号语言。有了语言后，就有抽象能力，能够突破此时此刻。智人在打猎时懂得思考和拟定策略，具备精密的时间和空间观念。

然而，有了时间意识后，人类就察觉到自己的生命有限。正如历史学家弗雷泽所说，我们对时间的了解“就像一把双刃的武器，两边都可以切”，表示有利也有弊。规划未来的能力让人类更加兴旺，但他也补充说：“这些优势的代价就是深刻的不安感受，知道死亡终将来临。”

争论的焦点

远古人类追踪时间流逝的方法有多仔细？在挖掘到的旧石器时代手工艺品中，有少数看起来很像日历，但到目前为止最有说服力的则是一块上面有雕刻的骨片（老鹰翅膀的一部分），在法国西南部的多尔多涅河谷发现。在所有的史前工艺品中，这块碎片最引人注目，大约长10厘米，年代可追溯到3万年前。碎片表面上有一连串刻痕，每一排大概有14或15个，排成蛇一般弯弯曲曲的样子。20世纪60年代，美国考古学家马雪克研究上面的雕刻后，认为刻痕是画记──旧石器时代的猎人用刻痕计算数目。可是他们想计算什么？马雪克发现，每一排的刻痕数目大概就是从新月到满月，或从满月到新月的天数（完整的月周期平均长度约为29.5天）。他推测这块骨头或许就是原始的阴历。

任教于纽约上州柯盖特大学的艾文尼，曾以史前社会和非西方文化中的计时习惯写了很多文章，马雪克的主张激起他的好奇心（他应该也被说服了），把骨骼碎片称为“有趣且具有魔力的小工艺品”。艾文尼承认，上面的记号可能也有其他的解释：或许是猎人在记录猎物的数量，或女性记下月经周期，或者这块骨头只是拿来磨刀的工具。人类学家也怀疑旧石器时代人类的思想是否敏捷到能够连续记录好几个月的事情。然而，艾文尼仍猜测马雪克的诠释没错：“我相信这项工艺品是最早的计时工具，显然跟月亮的阴晴圆缺有关。”

多尔多涅的骨骼碎片（据说）只涵盖了两个半月，但艾文尼注意到画记原则上要延伸下去非常容易，更长的连续记录就可以让早期的人类了解从怀孕到生产需要经过九次月圆，或者有时某些植物和动物的数目会变少，或许他们还发现过12或13个月，四季就会循环一次。不过艾文尼要大家小心：“用我们的模糊观念去揣测制造工艺品的人心里怎么想，就是考古学不确定性最高的一个地方。”

到了公元前三四千年的新石器时代晚期，地球表面出现了非常壮观且耐人寻味的结构，体现了人类对时间流逝的兴趣。 [2] 在欧洲各地，从地中海西边到大不列颠群岛和北大西洋沿岸，出现了壮观的石造遗迹（巨石），包含十多个围成圆圈的石碑，在英国和爱尔兰最多。我们刚才看过了纽格兰治，很多人相信这个古老遗址具有历法的含义。巨石阵当然更有名，而邻近的埃夫伯理石圈则更大更复杂，位于苏格兰西北部刘易斯岛的卡兰尼什，石群数目和精密度都不逊于巨石阵。之前的考古学家认为这些石碑是观测站，用来追踪日月星辰的移动。这种诠释引来了争议（“观测站”的说法总不免引人议论），但最基本的主张则无人反对，举例来说，巨石阵的主轴正对的是夏至日出的方向。（英国西南部乡间随处可见的“狭长古墓”等古老构造通常也会对齐太阳的方向，不过不太精确，大多数呈东西向，入口对着地平线东边的象限。但这些构造的实际方位角度十分多变；有些学者认为它们可能是对着月球，而不是太阳。）

索尔兹伯里平原上的秘密

巨石阵本身可追溯到大约五千年前，最早建造的是巨大的环状路堤和壕沟，宽度在100米左右。在壕沟内有56个填满了白垩的洞围成一圈，考古学家相信以前这些洞里应该固定了竖起的木柱。在接下来的几个世纪，又冒出了不少类似的建筑结构，于公元前2400年到公元前2100年间达到高峰，这时出现了四十吨重的巨石构成的石圈；这些石头也叫作“撒森岩”，以用来搭建石群的高密度冰成岩命名。撒森岩上面盖了十吨重的水平“楣”，要搭上去起码要花几百万个小时来工作。在撒森岩围成的圈内，直立的“青石”围成一个比较小的同心圆，考古学家确认有些砂岩从韦尔斯的普瑞斯里山拖来，离遗址两百多公里远。

位于英格兰西南部的巨石阵，清楚显示出和天体对齐的样子：中间由三石牌坊组成的“马蹄形”主轴对齐了夏至日出的方向（也等于冬至日落的方向）。考古学家觉得还有其他的对齐方式，不过尚无定论

巨石阵最里面的一圈由五组巨大的三石牌坊组成（各有两柱一楣），排列的方式就像马蹄形，对称轴从西南往东北延伸。对称轴上靠近边缘的地方还有一块叫作“踵石”的岩石。我们可以推测教士或族长从遗址的中心进行观测时，可能用踵石当作瞄准工具，在夏至的早上观察升起的太阳，夏至时太阳会移到东方的地平线最北的位置（同样，观察的人可能站在踵石边，朝着西南方，在冬至的傍晚看着太阳落下。也很有可能两者兼备）。至少遗址曾被当成观测太阳移动的观察坐标，或许月球和星体也是观测的对象。毫无疑问，巨石阵和其他石群的设计和建造动机一定和天体活动脱不了关系；问题在于关系有多密切，以及是否还有其他同等重要的动机。 [3]

在20世纪六七十年代，几名作家费尽心思阐释巨石阵和其他新石器时代的遗址有哪些天文用途，他们的主张引起强烈的争议。少数几位满腔热忱的作家宣称巨石阵是座精密的观测站，就像模拟计算器一样，用来预测日食或月食（有可能利用插在地上那些洞里的五十六根木柱）。考古学家和考古天文学家拉格斯说，当时的人对天文的热忱如脱缰之马，“形成考古学家眼中最为人不齿的例子，用当代的形象重建过去的景况”。（在“阿波罗号”刚开始登上月球的时代，或许我们很希望祖先对宇宙也有跟我们一样的志向。）拉格斯说：“无论如何，没有理由可以猜想曾经有人把这块遗址当成天文观测站使用；至少我们找不出对现代天文学家有意义的理由。”

天界的设计？

是设计，还是巧合？某些石柱或许对齐了某种天象，但那并不表示建造的人刻意要对齐。石材充沛，天上也有足够的“目标”时（比方说特别亮的星星升起或落下的位置），就免不了要对齐。考古学家柏尔写道：“从统计的角度来看，很有可能几乎每个石圈都和某些天体成一直线。”在英格兰，以位于坎伯兰的格雷考夫特遗址为例，这里的石圈由12块石头组成，柏尔发现可能组成的线条很多，可能对齐的目标也很多，“不对齐天体几乎不可能”。根据他的计算，如果遗址有12块石头围成圈，就可能有132种对齐的方法。

在观察遗址时，也要考虑到周围的自然和人工景色，特定区域内的所有遗迹都要纳入考察范围。比方说爱尔兰科克郡的德罗姆贝格石圈。这个石圈的主轴跟巨石阵一样对齐了夏至日出和冬至日落的位置。但在爱尔兰西南部还有五十多个石圈，似乎都没有对齐太阳。如果建造石圈的人考虑到天文现象，为什么看不出规则，对齐夏至日出和冬至日落反而是例外呢？

巨石阵和太阳的位置成一直线，这很明显，但其他天体的角色则没有那么明确，专家的意见也分歧较大。柏尔相信太阳和月球最北和最南升起和降落的位置一定都记录下来了。 [4] 艾文尼同意，在冬天的那几个月，会有人用巨石阵的主轴来监控月球升起于最北的位置，事实上，他也不排除这道轴曾被当成月食的指标。当月亮升起的位置落在巨石阵东北方的入口时（现在入口处只留下了踵石），当年观测天象的人或许就知道下次满月时可能会出现月食。艾文尼的文章提道：“但就算没有出现月食，迎着那特殊满月带来的光芒，大家也能彻夜举办仪式，敬拜来访的神祇。”他说，建造巨石阵的人或许也在记录天体移动。但他也补充：“我相信，如果巨石阵和日月天文学有关，新石器时代建造巨石阵的人和天空之间的关联比较倾向于戏剧效果，不属于精确的科学。”那也难怪中世纪的人把巨石阵称为“巨人之舞”。

时间的圣殿

显而易见的是，石圈遗址曾经是民众聚集的地方，但聚集起来做什么？观察天象？表示新的季节开始？崇拜太阳和月亮？把祖先当成神祇供奉或敬拜死者？很有可能这些理由都没错，而且还有其他的目的。除了我们能想到的用途，巨石阵也曾是墓地：考古学家最近发现该处埋了两百多人的骨灰。但宗教仪式总无法完全脱离宇宙哲学，尤其有时候天体本身就是祈祷的对象，而在复杂的宇宙阶层中，日月就在最上层。遗迹就像万神殿，容纳神明以及动物和人类的灵魂。我们也要记得，像巨石阵这样的遗址一千多年来都是人群集会的地方，过了那么多个世纪，功能当然也会改变。艾文尼说，我们可以把巨石阵当成“社交聚会、宗教集会、做礼拜的中心，加了防御的住所、祭天的圣殿和观测站的所在。这些定义纵横交错，在某个时期内，可能比较偏重某些用途”。

不论像巨石阵这样的遗迹有什么象征意义，除了空间外，肯定也和时间有关。建立这样的构造，除了单单记录季节变化外，当时的人一定也想到了其他跟时间有关的问题。在巨石阵发现这么多遗骨，拉格斯和同僚波拉德认为，可以把这个现象当成“对过去的参考，或许也牵涉神话的开端”。在这些地方，时间看起来仿佛静止不动；天际的节奏和公开的仪式不断举行，更强化了这种感觉。学者说：“在社会变化间断出现的世界中，巨石阵具体呈现了时间概念，同时涵盖过去的时间和延续性。”惠特尔观察到，遗迹就像“永恒的准则”“留住过去以便开启未来”的神秘舞台。来到这里的人觉得和祖先、神祇、大地、苍穹合为一体，参与的人觉得自己能够超越时间。

在欧洲大陆，考古学家也发现了魅力程度不相上下的遗址。最近他们在德国东部的革塞克镇挖掘出青铜器时代的聚落。遗址中有圆形土墩和壕沟，直径约75米。起源还不确定，但很有可能最早于公元前5000年的新石器时代晚期启用，因此古老程度远超过巨石阵。考古学家相信当时的人在这里举行膜拜仪式，但此处显然也有天文用途──遗址的“大门”对准了夏至和冬至日出的位置。最引人注目的发现是：直径约30厘米的青铜圆盘上有用金子浮雕描绘出的天空。这块“天体图”的时代比较晚，大约在公元前1600年，上面有太阳、新月和32颗星（可能包括昴宿星团）。考古学家梅勒把铜盘形容成“肯定是最早对宇宙的真诚描述”。这表示出土的遗址“功能必定……就像天文观测站，跟英国的巨石阵一样”。

除了西欧和北欧外，其他地方的人也对天际的节奏很有兴趣。古埃及人和巴比伦人（我们会在下一章详细讨论他们的成就）利用数学和几何学的方法，发展出一套精密的天文学。在中美洲，壮观的玛雅金字塔对齐了春分和秋分的太阳位置，建造金字塔的人也发展出错综复杂的历法（也会在下一章详细讨论）。再往南走，印加人在公元1500年前就建造出太阳观测站。在北美洲的俄亥俄州和密西西比河谷也出现了巨大的土墩（很有可能用来当作防御工事或者是举办仪式的地点），看来也具备天文观测的用途。住在美国西南部沙漠地带的霍皮族印第安人用当地的环境当作历书，追踪一整年内地平线的太阳位置变化。在非洲，肯尼亚西北部有19根玄武岩柱围成的圆圈，或许也曾是天文观测的工具，到了今日，当地居民仍以这些柱子为工具在日历上记录重要的日期。中国北部发现的新石器时代墓地约出现在公元前5000年到公元前3000年，也对齐了罗盘上的主要走向。其他的例子在此先不赘述。

考古学家不断发现古代的石群和结构，代表人类对天体循环的关切。2007年，在秘鲁沿岸沙滩工作的考古小队，宣布他们发现了有可能是最古老的美洲天文学遗址：这里有连续13座石群，叫作“堪基佑塔”，建造时间约为公元前13世纪，主体沿着一道低矮的山脊南北纵向延伸，整个遗址长度超过300米。考古学家相信这些塔是用来当作观察太阳的地平线标记。在主轴的东边和西边，他们发现几座礼堂的遗迹；考古学家相信这些建筑物就是以前的观测站。从两个有可能曾是观测点的地方来看，沿着南北分布的塔正好符合一年内太阳起落位置的范围。在冬至（和夏至）的时候，太阳会从最北边（或最南边）的塔上升起和落下；在其他时候，可以用塔来追踪太阳的位置，误差不会超过两天。

新石器时代的看法

所有有关史前人类及其宇宙观的主张，都不免会引起争议。但很清楚的是，到了新石器时代晚期，生理上已经演化为现代人的人类遍布全球，他们打猎、农耕和照顾作物；夜晚的天空和有节奏地循环的天象也吸引了他们的注意力。空中的时计唤醒了内心深处的某些东西。

我们当然无法确切明白石器时代建造石群的人心里在想什么。每一位考古学家一定都幻想过利用时光机回到巨石阵正在建造的时刻（或许你会很想靠近建造工人，问他们一长串问题，不过躲在远处的树丛后观看建造过程不容易破坏时空连续性，你可以带着望远镜和笔记本）。但我们现在只能接受巨石阵和其他新石器时代留下来的石群告诉我们的信息。

再回到纽格兰治，图菲常常在想这些事情。她忍不住一直思量，当建造石群的工人费力搬运石头和雕刻那些神秘的图案时，心里到底在想什么。她说，最合理的猜测应该也跟现在的差不多。她也承认，我们无法克制想要从石头上读出建造工人可能有也可能没有的动机。图菲在遗址工作了20年，耳中听到的游客个人体验通常都反映出在流行文化中随着时间不断变化的宇宙观。在20世纪70年代，冯丹尼肯的书《诸神的战车》问世后，游客有时候会告诉她，土墩看起来很像宇宙飞船。（纽格兰治由外星人建造的说法很令图菲困扰，她哀叹：“居然把功劳归于来自外层空间的生物。”）在20世纪80年代，环保运动开展后，大家开始追寻“大地的能量”，强调要和“大地之母”和谐共存。图菲说，到了今日，很多游客会想到灵性，渴望宇宙共通的信仰，“在众人放弃既有信仰的世界中，分支愈来愈多，大家就想回到这些地方寻找答案”。

我们再看一眼墓室后方石头上的螺旋图案。考古学家认为这些印记象征太阳──这个想法也算有理，正好符合这里对齐冬至日出的设计。但图菲要问，这种象征对建造纽格兰治的人来说究竟有什么意义？她说：“我们跟他们的天性不一样。太阳对五千年前的人有什么意义？那是一道我们永远无法跨过的鸿沟。”

走出洞穴时，清晨的阳光让我们两人都眯起了眼睛。

“就算我们能搭上古老的时光机，冲回公元前3100年，”图菲思忖，“我也不太确定我们能否找出适当的沟通方式来了解他们，从他们的角度看世界。”

注解：

[1] 　早期人类和相关物种的分类正在改变。在本书中我用“人科动物”（hominid）代表人类家族中的所有成员，包括智人和他们已经绝种、用双腿行走的近亲。大致上来说，所有曾经直立行走的灵长类，最早出现在四百万年前。有些人类学家现在用“人科动物”这个术语来涵盖所有的大猿（事实上这就是新的技术性定义），并刻意用hominan这个术语代表人与类人的物种。为了化繁为简，本书采用“人科动物”比较传统的定义，这也是大众传媒继续使用的说法。（我认识的一位人类学家坦承，新的定义令她“悲伤不已”。）

[2] 　“旧石器时代”和“新石器时代”等文化时期没有绝对的年份；在不同的地理区域开始和结束的时候都不一样。上面提到的日期指欧洲的新石器时代晚期。

[3] 　根据参考资料，有件事很有趣，现代的德鲁伊（塞尔特族的宗教教派）认为遗址是他们的，但巨石阵早在塞尔特族入侵前就已经建造完成。德鲁伊或许曾用过这个地方，但巨石阵绝对不是德鲁伊盖好的。

[4] 　和太阳相比，月球升起和降落最北的位置更偏北边一点，升起和降落最南的位置则更向南偏，日月北边位置的差距跟南边的一样。

第二章
突然损失了十一天

历书改革了，1582年10月4日的第二天变成了10月15日。有些人很痛苦，突然觉得“少了”10天，商人和银行也发愁不知道怎么计算利率。英国在1752年9月2日也采用了新历法，因此第二天变成了9月14日，老百姓很不高兴“损失”了日子，伦敦和布里斯托都发生暴动，抗议者嘶吼：“把11天还给我们。”

凡事都有定期，天下万物都有定时。

——《圣经·传道书》第三章第一节

每年到了秋天（或几乎每年秋天），满肚子经典笑话的脱口秀主持人戴维·赖特曼就会找个合乎时节的笑话，说出如下的至理名言：“好，那就祝犹太人朋友新年快乐。今天是犹太新年，也是犹太历5768年的开始”──这是2008年版的笑话，“喂，你跟我一样吗？支票上还继续写5767年？”（提示鼓手连续敲鼓边，乐队领班谢弗也纵声大笑。）当然，住在耶路撒冷的正宗犹太人也一样，没有人会在支票上写5767年或5768年。相反，从美国西雅图到新加坡，起码在日常事务上，所有人都用格里历，也就是阳历，这项伟大的发明结合了巴比伦人和埃及人的想法，经过罗马人修改，由16世纪的教宗和一群快要被遗忘的天文学家和数学家琢磨成现代的模样。在人类开化的历史中，格里历也包含在最成功的构想之列（道金斯或许会称之为成功的“弥因”：在一段时间内传播出去的一组文化信息）。

人类发明的计时系统不止格里历一种，我们下面也会提到，（在一定程度上）历书甚至没那么准确。但历书的由来也值得注意，这项成就经过了好几个世纪才成形，甚至可以说花了好几千年。在前一章我们看到夜空中有规律的活动抓住了远古人类的注意力，他们还想办法记录了下来。在伟大的古老文明开始前，这种有系统的观察变成虚拟产业；每种文化都根据他们的天象观察以及自己的特殊需要和优先级，发展出涵盖整年时间的历法。现今最盛行的是基督教使用的格里历，它利用了许多不同文化的概念。每种文化对天体的意义都有独特的看法，在追踪天体移动时，解决问题也有独特的方法。在这一章，我们会探讨历代想要成为历匠的人要面临的挑战，以及他们因为想要驯服日月星辰所展现出来的无数活动。

正如前文所述，早在旧石器时代，人类就开始追踪天体的活动。但在最早的文明（特色就是复杂、以农业为基础的都会聚落，具备成熟的书写系统）出现后，我们才能确定人类会记录日子、月份和年份。然而，月球运行周期的日数和每年的月球运行周期数目都不是好记的概数（的确，甚至不是整数），所以要明白天体循环的意义并不容易。前面已经提过，太阴月的长度约为29.5天（实际上是29.5306天），太阳年（也称为“回归”年，指太阳回归黄道）约长365.24天（实际上是365.2422）。大家都知道，这些周期彼此不一致：早在公元前5世纪，在希腊诗人阿里斯多芬尼斯的剧作《云》中，月亮就抱怨日子不肯配合她的阴晴圆缺。

不一致的周期

用太阴月的天数除一整年的天数，结果又带有小数点，超过12但不到13；实际数字接近12.3683。过去几千年来，有许多不同的文明试过种种妙计，想要调和这些不一致的周期。有些把月份天数四舍五入变成30天，古代的苏美人就采取这个做法；每个月都是30天的话，一年12个月就有360天，只比真正的太阳年（大约）少5天。其他人则用比较精确的太阴月长度，然后假设一年正好有12个月：结果一年只有354天，比真正的太阳年（大约）少了11天。用这种历法的话，每年的新年都会比前一年的早11天。过16年，夏至的庆祝活动就会变成庆祝冬至。

利用月相记录月份，但又想调和月份和季节循环的历法叫作太阴太阳历。巴比伦人就采用这种系统。在西方的天空看到新月，就表示新的月份开始了，伊斯兰教国家至今仍遵行这种做法（注意到了吗？很多伊斯兰教国家的国旗上都有新月的图案）。为了让月份和太阳年齐步并行，在巴比伦人使用的周期中，7年有13个月，12年只有12个月，两种互相交替。总和共有19年，称为“默冬周期”，以公元前5世纪希腊雅典的天文学家默冬的名字来命名。（默冬发现235个太阴月加起来的总天数就跟19个太阳年一样；根据这个周期的历法，隔219年才会跟真正的太阳年相差1天 [1] 。）

从公元前2000年开始，巴比伦历就加入了额外的月份（闰月），不是跟着第6个月（以禄月），就是跟着第12个月（亚达月）。历史上载明，公元前19世纪，国王汉谟拉比下令要调整月份：

此年要额外加1个月。即将来到的月份应该指明为以禄月的第2个月，巴比伦人要在提斯利月的第24日缴纳的年度税金，现在应该在以禄月后的第2个月第24日缴纳。

犹太历几乎完全仿效巴比伦历。（这两种文化的交互影响可以追溯到公元前6世纪，当时由尼布甲尼撒二世统治的巴比伦征服了耶路撒冷；接下来的70多年，犹太人都在外流亡。）犹太历跟巴比伦历一样，以19年的默冬周期为基础，结合12个月和13个月的年份。周期中某些月份的长度也可能出现变化，所以“正常”年份可能有353、354或355天，而闰年（包含额外的月份）则可能有383、384或385天（这就是为什么光明节等犹太节日的日期在格里历上看来变化多端的原因）。

河流的节奏

古埃及人最关心的问题跟巴比伦人不一样：在埃及的一年中，最重要的事件就是每年夏末尼罗河的泛滥。洪水让沙漠充满生机；河流就是埃及文明的焦点。难怪希腊历史学家希罗多德在描述公元前5世纪的埃及地理时也提到“尼罗河的礼物”。埃及人会细心追踪天空中最亮的天狼星（他们认为天狼星是人头蛇身神索提斯的化身）来预测每年的洪水。每年春天，天狼星会被太阳的闪焰盖住，消失几个星期，埃及人认为这表示蛇神到阴间一游。当黎明来到前，天狼星首度重现在天空中（现代的天文学行话称之为“偕日升”），新年即将到来；天狼星再度现身，表示尼罗河马上就要泛滥。当地最壮观的纪念碑都反映了天狼星在埃及天文学中的重要性，包括吉萨的基奥普斯大金字塔。考古学家相信通往中心墓室的狭窄走道对齐了天狼星在空中行进的路径。（至少有一个英文口语用法跟这种历法传说有关：天狼星又称“天狗星”，出现后表示“疯狗溽暑”的日子即将到来。）

埃及人最关心每年的洪水泛滥，因此在历法上弃阴采阳。他们也分月份，一年有12个月，每个月有30天；但他们的月份和月亮的阴晴圆缺毫无关联。如此一来，一年只有360天，因此埃及人在年末加了5天，进行宗教庆祝仪式。这样一年就有365天，只比真正的太阳年少了1/4天。值得玩味的是，埃及人很早就发现其中细微的差别；他们发现1年加1/4天（或每4年加1天），历书和真正的太阳年就只差几分钟。但负责历书系统的祭司过了好几个世纪才采纳这样的变化。到了公元前238年，埃及国王托勒密三世要求采用闰年系统。（当时埃及由古希腊人统治，托勒密三世──和这位国王同名的希腊天文学家托勒密是好几个世纪后的人──或许从来自萨摩斯的知名希腊天文学家和数学家阿利斯塔克那里得到相关建议，阿利斯塔克跟1800年后的哥白尼持同样意见，认为太阳是宇宙的中心。）然而，又过了两个世纪，埃及历法才采纳闰年系统。罗马人征服了埃及后强制加入闰年；奥古斯都大帝命令埃及人使用闰年，让埃及的历法跟罗马使用的儒略历一致。

恺撒的历法

罗马人跟早期的埃及人一样，一开始使用一年12个太阴月的历法，不时加入额外的日数或月份，以便跟上四季的脚步。这套系统称不上完美：作家邓肯解释，除了不受重视，也有政治操作。他的文章提到，负责历书的教士“有时候会增加一年的长度，他们偏袒的执政官和议员得以延长任期，或者缩短一年的天数，让对手早点下台”。他们也用历书“增加或减少税金和租金，有时候是为了个人的财务利益”。在恺撒上台之前，罗马历法急需改革。希腊的历史学家普鲁塔克指出，罗马人想要建立确凿的规则，让月份循环符合一年四季的变化，因此节庆和进行祭拜的重要日子就可以慢慢改变，最后完全脱离起初设立的目的，配合季节的流动，但当时的人不懂如何计算太阳年；只有教士知道时间，他们按照自己的心愿，不公开通知就私自加入闰月。

普鲁塔克在文中提到恺撒的改革“流露出科学独创性”，因为恺撒大帝“召集了当代最杰出的哲学家和数学家提出定案”，最后他们采用“更精确的新方法来修正历法”。新系统上路后，罗马的成功“超越其他各国，能够避免不平衡的周期惹出的错误”。恺撒改革的核心想法和两百年前托勒密三世提议的一样：每4年增加1天。4年中的3年有365天，第4年则有366天（1年的平均长度就是365.25天）。儒略历一年的月份有的有30天，有的有31天（起始都和月相没有关系），奇怪的只有2月（平年有28天，闰年有29天）。为了修正累积到当时的“游移”，恺撒下令在我们所谓的公元前46年另外加两个月；那一年长达450天。他称之为“终结混乱的一年”。

对罗马的精英人士来说，改革后的新历法不只是学术研究。邓肯说历法也“注入新的精神，改变群众对时间的想法”。在恺撒改革前，时间在众人心目中就是自然活动不断复发的循环，或者是权力的手段。现在人人都有历法这样实用客观的工具来安排运输行程、种植作物、祭拜神明、规划婚礼和寄信给朋友……新的儒略历引进了新观念，人类不依赖月亮、季节和神祇，按照线性发展安排自己的生活。

比较“线性发展”和其他文化的时间概念非常有趣。在恺撒统治下的罗马所出现的时间观念似乎是西方独有的，把时间看成量尺上的刻度；很像现在我们在看手表或在行事历上写下约会时脑海中会浮现的景象。这个概念很深奥，我们会在后面的章节中继续讨论。

大概从这个时候开始，罗马人开始把新年标在1月，取代之前的3月，或许想让这个日期更靠近冬至。为了对恺撒表示敬意，元老院最后把第七个月（旧系统的第五个月，叫作昆提留斯）的名字改成尤利乌斯（恺撒的名字，英文的July）。奥古斯都大帝之后乱改了月份长度：如果代表恺撒的7月要有31天，那么代表他的8月也应该一样。结果虽未改变一年的天数，但到了今日，月份长度的分布看起来就有些随意。

过了几个世纪，罗马帝国采用基督教为国教，名叫艾克西古斯（外号“矮子丹尼斯”，约470—544年）的僧侣改变了历书的起点，将基督出生后的年份标记为公元（缩写是A.D.，拉丁文中“真主的年”之意）。当然，艾克西古斯只能估算基督诞生的年份；现代历史学家推算出基督出生的年份应该是公元前4年或前5年。艾克西古斯也没想到要包括公元零年（当时西方人还没有零的概念），因此公元前一年之后就立刻是公元一年。（顺带一提，公元前的英文缩写B.C.代表“在基督前”，到了17世纪初期才有人采纳。另外也要注意，A.D.是拉丁文的缩写，但B.C.却是英文的缩写，当B.C.广为使用时，受过教育的人多半也用英文取代拉丁文成为日常语言。）

我们上面说过罗马人最后如何把新年移到1月1日，之后西方世界也逐渐接受这个做法（但花了很长一段时间，英国及其殖民地到了1752年才采用1月1日作为新年）。但何时要庆祝新年的做法终究十分多变。很多文化选择把春季当成一年的开始，因为春天象征重生和复苏。在南美洲，很多原生文化跟埃及人一样使用恒星的偕日升，但不像埃及人那么看重天狼星，他们的焦点是昴宿星团（在多种土话中，“年份”和“昴宿星团”是同一个词）。当地目前留存下来的古迹彰显出昴宿星团的主要作用，印加文化的遗址尤为明显。比方说，在秘鲁的马丘比丘，一座叫作托雷翁的椭圆形石造建筑上的窗户对齐了地平线昴宿星团升起的位置。（最近在亚克达巴塔发现的印加城市算是马丘比丘的“郊区”，中间隔着乌鲁斑巴河，这里的建筑物也有同样的对齐设计；庙宇和观测站也对齐夏至、冬至、春分和秋分时太阳升起的位置，有些也对齐昴宿星团。）

要注意的是，历书上决定新年开始的信号不需要和天象有关。西太平洋上的特洛布瑞安岛民在沙蚕开始产卵的“蠕虫日”开始新的一年，通常介于10月中到11月中。

用月亮计时

从新月出现到下一次新月之间的日子称为太阴月，或许比一年四季的变化更容易引人注意；我们在前一章看到月亮的盈缺或许早在旧石器时代就让人留下了类似历书的刻痕。至少观察月球周期的开始（或结束）还算简单。例如信奉伊斯兰教的某些文化就完全用月亮规划历法。为了严格遵守每日祷告的规定，伊斯兰教徒需要正确计时，因此在中世纪时，伊斯兰教国家的天文学就非常发达。公元年份即将满一千年时，伊斯兰教科学家已经制作出星盘等完美的天文仪器，也在中东各地建造了精良的观测站。伊斯兰教世界目前留存下来最老的观测站位于伊朗北部马拉盖，在公元13世纪建造完成，最近才刚修复。伊斯兰教年份完全按月球的运转来确定，包含12个周期；长29天和30天的“月份”彼此交错。“年”只有354天，比太阳年少了约11天。因此，伊斯兰教历的一年和所有的伊斯兰教假期都跟着季节变换。但是阿拉伯学者已经察觉太阳年的实际长度。学者兼诗人欧玛尔·海亚姆（约1048—1131年）算出太阳年的长度为365.24219858156天；这个数字很正确，一年大约有365.2422天。但邓肯也指出，欧玛尔·海亚姆的计算“过度准确”，因为地球旋转其实不规则（表示额外的小数点位数其实没有实用价值）。欧玛尔·海亚姆也拟定一套历法，每33年有8个闰年，虽然有点不好用，却比格里历更精确。在讨论历法和古文明时，一定要特别提到中美洲玛雅人的成就。在追寻最精确的计时方法时（或许可用沉迷来描述），玛雅人的大周期内还有小周期：除了注意到（大约）365天的四季循环，他们还有一个比较短的360天周期，称为“盾”，还有跟金星运行有关的周期，长达584天；他们认为金星代表冲突。玛雅人在记录时间时用了一个更基本的概念，也就是长260天的“神圣循环”。玛雅人为何这么喜欢这个数字我们无从得知详细的理由，但艾文尼猜测，这个数字和大自然中的许多循环彼此协调。艾文尼指出，在傍晚或清晨的天空能看到金星的日子，平均约有260天（实际上是263天），这个数字很接近人类的平均孕期（253天），此外也是墨西哥许多区域农耕季节的平均长度。由于这些因素，艾文尼说：“260天在玛雅世界中就是黄金循环，凝聚众神的力量，这些神祇掌管时间、太阳、地球、月球、繁殖力和雨水。”260这个数字可以当成“玛雅的神圣时间公分母”。

玛雅历上的太阳年长度为365.2420天，比我们用的更接近标准，和实际值365.2422只差了一点（格里历的值为365.2425）。看到欧玛尔·海亚姆计算出的年份长度，我们很想说玛雅历比公历更“准确”，但因着某些不可捉摸的因素，我们应该避免提出这种主张。第一个因素是，地球的转速几千年来都不稳定；这一点我们会在下一章详细讨论。此外，历法发展不只是估算太阳年的长度，设计格里历的学者也希望每年春分的日子都能固定下来 [2] 。天文学家和作家斯第尔指出，我们用的公历在这方面就比玛雅历优越，但他也承认比较两种历法就像“比较苹果和柳橙”。

对玛雅人而言，历法和周期让人在心理上能够超脱时间的混沌，一窥向往的永恒。想要任意窥探古往今来，要从盾开始，乘以20就可以扩展：20盾称为“卡盾”（7200天，接近20年）；20卡盾称为“伯克盾”（14.4万天，超过394年）；到了“亚拉盾”，已经接近6.3万年了。

玛雅人和“有生命的时间”

然而，玛雅人和西方人在时间概念上最明显的差别并非计数系统的变化，而是两方对时间本质的想象。西方人认为时间没有生命：时间似乎以固定的速率消逝，不在意人类或机器。我们不能推动时间前进，也不能让时间慢下来。然而，玛雅人觉得时间有生命；不论是男是女，都与时间的流逝有密切的关系。玛雅的统治者要负责保持时间的和谐，在众人眼中，他们体现了时间的真正本质。在哈佛大学任教的斯图尔特写道，该角色“对神圣王权的宇宙论基础十分重要”，在玛雅世界中，“很明确地指出君王代表宇宙的时间机制”。

艾文尼在文章中提到，玛雅人对人间与天上的事件发生的时机，有一股“持续的狂热”，甚至无法察觉到两者之间的区隔：

玛雅人本质上是宿命论者。他们观测和记录苍穹中发生过的活动，努力从中找出一些能够重复的型态，作为预测未来的指引。玛雅人向来相信从过去就能看到未来，他们觉得这些型态充分证明了这种信念；事实上只要反省曾经发生过的事，就能预言即将发生的事，和未来会发生的事。

“德勒斯敦抄本”是玛雅文化留存下来的工艺品中最有名的，透露出玛雅人想要驾驭无穷尽天际循环的渴望（此抄本于12世纪写成，大约过了七百年在德国的德勒斯敦被人重新发现，故此命名）。抄本包含了﻿11 968天内205个月球周期的记录。以数字20为基础发展出数学公式（跟我们的十进制系统不一样），抄本可用来预测日食和月食；能够预言这样的事情，当然能让统治阶级在他人心目中更有权威。

玛雅人的宿命论甚至也反映在命名日期的方式上。玛雅历上20个有名字的日期实质上已被奉为神明，据说有不同的个性；某些日子适合做某些事，有些事做了则会触霉头。父母期待在特定日子出生的小孩人格特质可能受到当天的日期代表的神明影响。在哈佛大学毕巴帝博物馆负责管理玛雅收藏物的斯图尔特说，玛雅人认为每一天“都有自己的生命”。

由于时间有生命，也会响应人类的活动。事实上，让时间循序渐进要靠集体的努力；每个人都要贡献心力。然而，最重大的责任仍落在君王身上。得到神授的君权后，他就是时间的化身，也必须用时间来维护社会、政治和宇宙的规律。

毕巴帝博物馆有一项展品非常引人注目，体现出君王的时间责任；最近一次到哈佛参观时，斯图尔特教授就带我来看这块来自洪都拉斯玛雅城市科潘的祭坛，博物馆里放了这块石头遗迹的石膏模。方形石碑上刻了16个玛雅王的形象，每边四个，横跨将近四百年的历史。石碑上的雕刻按照时间排序，所以第16个玛雅王和第一个面对面。最老的玛雅王把类似火焰的东西传给新王。

“石碑其实是这人下令建造的，”斯图尔特告诉我，指向最后一位排名16的君王，“当时玛雅由他统治，他叫作雅克斯潘。”旁边的雕像标出他继位的时间，纪念开国君王象征性的传位。

雅克斯潘的确是最后一位国王，他退位后不久政权就瓦解了。或许是因为当时（公元8世纪）的科潘纷乱不已，发生了旱灾、饥荒和战争。但斯图尔特却忍不住怀疑历法也是纷乱的原因：在雅克斯潘统治玛雅时，历时394年的伯克盾接近尾声。斯图尔特猜测，科潘的历史终止于这位国王，有可能是“因为历史真的会回到原点。后续的君王应该很难找到方法让自己真正融入这种宇宙论的体制”。他说，科潘的玛雅人“可能觉得这时候该做出改变了”。

古怪的周期：一周

我们讨论过一天、一个月和一年，天体的运行清楚地描述出这些概念。相反，一周似乎跟自然的关系没那么密切。现代的一周除了规定严格，也不像一个月或一年那么容易预测。现在（格里历上的）一年不是365天，就是366天，一个月的长度少则28天，多则31天，每周固定7天的制度似乎太僵化。然而，1月1日就是新年份和新月份的开始（有时候也揭开新的十年、世纪或千禧年的序幕），这个日子7次中总有6次很随意地落在一周的中间。

一周的起源比其他历法单位更加模糊。有可能一开始时有人想把一个月粗略地分成四等份：新月、上弦月、满月、下弦月；但技术上一周就不止7天了（29.53天除以4等于7.83天）。天象上还有另一个理由让数字7脱颖而出：在古时候，天上“徘徊的星体”包括太阳、月亮和五颗行星（水星、金星、火星、木星和土星），总共有七大天体。一周7天或许源自巴比伦人，他们认为七天的每一天都和行星代表的神祇有关。

一周的概念也和安息日密不可分；在希伯来圣经的第一本书《创世记》中，就很清楚地提到这个休息的特殊日子。安息日的原文Sabbath似乎来自巴比伦语言中的sabattu，这是一个和月神伊斯塔有关的邪恶日子。但巴比伦人看起来的确认为到了第7天就有特殊的意义，巴比伦语中的另一个字sibitu就表示“第7个”的意思。学者多半同意一周7天、有一天要休息的想法来自犹太人，巴比伦人俘虏大批犹太人后也采用这个做法，但是有些许变化。

其他的宗教大多数也跟巴比伦人一样，认定一周7天各由不同的神祇掌管。到了现在，我们可用一周7天的名字追溯到神祇的撒克逊名字。从对等的拉丁文可以清楚看出每天要敬拜的神：拉丁文Dies Solis是撒克逊人的太阳日，后来变成我们的星期日；Dies Lunae是月亮日，也就是星期一；Dies Martis是撒克逊人的战神日（火星，星期二）；Dies Mercurii为沃登神日（水星，星期三）；Dies Jovis为雷神日（木星，星期四）；Dies Veneris为爱神日（金星，星期五）；Dies Saturni为农神日（土星，星期六）。我们一定会想，在德国和维京神话中掌管诗歌的沃登神在西方历法中如果没有因“驼峰日”而永恒不朽，就不会像现在这样一天到晚出现在日常对话中了。

但为什么星期几会有特定的顺序呢？它们并非按行星的亮度排列的：如果真的按亮度，木星和土星应该排在火星和水星前面。它们也不是按一段时间内行星相对于背景恒星移动的速率排列的──这是天文学家所谓的“恒星周期”（恒星周期从最长到最短的次序为土星、木星、火星、太阳、金星、水星、月球）。它们也并非根据行星在空中与太阳成一直线的速率排列的（所谓的“朔望周期”，依序为火星、金星、木星、土星、水星、月球；太阳的朔望周期则无法确定）。历史学家大多认为答案牵涉星期几和几点钟。古代的天文学家把一天分成24小时的时候，每个小时都和特定的天体有关，他们相信某个天体“掌管”某个小时。移动最慢的土星据信最有力量，天文学家也认为土星控制第一天（在古代是星期六）的第1个小时。然后，根据恒星周期，木星则和第一天的第2个小时有关，火星则掌管第3个小时，依此类推。把月亮和第7个小时配对后，我们又回到掌管第8个小时、第15个小时和第22个小时（每隔7个小时）的土星。火星掌管第一天的第24个小时，所以太阳要负责掌管第二天（星期天）的第1个小时。按照这样的顺序轮流排列七大天体和每天的24个小时，我们就会得出现代一周7天的顺序。最后（或许在古罗马时代），一周的循环和一年或一个月脱离关系，星期天也取代星期六成为一周的开始。

制定一周7天结构的因素不仅包含天体。7天的间隔对做生意也很方便，农民和商人可以到市集买卖货物。不过并非全世界的市场都7天开一次：有些非洲部落每5天开一次市，南美洲的印加人则间隔8天，古代的中国人每10天上一次市集。法国大革命后，法国人在1792年想要改制为一周10天，结果并未成功。古罗马人原本每隔8天开一次市，在公元321年，君士坦丁大帝规定一周有7天，从星期天开始。（作家斯蒂尔开玩笑说，披头士的歌曲《一周八天》或许诉求的对象就是君士坦丁大帝前那个时代的罗马女孩。）

恺撒的历法虽然是重大的成就，却有严重的缺陷。平均一年有365.24天，比真正的太阳年少了11分钟。尤格·邦孔帕尼（1502—1585年）原本是律师兼政治家，受封为教宗格里高利十三世时，儒略历和真正太阳年的差异已经有整整10天。儒略历的一年按照季节改变，所有的节日和宗教庆典都跟着变化。如果再不改革，复活节最后就会落在夏季。

复活节的问题

在讨论格里高利的解决方法前，我们应该先来看看复活节这个日子，这是基督徒一年当中最重要的节日。基督徒在复活节庆祝耶稣复活，他们相信耶稣死在十字架上三天后会复活（历史学家现在认为耶稣大约殁于公元27—33年之间）。这个节日和犹太人的逾越节有很密切的关系：根据新约圣经中的描述，耶稣在受死前与门徒共进的“最后的晚餐”应该就是逾越节的筵席。到了公元2世纪，基督徒才开始庆祝复活节；毫无疑问，这个节日应该源自更古老的非基督教节日，为的是庆祝春天的来临（复活节的英文Easter来自挪威语中的春神：Eostre）。然而，不同的宗派也在不同的日期庆祝复活节。有些团体遵循犹太历，在犹太人庆祝逾越节（犹太历的七月十四日）时庆祝复活节，没有固定的日期。其他的基督教团体则喜欢固定在一周内的某一天，连接这一天之后的星期日就是复活节。

固定日期的做法最后变得比较普遍：基督徒决定把钉十字架的受难日定在星期五，然后在下一个星期日庆祝耶稣复活。但选哪一个星期日呢？最简单的方法就是选择逾越节后的第一个星期日，但当时的人考虑到几个原因，就放弃了这个想法。其中一个原因和犹太历的本质有关，逾越节的日期涵盖范围很广。通常逾越节应该落在“春季的第一次月圆时”，但这种说法过度简化了事实。因为犹太历在闰年时会用到闰月，而不像儒略历只是单单加一天，如果以儒略历（之后则是格里历）为比较基准，每年逾越节的日期都有很大的变化。在有13个月、比较长的年份，逾越节可能落在春分后整整一个月（2008年就是这样）。基督教会希望复活节跟春分的差距不要超过一个月。

还有其他的因素要考虑：基督徒希望能跟犹太人有所区隔，也不希望他们最神圣的节日跟犹太节庆关系过于紧密。斯蒂尔在文章中提道，基督徒“发明了和犹太人唱反调的理由”。在第一个千禧年中期的那几个世纪，教会领袖想出了好几个方法来计算复活节的日期，所有的方法都经过人为操控，复活节和逾越节永远不可能是同一天。

公元235年，基督教会的领袖在今日土耳其西北部的尼西亚聚会时，复活节的争议也是一个大家热烈讨论的话题。（君士坦丁大帝亲自主持会议。虽然他一直等到临死前才受洗，但一直以来都十分支持愈来愈兴旺的基督教。）与会者包括三百多名神职人员和学者。他们到底对复活节做出了什么结论，我们不得而知，原始的记录已经失传了，但与会者一定曾敦促所有的基督教国家在同一天庆祝复活节。即便如此，争议从未消失，有些团体仰赖埃及学者的忠告来选择适当的日期，有些则继续使用犹太历。

最后，信奉基督教的当权者决定避免采用天文学的方法，使用模拟日月星辰实际活动的数学模型。一旦建立起正确的模型，就可以轻松计算出复活节的日期，不需要咨询埃及亚历山大港的天文学家或耶路撒冷的祭司。到了某个时间点（应该在尼西亚聚会结束后），大家决议在“复活节月圆日”过了14天后的第一个星期天庆祝复活节；复活节月圆日指第14天落在春分后的第一个太阴月（别忘了阴历月份从新月开始）。听了一头雾水吗？或许不重要，但这个算法大致上（但不确切）就等于春分后第一次月圆后的第一个星期日。（要注意的是，如果月圆日正好也是星期日，复活节就要顺延到下一个星期日。）这些相当迂回的规则至少达到了一个目标：复活节绝对不会跟逾越节落在同一天。尽管如此，不同的教会仍在不同的日子庆祝复活节。其中的一个理由是亚历山大港和罗马的两位教宗不同意对方判断出来的春分日期，因此计算出来的复活节日期也不一样。

顺便要提一下的是，众人对天主教会和科学的关系常有误解，复活节引起的诸多争议正好阐明了最严重的一项。在伽利略遭教会指控为异端后，我们常认为教会对科学探索充满敌意。但在中世纪（还有现代），为了解决复活节的纠纷，教会事实上非常积极地支持精确天文学和计时。事实上，分布在罗马、米兰、佛罗伦萨和波隆那等地的几十所大小教堂也是天文观测站；很多教堂在墙上或天花板上都特地开孔，好让一束阳光在地板上投射出南北走向的“子午线”。用这些方法留下的测量结果就可以拿来计算冬至、夏至和春分、秋分的日期，也有助于计算复活节的日期。

修士艾克西古斯踏出了重要的下一步。在公元6世纪时，他研拟出一套表格，可以计算未来几十年甚至几个世纪的复活节日期。艾克西古斯的表格可以用好几个世纪，可惜有缺陷。首先，他采用的月球周期长度稍微偏离了正确的数值。但第二点更重要，他用来计算的年份长度取自儒略历，比真正的太阳年短，到了教皇格里高利上任时，累积的偏差已经超过一个星期了。

格里高利解决了问题

在16世纪70年代中期，教皇格里高利十三世召集了历书委员会来解决这个问题。委员会成员包括物理学家利尤斯（约为1510—1576年）、耶稣会天文学家克拉维尔斯（1538—1612年，对数学有独到的洞察，所以历史学家称他为“16世纪的欧几里得”）和其他几位名气不太响亮的专家。委员会成员努力解读他们的图表和表格，想推理出一年的真正长度，特别是想要结合平年和闰年来算出平均的天数。找到胜出公式的人是利尤斯博士。他发觉儒略历每134年就会少1天，或每402年会少3天。为了看起来简单明了，他建议新的历法每400年要减掉3天。在儒略历上，1500、1600和1700等整数年是闰年，因为可以用四整除。在新计划中，只有能用四百整除的整数年才是闰年（例如1600）。其他在儒略历上为闰年的整数年变成只有365天。（顺便要注意的是，在新的提案下，第一个会受到影响的年份是1700年，到了这一年，所有参与改革的人应该都已经作古，不再受限于时间。）

利尤斯很幸运，因为计划的实行非常顺利。他的计算根据1252年定下的数字，也就是所谓的“阿方索天文表”。这些表格以西班牙国王阿方索十世的名字命名，假定太阳年的长度是365天5小时49分16秒，比真正的太阳年多出约30秒。然而，利尤斯提议的改革计划所确定的年份长度比较接近标准值，为365天5小时48分20秒，比真正的太阳年少了26秒。格里历和四季比起来仍稍微“快”了一点，每3300年就会多出1天。

委员会也绞尽脑汁要定下复活节的日期，纷扰了几个世纪的难题终于得到了解答。但对外行人来说，他们用来计算日期的解决方法似乎更复杂。他们仍用数学模型仿真月球的移动，以长19年的默冬周期为基础，也根据“黄金数字”和“岁首月龄”等复杂的结构进行计算，还好我们不必在这里讨论这些概念。尽管用了这么多晦涩的数学算法，复活节的日期仍然很接近“春季第一次月圆后的第一个星期日”。基督徒仍使用阴阳历，跟随季节的脚步，但也按月亮的阴晴圆缺来庆祝某些节日，复活节就是一个例子。

教宗格里高利十三世召集委员会进行历法改革，约为1582年

利尤斯和委员会的建议说服了教宗格里高利，1578年1月5日，他颁布了20页的概要来说明改革的计划。概要中宣布跟15世纪前恺撒的做法一样，1月1日就是新年的开始。最后在1582年2月24日颁布的教宗训谕中明令要执行改革。

改革命令要从历书中删掉10天，以此弥补许多世纪来使用儒略历而流失的日子。因此1582年10月4日的第二天变成10月15日。有些人很痛苦，觉得“少了”10天。商人也发愁，不知道如何计算利润和损失，银行也搞不清楚怎么计算利率。

大多数天主教国家立刻奉行。意大利、西班牙和葡萄牙马上采用格里历，法国和比利时过了几个月也加入，德国和瑞士信奉天主教的区域则在一两年内就转成格里历。信奉新教的国家，包括德国境内属于新教的行政区，都反对改革计划。邓肯的文章提到，一名充满怨恨的神学家说教皇格里高利是“反对基督的罗马人”，驳斥他的历法是“特洛伊木马，设计用来欺瞒真正的基督徒，在错误的宗教节日敬拜神”。过了几十年，愈来愈多的国家和人民接纳改革的做法，反抗也愈来愈无效。到了1700年，德国大部分地区和丹麦遵从新历法。1753年，烦扰良久的瑞典也加入了。

“把11天还给我们！”

英格兰的问题最多，信奉新教的女王（伊丽莎白一世）周围一直有信奉天主教的人士鼓噪不已，不过她最信任的顾问约翰·迪（1527—1608年）却劝她实行和改革计划稍有不同的做法。最后，又过了170年，英格兰（那时已经变成大不列颠王国）才采用格里历。已经退休的政治家、曾担任过大臣的斯坦霍普（1694—1773年，封号是切斯特菲尔德伯爵）拟定了一项法案，并在国会宣读。法案通过了，1751年5月22日由英王乔治二世签署（邓肯指出，斯坦霍普承认他自己“不了解”法案背后争论的细节）。

为了追上格里历，英国和殖民地必须减掉11天；天主教国家在教皇格里高利改革时加了10天，另外还有一天则是因为这些国家把1700年标成闰年，而英国仍采用儒略历，这一年就不是闰年。因此，1752年9月2日过后，就变成9月14日。从那时候起，新年的开始也从3月25日改成1月1日。同样，老百姓很不高兴“损失”了日子，伦敦和布里斯托都发生暴动，抗议者嘶吼：“把11天还给我们！”

东正教会也拒绝改革。到了今天，东正教徒庆祝复活节的日子仍和世界各地的基督徒不一样。然而，很多东正教国家到了20世纪初，为了民事便利，也采用格里历。俄罗斯在1918年的革命后开始实行；1949年后，中国也开始采用格里历。

我们无法确定人类文明是否能够再延续一千年（正如洋基铁捕贝拉所说：“要预言很难，预测未来更难。”这话应该带有讽刺的意思），但如果到了公元31世纪，仍有人要观赏晚间脱口秀，那时候的戴维·赖特曼还可以把支票簿的老笑话再拿出来讲一次。如果那时继续用历书，我打赌还是格里历。事实上，如果格里历的寿命比赋予其生命的宗教更长久，我觉得这是理所当然。等到最后的教宗都被人遗忘了，格里历应该还在。

注解：

[1] 　跟常见的情况一样，功劳并未归给第一个想到的人；除了巴比伦人外，中国人比默冬早好几个世纪就找出了19年的周期。同样，巴比伦人早就知道“勾股弦定理”，比希腊思想家毕达哥拉斯早了一千年。

[2] 　春分代表北半球春天的开始；对南半球的居民来说，则是秋天的开始。

第三章
切割时间的人

日晷很快成为不可或缺的物品，它让人可以从容地安排一天的行程。但也并非每个人都喜欢它。“愿天神惩罚第一个发现如何切割每个钟头的人，”罗马剧作家普劳图斯在公元前2世纪呼喊，“也惩罚那个在此地建造日晷的人，他用卑劣的方法把我一整天的时间乱切乱劈成好多段！”

右边那道狭缝露出一条银练，尾端连着一个奇妙的器具……他把这器具放到我们耳旁，它像水车一样不断发出噪声，我们猜想它是一种不知名的动物或是“巨人山”所膜拜的神祇，但我们觉得后者比较有可能，因为他告诉我们……他几乎做任何事情都会先参考它的意见，他称之为“神谕”，并说这器具可以指出他生活中所有活动的时间。

——斯威夫特《格列佛游记》

麻省大道在华盛顿市中心的西北边，离市中心只有几公里远，我从这里走上另一条往下倾斜的长车道，快到尽头时我发现自己引起了一名武装警卫的注意。他从站岗的亭子快步走过来，用相当严肃的口气问我是否需要帮助。我感觉到无数的监视摄影机镜头对着我。我向警卫解释：“我跟马萨吉斯博士约好在天文台见面。”原来我走错路了。我应该走左边那条路，往山丘上走才对。看来不少要去美国海军天文台参观的访客也犯过同样的错误。第一条车道通往副总统官邸。我没有什么迫切的事务需要切尼先生帮忙，便继续往下走。（别人一定一看就知道我走错路了。切尼先生的访客应该搭乘闪亮的黑头车，而不是像我一样徒步从公车站走来。）不知道副总统和他的老板是否用过天文台的望远镜瞭望天空。林肯就来过。他说透过天文台的巨型折射望远镜，看到的月球和大角星非常美丽。

走了一小段路后，我来到位于天文台园区中心外表宏伟的行政大楼。建筑物西侧竖立着白色的望远镜圆顶；在旁边的屋顶上有个金色的“报时球”，每天中午都会下降，波多马克河上的船只就可以调整经线仪。这项服务从1845年开始，当时的人肯定更珍视报时球，不像现代到处都有数字手表、无线电报时信号和卫星定位器。

时间的工厂

过了一会儿，我和天文台报时服务部的主任马萨吉斯博士坐下聊天。他的穿着非常正式：灰色西装外套、白色衬衫、条纹领带；如果他的下巴再宽一点，就很像演员里卡尔多·蒙特尔班。马萨吉斯拥有物理博士学位，本来是天文台的无线电天文学家，后来照他的说法，“被计时的艺术诱惑”（似乎说明了为什么爱因斯坦和巨石阵的海报同时挂在他办公室的墙上）。10年前他接下部门主任的职位。

我试探性地称他为负责全美国时间的人，马萨吉斯却纠正我：他负责国防部的时间。但大体上来说，其实都一样。在很多民生应用上，时间最终都来自美国海军天文台的时钟。拿全球卫星定位系统网络来当例子。网络中的卫星要依靠一组精确定时的信号，信号在卫星上的时钟和天文台的母钟之间来回传递。如果时钟只差了十亿分之一秒（一毫微秒），系统的定位就会偏差30厘米 [1] 。“如果你想找到自己的车子，差30厘米还无所谓，”马萨吉斯说，“但差了10毫微秒或20毫微秒，（由此引起的定位）错误就会很严重，（这种错误）还会按比例扩大，这就有问题了。”他并未夸大其词。如果你要降落宇宙飞船，或要把载满乘客的七六七降落在芝加哥的俄亥俄机场，一米的距离也很重要。毫微秒亦不可小觑。

母钟可说是这里最重要的机器，但马萨吉斯说天文台总共有将近一百座钟（他说“如果日晷也算在内”，或许正好是一百）。大多数是铯原子钟：计算铯原子的振动次数来计时，在自然状态下，铯原子每秒钟的频率是9 192 631 770次循环。另外还有氢微波激射钟：运作的原理是把氢原子射入一个叫作“共振腔”的反应室里，让氢原子在里面以自己独特（且稳定）的频率振荡。激射钟的技术比铯原子钟更新，甚至更为准确。（如果你想买一个，我推荐铯原子钟。马萨吉斯说一座才6万美元。激射钟的价格比较贵，要25万美元。）

然而，最困难的工作是要让所有的钟都显示一样的时间。马萨吉斯说每座钟“对时间都有自己的意见”。彼此之间的差异可能多达数毫微秒。俗谚说：“有一只表的人知道现在几点钟。有两只表的人永远不确定。”马萨吉斯的工作内容也包括开发计算机算法，好把所有的报时结果结合成一个可以传送给母钟的信号。他说：“‘什么才是正确的算法’这个问题本身就很值得探讨。”他解释说，他们会举办研讨会，全心钻研正确的方程式组合。在我到访的时候，他正在安排第五届国际时标算法研讨会，2008年年初在西班牙举行。（我忍不住思忖，一心想着时间的科学家是否会和当地人一样，到了下午就暂停会议睡个午觉。）

马萨吉斯带我参观了美国海军天文台的时钟，这些钟散落在天文台园区内不同的建筑物中。所有的钟都装在温湿度经过控制的地窖里，温度保持在10摄氏度。铯原子钟的外表不引人注目，四四方方的米黄色盒子像计算机的硬盘，也像高级的音响扩大机。黑色的激射钟比较高，尺寸和外形都像饭店房间里的小冰箱。

天文台里的钟也分等级。马萨吉斯解释：“我们有一个母钟，还有其他的主钟，它们控制自己的测量系统，同时进行同样的工作。万一母钟出了问题，就可以派上用场。”

我不禁要问：母钟出过问题吗？

“噢，当然，”他说，“在我任职的十年内，母钟坏过两次。每次我要出远门，母钟就有问题。有一次我已经搭上飞机，准备要起飞了。还有一次我正要开车去参加我儿子的婚礼。”他向我保证，问题不严重。“仪器总会出问题。我们已经确定好应变程序。整个小组都会集合起来。”我脑海中出现了一个垂头丧气、嘟着嘴巴的“母钟”暂时卸下职务，生机盎然、充满热情的“主钟”站上舞台，担起精确报时的责任，满足全美各地的需要的场景。

我从走廊隔着玻璃观看母钟，这座钟看起来就像很普通的蓝色、黑色和灰色的电子组件堆积在一起。它的代号是NAV-18，上面有形形色色的旋钮和按键；另外有六七条连到其他机器上的同轴电缆，和好几组LED显示器，其中有两组不知道为什么读数是“零”。第三个显示器明眼人一看就知道是世界标准时间，于1972年取代格林尼治标准时间成为全球标准。

不要被母钟朴实的外表骗了：这座非凡的机器和美国海军天文台其他的时钟“对话”，持续自我修正，有效地反映出集体的报时结果。母钟的精确度非常惊人。日复一日，每天计时的精确度都在一百微微秒内（一微微秒等于一兆分之一秒）。如果在六千万年前恐龙绝种时母钟就已经存在，到现在只会比标准时间快两秒或慢两秒。我看看我的手表，跟母钟差了五十秒。看来我是该校准时间了。

计时的工具：太阳、沙子和水

数千年来，计时工具愈来愈精准，马萨吉斯的时钟集其大成。我们提到过古代观察天象的人学会了观测月相来追踪月份，记录太阳每天的起落也一定是与生俱来的本能。但要把一整天分成更小的单位就困难了，这也是人类历史到了最近才开始发展的。

太阳每天从东方升起，在南方的天空爬到天顶，然后从西方落下 [2] 。在很久以前，一定有人注意到，如果你把棍子垂直插在地上，就会在地上投下阴影，阴影的移动跟随太阳在空中的路径，日晷就此诞生。那根棍子演化成日晷的指标，叫作“日规”（gnomon），此字源自希腊文，有“展现”或“表明”的意思。最早的日晷出现在公元前第四个千禧年的中期，制造地点有可能是埃及或近东地区。

埃及人建造的日晷有大有小，大的像巨石柱，小的可以拿在手里。可以随身携带的“影子钟”约始于公元前1500年，既精巧又简单：T形装置上的横栓指向太阳时，阴影落在画了记号的垂直轴上，就能估算出当下的时间。埃及人把一天分成24个小时，这个概念或许来自巴比伦人 [3] 。埃及人用日晷来追踪白天的12个小时，另外12个小时则属于黑夜（数字12一定有特别的意义，因为一年大概就有12个月球周期）。

我们留下一天24小时的传统，但做了一个很重要的改变：埃及人的一小时长短会随季节变化；夏天的一小时比较长，因为白天比较长。我们现在用的小时则有固定的长度；因此在夏季时，白天的小时数会比冬天多。

在罗马帝国兴起前，日晷已经十分普遍，设计也很精巧。在公元前1世纪，一个名叫维特鲁威的建筑师能列出十三种不同的日晷，有的放在公共广场上，有的则放在私人的庭院里。日晷很快就成为罗马社会不可或缺的用品，让人可以安排一天的行程，就像现在用小时计划一天，小时还分成半小时和一刻钟。

并非每个人都喜欢这种做法。“愿天神惩罚第一个发现如何切割每个钟头的人，”罗马剧作家普劳图斯在公元前2世纪呼喊，“也惩罚那个在此地建造日晷的人，他用卑劣的方法把我一整天的时间乱切乱劈成好多段！”

还有其他不需要太阳的计时装置。沙钟很像现代的沙漏：可以运转一段固定的时间，之后只要倒过来，就可以再来一次。也有人用烧得很慢的蜡烛，侧边按照固定的间隔标记刻痕。

漏壶也叫水钟，是另一种古老的定时器。漏壶的构造可以很简单，一只底部有小孔、能让水定速滴出来的水桶就行了。水桶侧边的标记标明时间间隔。另外，也可以让水滴到另一个器皿内，用上面的印记计算过了几个小时。古罗马的法庭就用水钟控管双方律师可以开口说话的时间。如果观众想多听一点，他们就会大喊：“加水！”罗马人会用“失水”形容人浪费时间。

虽然古文明世界使用水钟的情况十分普遍，但最精细的装置却出现在远东地区。事实上，中国的机械水钟比欧洲最早的机械钟早了好几个世纪出现。最出名的就是宋朝官员苏颂于1077年开始制作的“水运仪象台”，只能用鬼斧神工来形容。这座非凡的机械使用流水控制巨轮以准确的速率转动。轮子上有36个水桶，按稳定的顺序装满和倒空。1090年完工时，水运仪象台几乎有十米高，装了数十个轮子、鸣钟和铜锣，放置在五层楼高的亭子里。（可惜的是，新皇帝在1094年登基时，苏颂的水运仪象台和其他会让人想起先皇的东西都被拆除，最后也遭人淡忘。几百年后，欧洲的时钟传到中国，反而变成人见人爱的“新”发明。）

这些仪器都有明显的缺点：夜间和乌云密布时，日晷就没有用了，沙钟和水钟需要持续维修，天气冷的时候水也可能结冰。

教会的时间

在中古时代的欧洲，教会最需要可靠的报时。欧洲各地建造了很多大教堂和修道院，住在里面的修士每天的活动都有相当严格的安排，其中最重要的就是按时祷告。每天的祷告从一大清早的晨祷开始，到晚上的晚祷结束（英文里的“中午”noon来自拉丁文的none，也就是午祷的意思）。到了晚上，会有一名修士保持清醒，看着水钟或沙钟。到了指定的时间，他就要负责敲钟，叫醒其他人起床晨祷（童谣《杰克修士》就提到了这个仪式）。如果那可怜的修士在当班时睡着了，那还不知道会惹上多大的麻烦呢。

13世纪时出现了解决办法。我们不知道发现的地方在哪里，也不知道要归功给谁，或许是在欧洲北部工作的工匠或铁匠，他可能听别人说中国人发明了壮观的水钟，抑或是自己的独创，总之，他莫名所以地就突破了，创造出全新的时间测量工具。

这项重要的发明叫作“擒纵器”。擒纵器这种装置可以让连续的动作规律化，比如用落锤牵动轮子旋转。擒纵器过了固定的时间，就会挡住转动的轮子，然后放开。轮子旋转的速度就会变慢，更重要的是，轮子的旋转速率就能保持不变。接下来，轮子可以配合某种机制，在特定的小时敲钟。正如历史学家布尔斯廷所说：“时钟擒纵器发出的滴答声就是时间的声音。”

日晷显示的“小时”长度四季都会变化，而机械钟上的小时长度则保持固定。现在夏天的一个小时跟冬天的一个小时一样长了。布尔斯廷说，创造出“等长的小时”是人类经验中非常伟大的改革，“人类发表宣言，脱离太阳独立，证明他能够成为自己的主人，掌管周围的环境。稍后才会看出来，在实现这样的主权时，其实人要先屈服于一项自行其是的专横机器”。可以说，计时再也不用完全依赖天体的行进。在这个阶段，日晷仍是最可靠的计时装置；时钟必须定时调整时间，有时候每天都要改，因为时钟上的时间可能不符合日晷上的“真实”时间。

这些古老的时钟因为擒纵器的规律动作，才能发出滴答声，但最早的时钟没有“指针”，只用鸣钟报时。英文里的时钟clock来自法文里的“鸣钟”cloche（德文的Glocke，中古英文的clok）；不过同一个字也可以拿来代表水钟或沙钟。同样，拉丁文中的“钟塔”（horologium）也可以用来代表所有的计时装置。

虽然我们不确定机械钟是谁发明的，也不知道正确的发明时间，但到了13世纪末的一二十年，机械钟的确已经出现了。历史记录显示为1283年，英格兰贝福逊的邓斯塔布尔修道院安装了第一座全自动、用重物驱动的时钟。在接下来的几十年内，大多数的教堂和修道院只要有经费，很有可能都安装了机械钟。

索尔兹伯里的铁钟声

埃及的金字塔以古老为特色，中国的万里长城则以绵长著名，而英国的小城市索尔兹伯里则以美景出名。在这座小城里，一排保存良好的木桁架屋伫立在中世纪的街道旁，星期二和星期四上午，广场上的市集闹哄哄的，就跟过去七百年来一模一样。口渴想来一杯啤酒的游客只要腰一弯，就可以进入地板发出吱嘎声、楼层低矮的酒吧，有典型的英国名字（如“陈年麦酒屋”“国王之首”）、纯粹的英国名字（如“马车和马匹”“假发与鹅毛笔”），或英国特有的名字（如“野味腰腿肉”）。但索尔兹伯里最吸引人的景点却是在13世纪建造的宏伟教堂和周围绿意盎然、宁静祥和的院子。作家布莱森在《哈！小不列颠》一书中宣告：“我百分之百认为索尔兹伯里大教堂是全英格兰最美丽的建筑，教堂的院子则是全英格兰最美丽的空间。”无怪乎画家康斯特布尔会在对面的河岸架起画架，捕捉大教堂和四周草地流露出来的宁静庄严。

索尔兹伯里大教堂以许多纪录出名：123米的高耸尖塔是全英国最高的，院子的面积也最大；目前仅存四份原始版本的大宪章就有一份存放在它的会议厅里；这里收藏的时钟很有可能是全世界最古老的，而且目前还能运作。时钟在14世纪末期制作，原本放在教堂的钟塔里，钟塔在18世纪时遭到毁坏，这座中世纪的古董钟被送到储藏室，接着就被遗忘了。20世纪初期又被人发现，经过整修后放在地面层的北翼长廊上，离大教堂西侧的入口不远，现在仍放在同样的位置。

在最近一次参观时，我约了普雷斯特，他的职称就跟这个城市一样充满英国味：他是隶属索尔兹伯里大教堂教长和参事的守钟人。伴随着我们的耳朵听着似乎有催眠能力的时钟滴答声，普雷斯特解释了钟上许多零件的重要性。一眼就能看到的部件就是垂直的铁质齿轮。普雷斯特指出，齿轮利用地心引力的力量转动：后方的滑轮上挂了两块重石，重石落下时的拉扯力量让绳子从一双横向木头圆柱上松开，转动其中两个齿轮（其中一个控制所谓的“时间列车”，另一个则控制时钟的敲打装置）。当重石掉到地上，时钟就需要“上发条”：用一对外形像汽车方向盘的铁轮把重石吊回原处。

大多数访客可能都没注意到时钟最重要的零件，也就是擒纵器。擒纵器由两个重要部件组成：叫作“立轴”的垂直轴，和来回摆荡的水平铁条，叫作“摆杆”。摆杆两端吊着两个小重物，控制时钟滴答声的速率。操着一口英格兰西南部上流社会口音的普雷斯特说：“运作了六百多年的时钟当然换过一些零件，但这座钟大致还保持着原来的样子。”

这套机械和我们心目中的“时钟”形象相去甚远。就跟所有的古代装置一样，没有指针也没有钟面，只用鸣钟（现在已经拿掉了）来报时。整座机械放在边长一米多的方形铁框盒里，从外面就能看得一清二楚。

索尔兹伯里的钟跟当代的机械钟一样，并不特别准确，一天内就有可能快慢多达15分钟。罗马人只要用好一点的日晷，基本上在晴天的效果和这也差不多。普雷斯特说：“这座钟制作出来的时候，一个小时只分成四等份。当时的人还没有分钟的概念。”不像今日，我们“戴着时髦的手表，匆忙到分秒必争。古人守时的概念是最近的一刻钟或一小时”。

普雷斯特告诉我，虽然确切的起源未定，但据教堂历史记载，早在1368年，就有雇员负责帮钟上发条。他说：“我敢大胆地说，这是英国最早出现的时钟。或许在世界上其他地方还有更古老的钟，但我想我们这座钟一开始就占了上风。”

以教堂出名的小镇韦尔斯在索尔兹伯里西方60公里处，正好在薛普顿和切达中间，这里也有一口中世纪的钟。事实上，设计师可能和索尔兹伯里的大钟的设计者是同一个人，但这两座钟的设计理念可说是南辕北辙。

韦尔斯的钟有华丽的钟面，精巧地描绘出地球、月亮、太阳和星辰，展现出14世纪大众心目中色彩缤纷的宇宙（以地球为中心的世界观后来被哥白尼推翻了，留下来的描绘也非常少）。钟上有标明小时的指针，在显示24小时的钟盘上移动，分钟的指针应该是在16世纪时加上去的。

除了一天的时刻外，韦尔斯的钟亦显示太阴月的日期和月相。还会定时表演：在钟盘上方，迷你的中世纪比武每一刻钟上演一次，4名小小的武士骑在马上绕圈奔驰；每个方向各有两个人。当他们在转圈时，一名武士一定会被敌手打倒，不过几秒钟后他又会跳回原位，准备面对下一次战斗。过了这么多个世纪，他已经被打败3500多万次了。教堂的数据库管理师尼尔说：“我们老说他现在应该学会闪躲了，但是他总学不会。”

在14世纪，这两座钟是革命性的产物，但未来的发展却超乎想象。14世纪中期就已经有了真正的“自鸣钟”（每小时都会响，从1声到12声）。这是人类历史上第一次只要能听到钟声就知道现在几点。制钟匠开始在机械上安装钟盘和指针。事实上，刚开始只有一支显示小时的针，早期的钟只要能告诉大家现在大约几点钟就够了。

但时钟演变得愈来愈可靠、愈来愈准确、愈来愈精密。少数时钟根本就是耀眼的展示品，成为整个城市的焦点，出现在史特拉斯堡、布拉格、哥本哈根和欧洲其他重要城市的巨型天文钟就是一例。

不久之后，法院和市政厅开始传出钟声，接着银行和商店也装了时钟。富裕的市民也买钟放在家里。缩小的时钟很快就出现了：不用落锤，装了可以旋紧的弹簧后，时钟更便于随身携带；16世纪一开始，随身怀表问世了。过了还不到一百年，女皇伊丽莎白一世就把表戴在手指上（这只表甚至有个小闹铃──指定的时间到了，就会有一支小叉伸出来搔她的指头），钟表变成非常普遍的装置。

伽利略的图画说明如何用钟摆来精确计时。这张图很有可能由他的儿子文森罗绘制（时间约为1641年）

时间的价值

时钟出现后，人类开创了更匆忙的全新生活方式，这方面的文献著作早已不胜枚举。公共场所中的时计当然更如雨后春笋，到处都看得到现在几点钟；至少，大家一定开始把时间当成不断流逝的东西，不留情地摊开来，一小时接着一小时过去。然而，就算在中世纪，最早的机械钟还没出现前，生活的步调一定就渐渐变快了。新科技或许只是最新的手段，来满足人类根深蒂固的渴望。机械钟的发展——“比较像是结果，中世纪和文艺复兴时代兴起的那股急迫感并非源于此，”历史学家谢克纳如是说，“时钟是一种工具，辅助管理市民的生活，用钟声来协调工作时间，但日晷、沙漏和历书也能发挥同样的功效。”

的确，当时的大趋势是把很多之前没有计数（或计数方法差强人意）的实体加上数目或单位，时间的量化应该就属于这个大趋势，历史学家克罗斯比称之为“计量革命”。人类学家艾文尼指出，透视画法、复式簿记、复音音乐、货币标准以及前所未有的重量和度量单位大约都同时出现。他在文章中提到：“在1300年左右，相对来说不怎么长的几年内，西方世界中所有的事物几乎都变成可以指定数字的本体；对现实的感知出现了天翻地覆的变化。”

时间变成可以测量的量化物质后，也变成众人眼中可以赋予价值的商品。富兰克林的名言“时间就是金钱” [4] 这时尚未普及，但时间已经变成有价值的东西。大家除了觉得浪费时间很愚蠢，也认为这是罪恶。17世纪时的清教徒牧师巴克斯特曾说：“爱惜时间，就不会浪费光阴，而是把每一分钟都当成最宝贵的东西来使用……也要想想，时间过了就无法挽回。现在不珍惜，永远无法收复。世界上所有的人，用尽所有的力量和智慧，都无法召回已经消逝的时间。”

17世纪时，新的时计出现了，时钟不再用立轴和摆杆控制，而是用来回摇动的钟摆。最早想到这种机械装置的人是意大利的天文学家兼数学家伽利略（1564—1642年）。伽利略注意到来回摇动的摆锤具有规律性；有可能他看到比萨大教堂天花板上微微摇摆的吊灯而得到灵感，甚至在晚年还拟订了制作摆钟的计划。但到了17世纪50年代，最早的摆钟才根据荷兰天文学家惠更斯（1629—1695年）的设计制作出来。

17世纪结束前，摆钟的精确度已经大幅改进，每天的误差从15分钟减少到只有15秒。到了这个时候，大多数的时钟和手表都有分针，秒针也快出现了。时钟的实用性终于超越日晷。或许不是巧合，在1660年以前，“准时”已经变成耳熟能详的说法。

海上的困境：算不出经度

在海上航行的船长迫切需要精确的计时工具。要能顺利航行，就必须精确测量出经纬度，所有的地点都有这两个坐标。纬度不论南北，就是和赤道之间的距离，可以用六分仪推算；比方说，测量北极星在水平线上的高度。经度则是向东或向西移动的距离，但决定经度的方法都很复杂。像英国这样以船运和贸易为命脉的国家，在海上一出错，可能就要损失船只、货物甚至几百条人命。为了解决这个问题，欧洲最优秀的地理学家、天文学家和工匠努力不懈，想要找出答案。英国于1675年在格林尼治成立皇家天文台，主要就是为了解决这个问题。（查理二世任命弗兰斯蒂德为第一任皇室天文学家，指派他“投注最高度的心血和努力，改正天体运行的图表和恒星的位置，以便找出本国急需的各地经度，精进航海的技术”。）

原则上你可以计算出经度，但你必须知道目前所在位置和启程港口之间的时间差异。举例来说，你从伦敦扬帆出发，穿过英吉利海峡驶向大西洋。几天后，你知道自己在英格兰西方的几百公里处，但是到底走了多远？如果你知道伦敦现在几点，然后用数学公式，就可以算出你的经度。假设现在在伦敦是下午1点。但根据太阳划过天空的路径，你推算出所在位置的时间是正午12点。在24小时内，地球会旋转360度，通过所有的经度。也就是说，在1小时内，地球会转15度。反之，每1小时的差异表示经度差了15度。所以你应该在伦敦西边差15度的地方。

哈里森最出色的精确航海时计，代号就是H4

问题的症结在于，你要知道启程港口目前是几点。在出发前先把摆钟设好，如果摆钟运作的状况不错，就可以帮你解决问题，但在船只摇摇晃晃的甲板上，摆钟其实没有用。当时已经问世的随身钟和手表不准确的程度无可救药。能带上船的时计必须准确，而且便于携带；能够适应温度变化，在颠簸的海洋上也能正确报时。

各国政府开始重视这个问题，希望能找到在海上决定经度的方法。1714年，英国国会通过刚刚成立的经度委员会，提供两万英镑的奖金（换算成今日的币值则超过一千万美元）给能够解决经度问题的人。

认真接下这项挑战的是一名英国人哈里森（1693—1776年）。他在约克郡出生，没受过正式教育，一生致力于制作精确的计时装置 [5] 。他造出四项伟大的机械装置，也就是他花了几十年努力钻研出的时计，现在是伦敦市郊格林尼治天文台博物馆中最重要的展览品，上面也刻了他的名字。

最先造好的三只时计叫作H1、H2和H3，和我们心目中“可携带”的物品相去甚远，大小都和汽车引擎差不多。H1约重35公斤，复杂度令人望之却步。前方有一块椭圆形的铜牌，上面有四个显示时间的大型转盘。铜牌后面时钟的内部构造完全暴露出来，有几十个铜轮和齿轮，还有几百根不同长度的闪亮铜棒以奇怪的角度插在机械上。这座钟仍能运作：以弹簧为动力的机械装置嗡嗡作响，不同的零件跟着前后滑动或转动。在海上，每天可能会快10秒或慢10秒，还算差强人意，但哈里森觉得他还有进步的空间。

哈里森相信跟H1一样巨大而复杂的H2有缺陷，因此连测试都提不起劲来，他把希望放在H3上，他相信H3是他的经典之作。这第三套机械令人叹为观止，总共有753个零件。其中的双金属片是一项重大的突破：把薄薄的铜片连到平行的薄钢片上，时钟的擒纵器就能完美地抵消温度的变化。H3比H1和H2略小；即便如此，仍有60厘米高，重量接近30公斤。接下来的20年内，哈里森反复重制H3，但总觉得不够完美。

博物馆的钟表学馆长贝茨说：“可怜的老哈里森花了19年的生命，想说服他的钟保持稳定计时，但他永远无法满意。后来他只能咬牙切齿地把这口钟称为‘我那古怪的第三套机械’。他一定对H3非常失望。”

刻在钟上的文字或许也反映了哈里森的挫折感。H2上用花哨的大字体镌刻着“献给英王乔治二世”的字样。H3的正面只刻了他自己的名字。

看来H3走进了死胡同，哈里森改用了激进的新方法。他描绘出小怀表的蓝图，委托朋友帮忙制作。他想用小怀表测试大钟的准确度。在哈里森那个时代，大多数的手表不太可能当作精确的时计。但当哈里森反复思索新怀表的设计时，他发现事实上精准的手表还是造得出来的。

哈里森终于开始思考如何制造小机械，也得到了报偿。结果他造出了卓越的H4。H4和前三代的差异宛若日夜。前三座钟硕大无朋，H4的宽度只有12厘米，跟甜点碟子差不多大，重量只有1.5公斤。装在闪亮的银质外壳里，就像普通怀表的放大版。但H4绝对无法用普通来形容。镶了宝石的轴心以红宝石和钻石打造，内部构造几乎没有摩擦力。在海上测试时，过了两个半月只慢了5秒。H4成为当时世界上的顶级时计。

虽然H4非常成功，但经度委员会却顾左右而言他，并没有发放奖金给哈里森。贝茨说，他们一直把颁奖的“门槛提高”，只陆陆续续给了哈里森几笔小钱。等他直接跟新上任的乔治三世陈诉，他才拿到奖金 [6] 。三年后哈里森就过世了。

哈里森的成就虽然到了近代才得到应有的赏识，但他的这项成就无疑是非常杰出的。贝茨说：“哈里森是精确时计之父。H4出现后，大家才发现我们的口袋里和手腕上也能有分毫不差的时间。”

18世纪末，英国经历了惊天动地的变化（工业革命），如果没有准确的计时方法，就不可能出现这么了不起的变化。

主要衍生自煤炭的蒸汽动力让制造业一飞冲天。工厂雇用更多的工人，货物由汽船和火车头运送。到了19世纪末，电报和电话在一瞬间就能把信息送到遥远的地方。这些发展都让世界变得更有秩序。变化刚开始，工业上的新工具就改变了人类的生活方式。时钟愈来愈重要。历史学家惠特罗写道：

蒸汽提供工业革命的驱动力。虽然从前住在农舍里用手摇纺织机工作的织布工为了生活必须很努力工作，至少他们可以在想工作时工作，但工厂工人必须在蒸汽启动时上工。他们一定要准时到达，除了要知道几点钟，更要一分钟不差。

在这个变化剧烈的时代，蒸汽引擎就是当时的象征，但没有时钟，一切都不可能发生。历史学家芒福德观察道：“蒸汽引擎还不算是当今工业时代最主要的机械，时钟才是。”

时钟为社会带来了深刻的影响，最明显的地方就是在工作场合。时钟一清二楚地宣布你现在要贡献多少时间给雇主，又有多少时间真的属于你自己。到了20世纪开始的时候，工作和休闲已经完全分开了。

一团乱的列车时间：时区的问题

然而，时间仍局限在某地。在19世纪初期，不同的城市也有不同的时间。在英格兰，虽然时钟和手表已经很普遍了，但上面的时间仍靠太阳来控制：太阳爬到天顶时，就表示现在是正午，而正午的时间当然在每个城镇都不一样。两个相邻的小镇之间的时间差异或许不算什么，但累积起来也很可观。东边的多佛和西边的彭赞斯差了将近半个小时；伦敦和布里斯托差了20分钟。在北美洲，差距更为显著：比方说，芝加哥现在是正午12点，匹兹堡是12点30分，纽约是12点55分，波士顿则是1点08分。

在马车还是主要交通工具的时代，要到另外一座城市必须花好几天，时差不太可能造成问题。但19世纪开始兴建铁路后，人类移动的速度愈来愈快，世界看起来愈来愈小。德国的作家兼诗人海涅1843年在巴黎写作时，就提过缩小的大陆：

我们对事物的看法、观点，现在发生了怎样的变化……铁路缩小了空间，我们只剩下时间了……现在你只要四个半小时就可以到奥尔良，到鲁昂的时间也差不多。想想看，等比利时和德国的铁路连起来，世界又会变成什么样？我觉得各国的高山和森林都朝着巴黎前进。即使在现在，我也闻得到德国菩提树的味道，北海的碎浪就打在我的门前。

然而，由于时间的问题，世界要“联结起来”可不简单。各地时间的差别开始造成严重的混淆。英国大西部铁路公司1841年的时间表就是典型的例子：

铁路上所有的车站都以伦敦时间为准，约比瑞汀快四分钟，比史蒂文森快五分半钟，比赛伦斯特快七分半钟，比奇彭翰快八分钟，比布瑞奇瓦特快十四分钟。

在这幅瓦特柏利钟表公司1883年的广告中，人和机器逐渐地合而为一

英国首先踏出第一步：1847年，全国所有车站的时刻表都依照格林尼治标准时间──在格林尼治观测到的“平均太阳时间” [7] 。1851年，当万国博览会在伦敦举行时，很多英国人第一次体验到新的系统。那年伦敦的访客超过600万人，大多数人搭火车前往。在1880年，格林尼治时间成为英国的法定标准时间。

在北美洲，情况更加复杂。铁路公司也分出了一些比较小的区域时区。到了19世纪70年代，在整个北美洲至少有80个铁路时区。列车时间表读起来就像技术手册，城市之间的列车会经过各地无数的时区。

工程师佛莱明（1827—1915年）的解答很合乎逻辑。佛莱明生于苏格兰，在加拿大长大，他提出一套系统，让全球各地的时间标准化。1879年，他建议把全世界分成24等份，每一区横跨15度的经度。每个时区内的时钟都设成同样的时间，也就是时区内中央子午线的平均太阳时间。每一区都比相邻的时区快一个小时或慢一个小时。持批评态度的人觉得这个想法不切实际，但佛莱明非常坚持，年复一年，在所有出席的会议上倡导他的计划。

要实行这套系统，必须有测量时间的“起点”，也就是作为其他时区基准的本初子午线。当然每个国家都想要争取这份荣耀，让本初子午线穿过自己的领土。然而，英国抢得了先机：格林尼治的天文台拥有最精密的望远镜和时钟，也是全球航运最常使用的时间标准。在激烈的辩论后，国际团体赞成格林尼治就是本初子午线的地点。1884年，国际本初子午线会议在华盛顿举行，与会代表采纳了佛莱明的标准时间提议 [8] 。但法国人在所有的官方文件中都避免提到格林尼治标准时间。在1898年，法国的时间正式定义为“巴黎标准时间，延迟了9分钟21秒”；作家布莱斯说巴黎标准时间“正好跟某个满地绿荫的伦敦郊区一模一样”。

我们现在已经很习惯标准时间：搭飞机进入新的时区时，我们会按机长的建议调整手表时间。一般来说，我们根本感受不到这套系统出现前的混乱状态。但标准时间的寓意非常深刻。在弗吉尼亚州乔治梅森大学任教的历史学家奥马利著有《长期观察：美国的时间史》一书，他认为标准时间甚至有助于国家和民族的认同。一项深远的影响就是某种“纵向的结合力”，联结相隔数千公里远但正好靠近同一条经线的城镇。他说：“因此我和亚特兰大的人属于同一个团体，我跟他们没什么共同之处，但我们都会在同样的时间起床。亚特兰大日出的时间和这里完全不一样。”今日，在缅因州的教师、在巴尔的摩的律师和在佛罗里达的店员都同时开始工作，如果他们正好都是杰·雷诺和戴维·赖特曼的忠实观众，他们会在傍晚同时打开电视。奥马利指出，像美式足球超级杯这么重要的节目播出时，同步的动作会更加明显，根据公用事业公司的记录，一到广告时间，几百万户的马桶会同时冲水。

标准时间奠定根基后，我们用来看时间的机械也更靠近我们，成为衣着的一部分。在一开始的时候，腕表就跟首饰一样，佩戴的人大多为女性。第一次世界大战时这个习惯也改变了，壕沟里的士兵也开始戴手表。从那时候起，贴身佩戴的时计成为我们不可或缺的配件 [9] 。

在20世纪20年代快结束时，有人发明了石英振荡器，计时的精准度不再受限于最好的机械钟。科学家发现某些水晶受到电荷影响时就会振动，调整水晶大小，就可以控制振动频率。然后反过来用振动控制集成电路，也就是一系列的微型电力开关，可以提供电力给模拟或数字的显示器（如果是数字的，就不用活动零件）。可靠的石英钟最早出现在20世纪40年代。最好的石英钟一年只会出现万分之一秒的误差，和最棒的机械时计比起来，不啻是一大跃进。最早的石英表出现在20世纪60年代末期；连廉价商店出售的都很精确，一天差不到一秒钟。今日大多数的钟表都利用这种微小的装置，算是20世纪的一项工程奇迹。

活在原子时间里

另一种振荡器利用振动原子的天然频率，能提供更准确的结果。第一座原子钟于1948年制成，使用氨的分子。几年后，科学家找到方法，用铯原子造出更有效的时计。铯原子钟内的原子局限在特殊的空间里，接受微波辐射的轰炸。辐射线会导致原子在两种能量状态之间来回弹动，弹动的速率则保持得非常稳定。世界各地的一流研究实验室都有铯原子钟，美国海军天文台的马萨吉斯博士以他那批精良的时计为极大的骄傲，也算情有可原。

原子钟出现后，我们测量时间的精确度实际上远超过促发时钟产生的自然界循环现象。人类一度用日晷来检查钟表的正确度，但现在却反过来：这些特别精准的时钟事实上能够揭露地球自转的不规则（就像马萨吉斯说的：“地球是座烂钟。”）。因此，在1967年，国际上对一秒钟的定义也出现了变化。一秒钟原本和太阳时间有关，也就是平均太阳日的1/86400。但如果一天的长度不断变动，这个定义就有问题。现在，铯的特定同位素振动9 192 631 770次的时间长度，就等于一秒钟。

新科技承诺未来的计时方法更能一丝不差，过去几年才发展出来的原子喷泉钟和离子阱钟等装置带给我们希望。马萨吉斯在美国海军天文台的同仁，正在开发使用铷原子的喷泉钟，等到这项技术成熟后，铷原子钟会比目前这群原子钟准确五十到一百倍。另一个方法则是利用以更高频率振荡的元素。以锶为例，这种元素的共鸣频率为每秒429兆次循环。东京大学的研究人员最近宣布，他们能够造出使用锶的“光晶格钟”，报时的精确度为十的十八次方之一，也就是一千兆分之一。这种时钟过了三百亿年，也只会有一秒的误差。

原子时间并非由一座钟或某个天文台决定，而要靠全球的原子钟网络。世界各地的实验室把原子钟的信号输入巴黎郊外国际度量衡局的办公室，这里的计算机会按这些时间的权重计算出平均值（美国海军天文台的资料大概占平均值的百分之四十），其结果就是我们提过的世界标准时间。

不过故事还没完：我们的时钟也显示出地球本身慢下来了，每年的旋转速度都愈来愈慢。由于月球对地球及地球上的海洋拉扯的力道不平均（太阳造成的摩擦力则没那么强），导致潮汐摩擦的力量出现，这就会减缓地球转动，仿佛在我们旋转的星球上踩下巨大的刹车（事实上平均下来，每年增加不到一秒钟。在恐龙横行地球的时代，“一天”可能只有23个小时）。我们的原子钟如果自行其是，最后会跟太阳时间出现明显的分歧。解决方法就是偶尔加个“闰秒”。有需要的话，到了6月底或12月底，世界标准时间就会加一闰秒，让原子钟的时间和地球的旋转保持同步（也就是和平均太阳时间一致）。如果不加以修正，过几千年，时间显示是午夜，可是太阳却高挂天空。闰秒的概念自1972年出现以来，已经加了23次。

并非所有人都喜欢闰秒系统。一定会有人犯错。计算机工程师忘了在程序里加入闰秒（或输入错误），重要的时钟就会出错。一秒钟到底能造成什么差别？在今日的世界里，差别可大了。我们前面说过卫星导航系统就要仰赖原子钟的信号，马萨吉斯说，在华盛顿的纬度，差一秒钟，定位就会差了约三百米。他问：“只因为仪器认定的位置差了三百米，就导致飞机失事，你希望看到这样的情况吗？”

除了闰秒，还有其他的办法吗？最简单的方法就是不要闰秒，让原子时间和太阳时间渐行渐远。如果选择这么做，不久之后天文学家就会发现工作非常不顺利：要将望远镜对准正确的方向，就必须做到以地球自转为基准算出时间，如果差了几秒，你要研究的物体可能根本不在望远镜的视野内。天文学家当然找得到修正的方法，但如果差异继续累积，普通的老百姓也会开始感到紧张。纽约客真希望隆冬的太阳早上十点钟才升起吗？另一个方法是让闰秒累积成整整一个小时，大概要花六百年的时间。然后我们就加一个闰时，习惯日光节约时间的人应该习惯把手表往后调一个小时。持批评态度的人说这个做法就等于把问题暂缓几百年，把责任推给27世纪的公民。（做出决定的国际机构是国际通信联盟，2005年，该联盟在日内瓦召开会议讨论了这个问题。他们的结论是：“需要更多的时间才能达成共识。”）

此类争议的核心问题其实可追溯到中世纪。我们要仰望天上的太阳和星辰透过自然现象判断时间，还是要低头看机械时计硬要定义自然的时间？到目前为止，我们总能在这两种彼此冲突的策动力之间找到微妙的平衡。

从智力的角度来看，原子钟的确值得赞叹，我们可能没察觉到，每天都要靠这些钟进行不少日常的活动。但我最喜欢的时计仍是索尔兹伯里大教堂中值得信赖的中世纪老钟：傲然耸立了六百多年，从14世纪到现在，见证过完整的英国历史。守钟人普雷斯特讲起历史时，口气中流露出对这口钟和对国家的深厚情感。“老天啊，黑死病、南北分裂的英国内战、玫瑰战争……”在他重述大钟经历过的里程碑时，我想到那有条不紊的嘀嗒声：声音柔和却坚持不懈，浑然不觉周围的战争与和平、饥荒与富足、革命和帝国。在那几百年内，时钟多半放在高高的钟楼里。或许在那儿比较安全吧。“它看过克伦威尔来这里冲锋陷阵，还好钟在高塔里，克伦威尔也管不着，”普雷斯特的语调很狂热，“它也看过伊丽莎白一世的船只在英吉利海峡上被敌人追赶，可怜的女皇。战舰玛丽罗丝号沉没时，钟声滴答不止。还有近代对英国小孩来说非常刺激的故事，当福克斯想把国会炸掉时，这座钟也没停下来。它真的看过不少历史逸事。”普雷斯特停下来喘了口气，“我一直在想，制作这口钟的人如果听到我们说将来人类会登上月球，他们会说什么？我想他们一定会觉得咱们患上失心疯了。”

注解：

[1] 　光线每秒行进约30万公里。在一毫微秒内可以行进十亿分之一的距离，也就是30厘米。

[2] 　在北半球观察天象的人应该会看到这样的变化。在南半球的人仍会看到太阳由东向西移动，但弧形的轨迹则划过北方的天空。

[3] 　巴比伦人使用60进制法，很像我们使用的位值系统，但基数为60，跟我们的十进制法不一样（60可以被很多其他数字整除，例如2、3、4、5、6、10、12、20和30，使用相当便利）。我们把1天分成24小时（2乘以12等于24），1小时分成60分钟，1分钟分成60秒，都反映出60进制法的影响，还有把圆形分成360度也是（6乘以60等于360）。

[4] 　这个句子出现在富兰克林1748年出版的《富兰克林的智慧》一书中。然而，这个观点很早就出现了，古希腊的演说家安提丰曾宣告：“代价最高的花费就是时间。”

[5] 　哈里森的研究过程，在索贝尔的畅销书《寻找地球刻度的人》（1995年出版）中有详细的介绍。

[6] 　最后在英王坚持下，国会把钱付给哈里森，经度委员会从未真正把奖金颁发给任何人。

[7] 　日晷上的时间就是“太阳时间”。我们想用时钟报出的时间则是“平均太阳时间”；如果太阳在一整年内都以稳定的速率穿过天空，日晷显示的时间就是“平均太阳时间”。

[8] 　这里最好提一下，新的系统是西方人发明的。在会议中，只有一名代表来自非洲，两名代表来自亚洲的日本和土耳其（只有这两个国家不信奉基督教）。

[9] 　几年前我可能会写“很多人没戴手表就觉得自己没穿衣服”，或效果类似的说法，但现在情况又改变了。手机液晶屏幕上的时钟让腕表变成多余的东西，不过这不表示腕表会完全退出流行。现在应该说，没带手机会让人觉得自己没穿衣服。

第四章
被时间控制的世界

时间正张牙舞爪悄然潜行：我们拿的是月薪日酬，电信公司按分钟收费，广告费照秒计算……想在最短的时间安排最多的活动，让我们成为当下的囚徒，我们活在时间饥荒中。几世纪之前的人不怎么在乎“分”，完全不在意“秒”。过去一千年来，我们和时间互动的方式变动剧烈。

考虑到你该做的所有事情，当你浪费一个小时，却让我感觉像是一千个小时……因为对你的身体和灵魂来说，再没有什么事情比时间更重要了，我觉得你不够珍惜光阴。

——意大利富商达提尼之妻在1399年写给丈夫的信

我们的生活愈来愈紧张，愈来愈有压力，这是老生常谈了，事实上，用这种方法描述现代生活，简直就是陈腔滥调。不过检查现在几点钟的频率好像真的提高了，不是吗？甚至当我们努力不去担心时间的时候，时间也张牙舞爪地悄然潜行。很多人工作拿的是时薪；电信和网络公司按分钟收费（有的算秒数）；广告费用则照秒计算。在过去几十年内，生活的步调似乎冲刺到惊险的速度。我们感到压力很大，要在更短的时间内完成更多的任务，起码看起来是这样。休闲时间当然仍占有一席之地，高尔夫球场和滑雪胜地生意也不错。但感觉在休闲的时候，我们也要匆匆忙忙。躺在海滩上时，你旁边的人是否盯着智能手机的屏幕不放？有人早上发电子邮件给你，接着就打电话过来，问你为何午餐前还没回信。在计算机前坐了一整天，我们一回到家又立刻打开家里的计算机检查私人的电子邮件，有些人甚至在上班途中工作。（最近一项研究结果指出，很多人觉得准备三明治“变得很麻烦”，因此不得不买更多“预先包装好的现成食品”。）

时间永远不够：纽约中央车站

法国的文化评论家吐尼尔认为，想在最短的时间内安排最多的活动，让我们“成为当下的囚徒……如果我们不慢下来，就是在冒与自己的未来渐行渐远的风险”。我们活在“时间饥荒中”，多伦多大学睡眠和时间生物学中心的主任穆尔多夫斯基补充道，“醒着的时候，永远没有足够的时间做完工业社会期待我们能够完成的工作”。

但我们在前一章看到，几世纪前的人不怎么在乎“分”，完全不在意“秒”。的确，分秒都是相当新的概念。乔叟不知道一分钟有多久；莎士比亚有分钟的概念，可是从没提过秒。即使到了莎士比亚的时代，“一小时”可能只表示“一会儿”，这意味着大多数人不需要更细的划分也能过得很好。（《圣母经》祷文的最后几个字就是很好的例子：“现在及死亡的那个钟头。”）

然而，就算在今日，并非所有人都这么匆忙。过去一千年来，我们和时间互动的方式变动剧烈，不同文化之间的差异也愈加明显；有的文化重视时间到偏执的程度，有的却几乎察觉不到过去和未来的存在。我们已经看过一些例子，人类建造的观测站、时钟和历法都反映出这些差异。但时间差异也用更微妙的方式显现，例如我们信仰的宗教和遵行的仪式，甚至连日常用字也包含在内。

在第二章我们看过中美洲的玛雅人把时间当成有机、有生命的个体。他们并不孤单：从非洲的原始部落到古代远东地区高度发达的文明，全球各地还有很多人抱持同样的看法。

中国：时间就像编织的布

在古文明中，中国人对时间的看法或许最错综复杂。中国人巨细靡遗地追踪着星空中的活动。公元前13世纪时，商朝留下的甲骨文描述了月食的情况，在特定天文活动现存的记录中，这或许是最古老的。玛雅人也一样，他们认为天空中的活动会影响地上的事物，每次遇到彗星、日食或月食，或行星连成一直线，就觉得是天神在对地面的活动降下旨意。

中国人觉得时间在某种程度上是不断循环的。改朝换代似乎跟天际循环的起落一致。公元前5世纪的圣人孔子把完美的统治者比喻成北极星，也就是整个宇宙的轴心 [1] 。但加诸其上的却是一种深厚的时间连续感，短期和长期都包括在内。正如我们在前一章看到的，中国人造出了精密的水钟，过了一百多年，欧洲才出现机械钟。但在西方人眼中，中国人对时间这种盘根错节的想法离不开和因果律有关的特殊看法。在古代的中国，时间“就像一大块织锦，来回编织在一起”，说这话的班大为（David W. Pankenier）在宾夕法尼亚州的理海大学任职，是中国历史、语言和文化的权威。不论出现的前后顺序，在帝国某处发生的事件将会影响到其他地方的事件，就像在一大块布料上拉住某个点，整块布上都会出现皱褶。甚至有一位君主为了不让自己的统治期超过六十年而放弃了帝位，只怕在位太久会违反自然秩序。当朝代衰落时（再一次响应玛雅人对世界的看法），全国的子民都感到心神不宁。班大为说：“那是眼前的大趋势，就像听到音乐的曲调变得荒腔走板。”历史学家弗雷泽说，中国人的目标是“个人、人际、社会及自然之间都能和时间取得和谐”。

印度教和佛教：逃避时间的周期

印度和东南亚的宗教对时间的看法非常不一样，或者我们可以说他们想要脱出时间的控制。印度教信仰的重点在于不断循环的时间。最短的周期叫作“大时代”（maha yuga），延续四百三十二万年。一千个“大时代”组成一个“劫”（kalpa），两个“劫”就等于印度教主神梵天生命中的一天。梵天的百年寿命就等于三百一十一兆年。在循环的时间中，一切终将回归到之前的状态。历史只是幻觉，或许时间本身也是。世上无恒久之物，死亡只是通往诞生和复活的途径。

在印度教信仰中，迦梨女神（雪山神女）是湿婆神的配偶，或许也是所有印度教神祇中最可怕的，她同时象征时间的创造力和破坏力。四只手臂的迦梨雕像多半染了血迹，戴着人头串成的项链。有时候表现得像是胜利的凶手，脚下踩着湿婆神毫无生气的形体；有时候则可能被描绘成和湿婆神交媾。但湿婆神总会复活，并让所有的生物跟着回到人间。

时间无穷无尽的周期一再重复，虔诚的印度人也有逃避的方法：把意识和永恒的“解脱”（Kaivalya）融合在一起。时间是不祥的预兆，给人压抑的感觉；但得到启蒙后，人类就可以驯服时间。佛教提供类似的道路：通过冥想，佛教徒就能逃脱死亡复活永无止境的循环，最后从时间中解放出来，到达“涅槃”（Nirvāna）的境界。（的确，所谓的中观派赞同的超越论，就完全否定时间的真实性。）哲学家诺瓦克的说法非常简洁：“跳进时间可怕的浪潮中，只为了在醒着的时候驾驭后方的浪花。”

非洲：“事件时间”

某些文化则用事件和顺序相对应的重要性反映出时间的有机本质，而不用时钟或历书来做记号。非洲有不少地区重视“事件时间”的程度超过了“时钟时间”。

20世纪30年代，英国人类学家埃文斯·普里乍得研究了苏丹南部的半游牧民族努尔人。他发现努尔文化里没有可以对应到小时和分钟的东西，他们的确没有一个字等于我们对“时间”的抽象概念。日子没有特别的名字，也没有编号。因此，他们不会把时间当成某种个体，也不能节省或浪费时间。相反，时间和活动有关。努尔人的一年有雨季和干季，雨量和风向的变化标出不同的季节。如果在5月问努尔人现在是什么时候，他会回答：“老人家要回到村子里。”1月时再问一次，你会听到：“所有人都要回到干季的营区里。”正如艾文尼在《时间帝国》一书中提到的：“时间逻辑似乎是这样：如果我要去教堂，今天一定是星期天；如果有人在营区和村落之间来回移动，现在一定是雨季……就我们所知的范围内，活动取代了时间。”（想象一下，华尔街的交易所在“员工开始交易的时候”开始交易日，或前往芝加哥的火车在“乘客都上车后”启程。）

努尔人的生活以社会结构为中心，男人或女人可能都不知道自己几岁，但他们却知道自己所属的“年龄群”（少年、青年，一直到老年）。虽然如我们想象的，没有“流动”的时间，过了几年后，努尔人的确会移到下一个年龄群。埃文斯·普里乍得注意到社会关系非常重要，因此努尔人比较在意过去，而不重视未来，“因为关系一定要从过去的角度来解释”。

非洲东部的莫西人也卡在“事件时间”里，但略有变化。他们的确会追踪月相，依据月相就知道目前是什么月份。跟努尔人一样，莫西人的每个月都有代表性的事件或活动：在第一个月河流开始消失，在第二个月就要清理河床上的菜园，第三个月必须撒下高粱的种子；每个月都有不同的事要做。然而，部落内的人对于现在是第几个月一定会有不同的意见。艾文尼发现，如果你问莫西人现在是几月，“他可能会告诉你村里有些人说现在是第五个月，但也有人说是第六个月”，有时候为了争辩谁才是对的，村民很有可能会大吵一架。人类学家一开始认为这种意见分歧的状况表示莫西人不在乎精确的计时，后来才发现其中有种天生的逻辑。事实上，如果所有的莫西人都同意现在就是某个月，反而会有麻烦。因为月份和季节的活动有关（只是关系不那么紧密），就某种程度而言，十二个月份必须和太阳年调和一致；我们在第二章说过，太阳年比十二个太阴月长，但不足十三个月。因此，最后一定要添加闰月或跳过某个月份，如果众人无法明确指出当下是什么月份，就比较容易进行调整。艾文尼指出：“这些人常四处游牧，计时变成互动的过程，人与人之间的对话要根据社会规则，所以最好能接纳彼此的分歧意见。”

对“星期”有类似想法的乌美达人不在非洲，他们来自新几内亚中部。人类学家盖尔发现，乌美达人不关注现在是几月，他们也不知道一年有几个月。一年的季节很粗略地分成雨季和干季。乌美达人没有每周的市集，也没有休息的日子。然而，盖尔解释说，乌美达人的确会数日子：他们画出和“今天”有关、很明确的七天。乌美达人对某一天有下面的称呼：

大前天

前天

昨天

今天

明天

后天

大后天

根据盖尔的观察，“在乌美达人的一周内，可以说今天一定是星期三，一个星期的中心”。

盖尔也观察到另外一件事，这件事凸显了乌美达人和我们截然不同的时间观念。前面提到，乌美达人不记录太阴月，他们也的确没发现一次新月到下次新月的时间都一样长（大约是二十九天半）。盖尔写道：“对乌美达人来说，月亮就像菜园里的块茎，有时候长得快，有时候长得慢，也不知道为什么。因此，当他们注意到逐渐变圆的月亮时，他们觉得很漂亮，涨大的月亮就像偶尔幸运种出来的大块茎，而不是规律到了极点、能够预测的天文活动。”

不用时钟和历书，改用事件标出时间时，这些事件的顺序就非常重要。对肯尼亚西部的卢奥人来说，除非某些事件按着指定的顺序发生，否则时间可说是静止不动的。在芝加哥自然史博物馆工作的库辛巴是考古学家，也是非洲部落文化的权威，他说：“在多妻制的卢奥家族中，大老婆的角色非常清楚，她必须第一个种下作物和准备农地，然后才轮到其他人。她要第一个去除草，也比其他人先吃饭。”同样，长子“必须第一个结婚，不管他愿不愿意……一定要按照某种顺序做事情，不能破坏规则”。卢奥人相信，如果不遵守规则，就会扰乱自然顺序，导致作物歉收或死亡。

来自肯尼亚的哲学家和人类学家姆比蒂在其著作《非洲的信仰与哲学》中提到，很多非洲文化都会展望“久远的过去和现在，但几乎没有未来”。在他研究的东非语言中，有很多“没有具体的字词或表达方式来传达遥远未来的概念” [2] 。很多部落只在乎现在和过去发生的事，因为这些事情有“真实感”，姆比蒂说，他们不考虑未来的时间，因为还没发生的事无法组成时间。“因此实际的时间就是现在和过去。时间向‘后’移动，而不是向‘前’，大家不会想未来的事情，但比较在乎已经发生的事”。

美洲原住民：时间的阴影

西方人有时间观念，但在某些文化中这种观念却似乎不存在。美洲和澳洲的不少原住民文化，以及非洲和太平洋群岛的一些社群，都没有一个词能够代表“时间”。普里查德来自加拿大东部的密克马克族，他花了很多年的时间观察部落中的长者。有些规律性的活动在我们心目中跟时间流逝有关，密克马克人也察觉到了：他们的语言里有日夜、日出、日落、青少年、成年和老年，但却没有一个代表时间的词，他把观察结果写成一本标题很恰当的书，叫作《说不出的时间》。他写道：“除了时间体现的自然事物外，时间的概念不存在。”

美洲原住民对时间或许有不同的观念，但最引人注目的是美国西南部的霍皮族。早期的民族志学者假设霍皮人不怎么重视时间，拿这点大做文章。20世纪30年代，美国的语言学家沃尔夫研究过霍皮人语言和文化的各个层面后做出结论，霍皮人“没有字词、文法形式、结构或表达方式，牵涉时间或任何相关的层面”。

相反，沃尔夫认为，霍皮人把存在分成两大类，一类处理实质的物品和感官察觉到的东西，另一类涵盖心理和灵性。我们称为“过去”和“现在”的属于他们的第一类，未来则属于后者。霍皮人的动词非常丰富，但沃尔夫宣称他们的语言没有时态。最近的研究相当质疑他的诠释。举例来说，盖尔就认为霍皮人使用的情态（表明说话者对他人主张的态度）和欧洲语言的时态作用一样。霍皮人似乎也常用空间比喻传达跟时间有关的事实。他的结论是：“霍皮语并非一种没有时间也没有时态的语言。”

沃尔夫认为霍皮人的生活中没有时间观念，但历史学家惠特罗认为这么说就单纯得过分了。惠特罗提醒我们，霍皮人“已经根据天文学方面的知识，成功编写出农业和丧葬的历法，也算相当准确，特殊节庆很少差到两天以上”。的确，霍皮族和邻近的苏尼族都是观测太阳的专家，利用“地平线历法”追踪每一季日出的时间，要知道何时下种和收成，季节非常重要。

背对着未来

当政治人物在伊拉克提到“前方的路”，我们知道他们在讨论未来，不是过去。听到乐团唱的《不要回头》，我们知道歌词的意思是叫我们不要回顾过去的时光。这两种说法似乎是直截了当的比喻，我们可能觉得全世界的人都听得懂，其实不然。以南美洲的爱玛拉人为例，他们心目中空间和时间的关联十分独特。在大多数的文化中，我们觉得过去在背后，未来在眼前，提到过去和未来时，我们用的手势和身体语言也会反映出这种想法。圣地亚哥加州大学的人类学家努涅斯在智利北部录下了几十个成年爱玛拉人对话的过程，但他发现了完全相反的做法：爱玛拉人谈论过去时会指向前方，讨论未来时会向后比手势。他们的语言也反映出这种相反的做法。爱玛拉语中表示“前方”的字（nayra，也有“眼睛”“正面”或“视力”的意思），也用来指过去。同时，意思是“后方”的字（qhipa，也有“臀部”的意思），也用来表示未来。

我们不清楚这种思考方式是如何演进的。然而，努涅斯注意到爱玛拉人会区隔他们自己知道的陈述（亲自目击的事件），和他们从别人那里听说的事情。特别强调“可以看见的东西”，这正好能说明为什么过去（事情确实已经发生了）和前方有关系，因为我们能清楚看到过去；未来则无法确定，因此跟背后看不到的东西有关联。努涅斯发现年长的爱玛拉人甚至拒绝讨论未来，认为谈论还没发生的事情毫无意义。他也注意到这种文化特质似乎慢慢消失了。虽然讲爱玛拉语的人口数还有好几百万，但只有住在安第斯山中央高地的人才使用这种语言，比较年轻的一代则倾向于使用流利的西班牙语，通常也用西方的手势。

澳洲：“美梦时间”

最难理解的时间概念有可能是澳洲原住民的“美梦时间”，这个黄金时代一下子就成为久远的历史，而且永远存在。活在古代的人物并未消失，反而以当代人的形体继续活下去。要维持社会秩序，就必须用仪式重现活在“美梦时间”的人物和动物，也要把他们的故事一代一代传下去。若能和古老的过去维持联系，就能拥有生命 [3] 。人类学家莫菲指出，西方人注重“进度”和“目的”，“原住民对于时间的概念基本上与目的无关，或者应该说目的就在不受时间影响的永恒美梦中”。

社会学家唐纳森发现在“美梦时间”中，“时间、地点和人物合而为一。你知道自己在哪里，身旁有什么人，就能知道现在的时间”。唐纳森指出，社会上没有表示时间的词汇，并不代表群众就不会计时。“一天的时间分成破晓、日出、早晨、中午、下午、傍晚、日落、晚上和深夜。睡眠的时间、月相和季节都可以代表时间，也可以用来计时。”看来对时间的看法就跟地球上的文化一样不胜枚举。然而，虽然彼此看起来南辕北辙，很有可能相似之处仍超过差异之处。正如盖尔说的：“在梦境中，别人体验时间的方法跟我们完全不一样，这里没有过去、现在和未来，时间完全静止，或者一直绕圈圈，或者像钟摆一样来回摇动，可是梦境并不存在。”

希腊人：多样化的时间

在古希腊，解答时间问题的方法非常多，不止一种，在希腊思想家留下的文献中，我们可以看到问题的根源，一直到现在，这些最深奥的问题仍是哲学家极欲解开的谜团。

从荷马和赫西奥德的史诗开始，这些叙述慢慢地浮现出来。赫西奥德的《工作与生活》读起来就像公元前7世纪的农民年鉴，含蓄地以时间的概念为基础（不过诗篇中从未提到“时间”这个词），内容全是何时下种和何时收成的说明，明确地指出了天上的星宿。荷马的看法则比较不确定：史诗《奥德赛》中到处可见时间的周期：“曙光女神玫瑰颜色的手指”宣布一天已经开始，但主角奥德修斯航行了二十年，外表丝毫未变。（他的妻子珀涅罗珀留在伊塔刻，同样也没变老。然而，他们的儿子忒勒玛科斯在这段时间内却长大了，他的忠犬阿尔戈斯也变老了，在主人回来时便安心地咽下了最后一口气。）

过了几百年，苏格拉底之前的哲学家开始剖析时间。来自伊利亚的巴门尼德（约为公元前520—前430年）是当时最有深度的思想家，他把过去和未来当成幻觉，坚持真实的世界不受时间影响，永远不会改变。他的看法和以弗所的赫拉克利特（约为公元前535—前475年）形成鲜明的对比，后者认为宇宙原本就充满动力，必须不停地创造、毁坏和改变。在西方的时间概念中，这种对比会演变成关键的哲学战争，我们在接下来的几章会一直提到这个概念。

柏拉图（公元前428—前347年）则看到时间和宇宙本身之间的关联。在其著作《蒂迈欧篇》中，他描述时间如何从永恒中浮现。按照他的推论，上帝是永恒的，他也要让宇宙永恒存在，但他必须勉强接受永恒的形象或倒影。柏拉图说，造物主“决定要塑造出不断变化的永恒形象，当他制定天界的秩序时，这个形象就成为永恒，却仍按照数字变化，当永恒本身坚定不移时，这形象就是我们口中的时间”。柏拉图认为时间就是其中有日月星辰的“苍穹”旋转时留下的倒影。时间不是独立的个体，而是宇宙的特质，西方思想一直到了今天仍脱离不了这个概念。

柏拉图的弟子亚里士多德（公元前384—前322年）在很多方面都不同意老师的想法，时间的本质也是他质疑的一环。（从他的著作《物理学》的第一段我们就看到完善的论述。亚里士多德说：“最好的计划就是一开始就利用目前的争论，明白其中困难之处。首先，该归类给存在的事物，还是不存在的事物？接下来，本质是什么？”）在绞尽脑汁后，亚里士多德的结论是，时间深植于移动和变化之中。考虑到和时间流动分不开的事件，时间才有意义。然而时间跟移动不一样，因为移动在变换位置的物体“之中”，时间却无所不在。因此时间和移动无情地联结在一起。他说：“两者彼此定义。我们会按动作测量距离，以及按距离测量动作；举个例子，我们说路很长，如果旅途很长是因为路很长，那么时间也会移动，动作也等于时间。”

这些想法的影响深远，我们会在接下来几章看到，柏拉图和亚里士多德的真知灼见过了这么久，依然影响辩论的内容。

希腊人除了对时间的看法各有不同之外，他们关于时间如何开始的问题也十分令人烦恼，他们对此也有不同的态度。大家都知道柏拉图相信理想的数学公式。正如他在《蒂迈欧篇》中的描述，当那些数学准则找到有形的化身后，真实的世界才能存在。我们也可以想象，亚里士多德对此的看法当然完全不同。他觉得柏拉图的描述暗指世界是在过去的某一个特殊时刻变成真实的。在亚里士多德看来，这个想法一定会引起矛盾。难道柏拉图认为时间本身是不知怎的在时间中制造出来的吗 [4] ？这个论点至少可说是很棘手。亚里士多德的论点是，当某人说到时间的源头时，马上就可以问，在那之前呢？亚里士多德宁可把世界当成永恒不变的，过去没有开始，未来也没有结束。

同时也有其他人的看法类似东方的宗教，他们觉得时间会不断循环。所谓的斯多噶学派运动源自公元前3世纪的雅典，由来自埃利亚的哲学家芝诺领导。斯多噶学派相信“大周期”（或“大年”），夜空中行星的位置也扮演重要的角色。当行星回到同样的相对位置，宇宙历史就会重新开始（斯多噶学派可能从巴比伦人身上学到这个想法）。第四世纪时，伊梅沙的主教尼梅修斯在评论这个观念时提出主张：“苏格拉底和柏拉图以及所有人都会重生，交同样的朋友，周围有同样的市民。他们会再度经历同样的体验和活动。所有的城市、村庄和田地都会恢复原样，就跟从前一样。宇宙的复苏不止重来一次，而会不断重复，永远没有尽头。”

后来的希腊人对永恒周期的想法深信不疑。在公元6世纪，哲学家辛普利修解释毕达哥拉斯学派（他们的哲学结合数学和神秘主义）对周期时间的想法有多么热爱。辛普利修引述的毕氏学者欧德摩斯的话，很明显地表明欧德摩斯已仔细思索过不断发生的类似事件和不断发生的时间周期之间的区别：

你或许会觉得很好奇，时间是否如某些人所说真的会重新再来。我们现在所谓的“一模一样”其实有不同的说法：同种类的事物的确会再来一次，例如一年四季和不同的时节；同样的动作也会重复出现，例如太阳走过春分夏至秋分冬至的位置。但如果我们要是相信毕氏学派的说法，认为同样数目的东西会再度出现，那么以此类推，你以后又会坐在这里，而我又会对你说话。相同的道理也能套用在其他事物上，因此，很有可能同样的时间也会不断循环。

周期时间的想法似乎影响了亚里士多德，他观察到：“会自然移动来去的所有其他事物都有循环。这是因为所有其他事物都由时间区别，结束和开始的方式仿佛都符合某个循环，就连时间本身看来也有周期。”在讨论地球科学的著作《气象通典》中，他讲得更明白，提到在无止境的周期中不断获得和损失的知识。“我们必须说在周期中人类出现了同样的意见，不止一两次或少数几次，而是极为频繁。”

线性时间的诞生

在古代的近东地区，公元前第一个千禧年刚开始时，有一项特殊的文化孕育出非常独特的时间观念。犹太人认为，历史就像一连串特殊的事件：创造、洪水、救世主（终于）出现，都按照上帝神圣的计划展现出来。这确实是线性的时间观念。从这个角度看来，时间毫不留情地从过去行进到现在，无法逆转。也要有确切的开始：宇宙创造的过程只有一次。永恒属于上帝，不属于空间和时间。

线性时间的观念不纯属于犹太教。犹太人有不少东西是从巴比伦人那边继承过来的，这一点毫无疑问，例如类似的创世神话，古代波斯人信奉的拜火教也有同样的线性想法。但犹太人的观点得到早期的基督教徒采纳，和某些希腊哲学的关键元素最后一起奠定了西方世界观的基础。

然而，希腊哲学并未完全成为基督教神学的中心思想；像斯多噶派关于周期时间的看法和其他某些元素，就遭到拒绝。圣奥古斯丁在《上帝之城》中提到他无法相信就像在这个时代，哲学家柏拉图坐在雅典城里名为“学园”的学校教导弟子，在过去无数的时代中，同样的柏拉图、同样的城市、同样的学校和同样的学生一而再再而三地出现，未来也注定要重复再重复直到永远。很抱歉，我不认为我们得相信这种无稽之谈！

采用线性时间，这对西方思想留下了深厚而长远的影响，也为“进步”的想法奠定了基础。历史学家芒福德认为，线性时间和前一章所述机械钟的发展齐头并进。他说时钟“把时间和人类活动分开，提供助力创造出独立的世界，其中的顺序可用数学方法来测量：也就是属于科学的世界”。17世纪末，时间在人类心目中已经成为向前不断行进的抽象个体，不受人类活动的支配。

枪支、细菌和CCT

线性时间出现后，大家愈来愈希望能有更准确的时钟和历书来切割和测量时间，我们在前几章已经讨论过了。时钟和历书的发展成为现代科学和工业的基础，此外不论如何，都会导向今日科技世界的急促步调。西方文化似乎也把这种高速生活风格出口到世界各地，但是西方人却感觉不到自己散发出的影响。西方文化有很多有名的出口物，例如英文、自由民主和摇滚乐（其他的例子还有很多），但事实上，使用时钟和历法（尤其是格里历）来看时间，或许影响更为深远。人类学家柏斯提尔把“时钟和历书上的时间”简化成英文前缀缩写CCT，他认为这“才是西方最成功的出口物”。根据他的说法，“从未听说有人能够成功抗拒”。 [5]

CCT有很多呈现出来的方法，通常连实体的时钟或历书都用不到。有好几位人类学家发现，电视就有报时的功能。像世界杯足球赛这种全世界几乎都会转播的节目就能联合各国的居民，一起做共同活动（即使并非主动的），要看世界杯，就要遵守时间：比赛按照CCT转播，太晚开电视的观众就看不到开球。有一项研究的主题是20世纪70年代也门偏远地区的居民拥有电视后的情况。人类学家阿德拉指出，电视出现后，“立刻影响社会生活”。电视“改变了每天的工作和休息模式，因为大多数人会看电视看到晚上11点发电机关闭，因此比较晚睡”，结果很多人第二天早上起不来。

日本的情况特别有意思，除了欣然接受CCT，还进展成为地球上步调最快的国家。（正如社会学家西本郁子指出的：“在其他国家被迫西化时，日本却选择西化。”）19世纪末，日本工业化程度愈来愈高时，变化就开始了。在1873年的教科书中，学童要学习读出时钟上的时间。就连语言也受到影响：新词jikan（“时间”或“小时”）出现了，取代toki（用来指日本传统阴历上的时间），日本人也开始提到分（fun）和秒（byo）。不能缅怀过去。到了现在的日本，如果火车入站的时间比预定的晚了一分钟，就算“迟到”。同样的准则在英国是10分钟，在法国是14分钟，在意大利则是15分钟。为了准时，还有可能闹出人命：2005年，日本国铁列车为了弥补90秒的延误而出了意外，造成107人死亡。《纽约时报》的报道说：“在其他国家，晚了90秒的火车或许还算准时呢。”

生活的步调

西方的时钟和历法愈来愈普及，但不同文化的生活步调仍相去甚远，曾经到其他国家旅行的人应该就会注意到这种情况。人类学家博斯写了一本叫作《永远活在千里达时间》（1999年出版），标题只是引用岛上常听到的说法。在巴西，迟到一小时没什么大不了的，但在纽约、法兰克福或东京，迟到十分钟就要提出解释。

加州大学弗列斯诺分校的社会心理学家莱文所做的研究或许是最全面的时间变动性研究，他几十年的研究心力都集结在引人入胜的著作《时间地图》（1997年出版）中。在研究的某个阶段，莱文和同事使用三种不同的测量方法来判断三十一个国家的生活步调：城市街道上行人走路的速度、公共时钟的准确度以及向邮局职员购买邮票所需的时间。步调最快的五个国家是瑞士、爱尔兰、德国、日本和意大利；最慢的五个国家是叙利亚、萨尔瓦多、巴西、印度尼西亚和墨西哥（美国排名十六，加拿大排名十七）。或许大家都觉得“快速”的国家相对来说经济实力也比较强，“缓慢”的国家则比较贫穷。莱文并未深入研究其中的关联，但他注意到：“经济变动和生活步调似乎相辅相成，不会单独出现。”

在类似的研究中，以美国的三十六座城市为研究对象，莱文发现（或许会让人觉得很惊讶）波士顿是步调最快的城市，而洛杉矶（或许也会让人觉得很惊讶）则最慢。纽约市占了第三名（在水牛城之后），实验人员在两座城市遭到邮局职员羞辱，一个是纽约，另一个则是布达佩斯。

莱文解释一开始他察觉到生活步调的明显差异时，正在巴西教书。学生来上课时，最多会迟到一个小时，然后待到下课时间就离开。公共时钟（和私人的手表）上面的时间千变万化，大家常在同一时间安排好几个约会，结果全部爽约。

在印度，莱文花了好几个小时在火车站排队。当地人早已习惯排队排到地老天荒，还邀请莱文跟他们一起在车站大厅的地板上坐下来吃午餐。最后终于轮到他买票时，票却卖完了，但他靠着给小费贿赂买到车票。最后，“火车很晚才开，到达的时间更晚，不过都没关系，跟我约好见面的男士甚至比我还晚到”。在尼泊尔，莱文花了四天的时间等加德满都电话局的职员帮他接通国际电话。其他人也要等这么久，大家似乎都习以为常。

莱文很谨慎，对步调缓慢的文化不做任何评判，也告诫其他人要小心：“当我们把巴西人迟到的习惯归咎于不负责任，或说注意力分散的摩洛哥人缺乏重心，这除了我们草率的态度外，也还因为种族优越感而使我们变得心胸狭窄。”但他也指出起码在美国境内，很多少数族群认为他们悠闲的步调跟大多数更匆忙的英裔美国人不一样。“美裔印第安人喜欢说‘用印第安时间过活’。墨西哥裔美国人则把时间分成‘英国时间’，指时钟上实际的时间，以及‘墨西哥时间’，也就是用更随性的态度对待时钟上的时间。” [6] 莱文在墨西哥时想把问卷翻译成西班牙文，但在翻译时却碰到了问题。他想问别人定下约会时，什么时候他们“期待”对方会到、什么时候“希望”对方会到、会“等候”对方多久，结果发现这三个词在西班牙文里都是同一个动词：esperar。

在仅存的少数采猎社群中，莱文发现他们享有全世界最悠闲的生活步调。住在新几内亚西部高地的卡保库人不愿意连续两天都在工作，非洲南部住在丛林中的孔族人通常每周只工作两天半，一天六个小时。莱文觉得气候较温暖的国家，生活步调也比较缓慢：在他调查的三十一个国家中，最缓慢的国家都在热带。

我们的祖先因为不得已才开始计量时间：农民必须注意四季变化，要提高收成，就要了解太阳星辰，以及天体不断重复的行进路径。但时间所能控制的范围不止于此，更影响了公众和私人生活的所有层面。有些人觉得时间是有机体，非常灵活；有些人则觉得时间不断循环，模拟自然中的周期；还有人（包括我们在内）觉得时间没有生命，毫不留情地不断前进。

有些人可能已经受不了了。作家欧诺瑞在最近的著作《慢活》（2004年出版）中详尽阐述了欧洲和北美洲兴起的各种“缓慢”活动，例如慢食和缓慢城市，还有更出名的缓慢性爱。源自意大利的慢食宣言一开始就说：“我们的世纪从最开始到后来的发展过程，都脱离不了工业革命的影响，先是发明了机器，然后机器成为本世纪的生活模式。我们成为速度的奴隶，全部臣服于狡诈的病毒：快速生活。”（欧诺瑞读到一篇文章，里面提到有一系列的经典童话故事为了配合生活忙碌的家长，都被浓缩成一分钟长度的版本，引发他写《慢活》这本书的想法。他觉得这个主题很不错，之后又问自己：“我真的疯了吗？”）

快速生活似乎早已根深蒂固，但西方文化还在变化，我们对时间的看法也继续演化。记者泽尔尼克指出，手机出现后（20世纪90年代快结束时，工业国家几乎人手一部），时间“比以前更黏答答”。这里的“黏答答”和缓慢没有关系，只是表示人际关系比从前更加紧密，因此，我们管理时间的方法也跟着急速改变。泽尔尼克说，由于我们的文化变得很匆忙，便含有很多小块的“软性时间”，尤其在规划晚间和周末的活动时。很多人活在“泡泡里，预期见面的地点和时间不断变化，因为我们期待能随时找到其他人。八点半仍算是八点钟，只要你及时打电话来告诉别人你无法在约定的时间到达约好的地点，再晚几分钟也没关系”。（如果这样的行为会让你有罪恶感，请举手。）泽尔尼克说，某项研究的结论是“美国愈来愈像巴西了，后者早已习惯很有弹性的时间”。另一方面，在巴西，“习惯晚到的人现在却抱怨他们必须打电话解释为什么晚到”。

西方文化这种要把愈来愈多的体验挤进每一分每一秒的倾向是否和我们调查过的各种非西方传统有某种关联呢？或许有。在面对无可避免的人生大限时，东方宗教无止境的周期，以及借由开示脱离时间的承诺，也算是一种策略。在今日的俗世中，不断听到“你就活这么一次”，或许也会让我们更想尽情利用每个时刻。

注解：

[1] 　恺撒大帝也有同样的看法，至少莎士比亚笔下的恺撒就曾宣称：“我如此坚定，好似北极星，稳牢而故我，无星能匹敌。”

[2] 　有些人不赞同姆比蒂的看法。阿佑艾德就是一例，他说姆比蒂的看法“对优鲁巴来说就不完全成立，他们对未来的看法甚至超越了今生的重点，延伸到来世”，另外他也补充，优鲁巴人以农耕为生，常需要规划收成和贮存食物。

[3] 　对西方的世俗生活来说，这个想法似乎无法兼容，但或许在某种程度上符合西方的神学。比方说行圣餐仪式时，基督徒就在重现“主的晚餐”（耶稣基督和使徒的最后一餐）。一位学者说这种“基督教的崇拜方法，有效重现了公元29年在耶路撒冷城外发生的事件，并使之通过仪式变得永垂不朽，信徒在行礼时就能天天重现历史。的确，仪式的整个过程会让空间和时间已经固定的行动成为永恒的现在”。

[4] 　其他人则诠释说，柏拉图对时间起源的看法事实上跟亚里士多德很像。《蒂迈欧篇》里面的这段话可供参考：“那么，时间和天国同时创造出来，也在同一秒出现，因此，如果会出现崩溃，可能也会同时崩溃。”

[5] 　柏斯提尔说过：“‘时间错误’（故意毁坏时钟和其他与时间有关的手工艺品）这个词不在我的字典上。”然而，小说中出现过这个词：康拉德1907年出版的《特务》中，有一段情节是叛乱分子计划要炸毁格林尼治天文台。（这个词也出现在Urban Dictionary网站中，不过意思不太一样：“发现实际的时间或日期与你所认为的具有极大差异时，而暂时出现疲惫烦躁的心理状态。”）

[6] 　人类学家虽然可以描述这三种文化差异，但最近在加拿大发生的事件则让我们看到随意批评这种差别有可能会冒犯别人，尤其当你批评某个人的时候。在2007年，因纽特族的艺术家法伯尔想知道加拿大税务局为什么要稽核他，便通过信息公开法要求政府提供税务数据。稽核员的评注令他大吃一惊，数据上说“典型的原住民都一样，不像我们会觉得很急迫，要在期限前完成工作”。法伯尔认为这种说法“泯灭人性”，向加拿大人权委员会提出申诉，该委员会已经展开调查。

第五章
记忆的持久度

现代的神经科学家一般不会把记忆称为器官，而是称为过程，或很多过程的组合。他们的研究结果显示记忆系统有多复杂和多元。我们能够穿越时间投射心里的想法，在脑海中产生和过去相关的影像，也会想象未来将要发生的事情。科学家把这种卓越的能力称为心智时光旅行。

记忆的缺点也是其优点，记忆构成跨越时间的桥梁，让我们的心智和实际的世界联结在一起。

——沙克特

想得愈多，忘得愈快……

——博格斯

头颅里那块一公斤多的柔软灰色物质怎么能察觉到时间在流动？三百多年前，和牛顿同时代的英国科学家虎克就反复思索过这个问题：

我想问我们是用哪一种官能察觉到时间，因为来自五官的信息都只留存在一瞬间──仅在物体于我们心中留下印象时的那段短暂时间内。我们仍缺乏能够领会时间的感官，只有概念。但集合我们所有的官能，依然不能达到这个目的。

虽然已经有无数的人根据知识和经验进行猜测，尤其在过去几十年里，有许多人通过科学方法狂热地探索，虎克的问题到现在仍没有简单的解答。

生物学家早就知道人体会响应自然环境的节奏（的确，植物和其他动物也会），近来发展迅速的“时间生物学”开始研究人体在健康和生病时对这些节奏的反应。大家最常听到的就是每天起落的节奏：心跳、新陈代谢、消化和很多其他的功能，看起来都配合日夜的自然循环。这些是所谓的昼夜节律 [1] ，原文来自拉丁文，直译则是“近”（circa）和“日”（diem）两个字的组合。还有其他无数的循环周期，有的更长，有的更短。

还有大脑，这个在人体内提供知觉经验的器官。我们知道大脑包含一千亿个神经细胞（也称神经元），很巧的是，在典型的星系中，大约也有一千亿颗星星。我们也知道，每个神经元和其他神经元之间大约会建立一万个突触联结。这些联结就是大脑所有功能的源头。和其他人一起发现DNA结构的科学家克里克称之为“令人惊讶的假设”：大量的神经元活动让我们能够感觉到自我、察觉到周围的世界、具备意识。因此可以推测，能够感觉到时间流逝的能力应该也来自同样的地方。

心理学家和神经科学家一直都想找出大脑中是否有像“内建时钟”一样的东西，也就是某种帮助大脑记录时间的机制。但现在他们却开始怀疑大脑内并无特殊的结构能够发挥时计的作用 [2] 。我们对时间的意识似乎分布到很多不同的大脑区域中，每一个区域都有各自记录时间距离和顺序的方法。在加州大学洛杉矶分校脑部研究中心工作的博南诺说：“很多复杂的人类行为，例如了解语言、练习接球和演奏音乐，都要依赖大脑能够正确报时的能力。但没有人知道大脑是怎么做到的。”另外两位杰出的心理学家萨登朵夫和柯贝利斯也有同样的审慎评估：“我们仍不清楚内建时钟、顺序代码或其他过程如何让成年人建立时间维度的概念。”等一下我马上会再提到这两位心理学家的研究成果。

要研究脑内的时间，还会有个问题：这不仅是一门相对来说很新的学问，其研究内容更横跨许多学科，很多专精领域之间的界限因此变得更不明显。这些学科包括电生理学（研究细胞和活组织与电流有关的特质）和心理物理学（研究物理刺激以及人类接受刺激后的主观体验之间的关系），脑部造影和运算模型方面的技术也很重要。神经生物学家伊格曼说过，这些新领域逐渐“描绘出脑部如何处理、学习和感知时间的方式”。

一些包罗万象的问题激发了最新的研究：随着时间的推移，我们的大脑如何编译流入的信息？来自不同脑部区域的信号如何在短短的时间内彼此协调？我们对时间长度的感知如何反映外在的世界？有哪些因素会影响我们对时间的判断？伊格曼说：“虽然对行为和感知来说非常重要，但时间感知用到的神经基础依然笼罩在神秘中。”

虽然我们才渐渐开始了解大脑如何诠释时间，但大脑有种显而易见且作用相当广泛的功能──记忆，记忆似乎就以时间为中心。事实上，虎克更进一步得出结论说，记忆就是我们感知时间的“器官”：

考虑到这一点，我认为我们有必要假设，有另一个器官能够理解时间留下的印象。就我的猜想，除了我们一般称为记忆的器官外，别无他物……我假设记忆就像耳朵、眼睛或鼻子，也是一种器官，位置很靠近其他感官的神经起共同作用和汇集的地方。

现代的神经科学家一般不会把记忆称为器官，而是更多地称为过程，或很多过程的组合。但是，他们的研究结果开始显露脑部的记忆系统有多复杂，有多么多元化。跟记忆相关的科学是一门庞大的学问，不可能用书中一章的篇幅讲完。我不想摘要说明研究人员从记忆运作中学到了什么，但会把重心单单放在某些脑部功能上，以便清楚说明记忆和时间的关联。

回忆过去，想象未来

你能在脑海中描绘小时候住的地方吗？闭上眼睛，是否能想象自己穿过旧居的客厅走向厨房？还记得小时候发生的事情吗，例如玩最心爱的玩具或庆祝生日？就算你的记忆力普通，要唤起这种回忆，很有可能也没什么困难，或许还能编织出不少细节。心理学家称之为“情节记忆”，这个说法是加拿大的神经科学家图尔文于20世纪70年代早期发明的。那你能换个方向看穿时间吗？是否能够想象未来你要参加的活动，比方说明天去杂货店，明年冬天去温暖的地方度假？

结果证明我们能够穿越时间投射心里的想法，在脑海中叫出和过去有关的影像，或我们想象未来会发生的事情。（小说家常操弄这个想法：例如伍尔夫的《黛洛维夫人》，虽然故事情节只延续了一天，但在主角的心里却发展成好几十年。）人类的这种投射能力其实很强，我们可以在脑海中回溯很久以前的事。你可以想象在出生前发生过的事（不过这有点难度），还有等你死后很久才会发生的事。

心理学家和认知科学家把这种卓越的能力称为心智的时光旅行 [3] 。很粗略地说，就是结合情节记忆和预料未来事件的能力。没有这种能力，人类就不能规划和发展，也不会有文化。失去了想象出来的未来蓝图后，文明也会跟着消失。人类毫无疑问拥有优秀的心智时光旅行能力，但我们还希望能有更深入的了解。其他的动物也有这种能力吗？如果没有，在人类的演化过程中，这种能力在什么时候出现？有原因吗？出现在我们成长过程的哪一点呢？我们从何得知想象时间流逝的方法以及时间的本质？

现年八十多岁的图尔文已经从多伦多大学退休，但仍在多伦多北边的罗特曼研究院积极编制研究方案。他的主题就是记忆，但他仍努力提出深刻的问题，探索实境的本质。年轻时的图尔文对“更加哲学”的东西有兴趣，因此“会思考时间是什么、从何时开始、时间存在前的世界是什么样子”。

图尔文觉得大家对记忆和时间有很多误解，最普遍的是两者之间的关联在人类心目中有多强。我们会一直感觉到时间的明显流动，而我们可以说，记忆就是人类用来感受时间流动的媒介。但图尔文几十年的研究结果却推翻了这种想法。他说：“人类内在的记忆类型大多和时间无关，在动物身上也一样。”记忆的很多面向只重此时此刻，例如学习新技能，或回忆起某件事。但情节记忆则是一个值得注意的例外，图尔文相信情节记忆为人类独有，让我们能够利用想象力重临自己选择的事件，回顾过去的时光。

心理学家开始调查情节记忆和心智时光旅行能力之间的关联也不过是最近几十年的事，他们也想推测人类怎么会拥有这么精密的能力。图尔文研究情节记忆将近五十年，是最早使用“心智时光旅行”这个说法的先驱。他特别强调，负责记忆的人（他口中的“记忆者”），会觉得某段情节记忆是真实事件：感觉就像过去某个事件或个人的独特经历精确地（或至少看起来非常有道理）重演一遍。他在著作《情节记忆的元素》（1983年出版）中说：“对记忆者来说，想起某件事，就是心智进行时光旅行，重新体验过去已经发生的事。”

我们前面曾提到两位来自南半球的心理学家，他们在心智时光旅行上的最新研究成果非常值得探讨：澳洲昆士兰大学的萨登朵夫和新西兰奥克兰大学的柯贝利斯。萨登朵夫和柯贝利斯的主张很有说服力，他们认为心智时光旅行的能力让人类祖先在求生存的过程中得到非常宝贵的优势。他们相信回忆过去和想象未来之间的联系非常深奥。这两位学者说，记忆的行为提供“素材”来塑造未来可能发生的情景，以便采取适当的行动。心智时光旅行“提供更高的行为灵活度，使当下的行动能够提高未来生存的机会”。如果他们的论点没错，那么回想过去的心智时光旅行“附属于我们想象未来情景的能力”。图尔文同意这种说法：“知道过去发生的事有什么好处？为什么要在意？重点在于，你学到了一些东西。或许演化的优势在于未来，而不是过去。”

现代的神经科学似乎证明了这种推论：只要跟大脑有关，记忆的行为就很像想象未来的行为。乍看之下或许会觉得这种说法很奇怪。刘易斯·卡罗尔的著作《镜中奇缘》中的红皇后只记得未来，不记得过去，读者都觉得很荒谬，正因为我们一向认为“记忆”和“过去”理所当然就该连在一起，和未来似乎没什么关系。虽然我们不“记得”未来，却会在心中描绘，我们描绘的方法就跟描绘过去事件的做法非常相似。脑部造影的研究结果指出，不论是回忆过去还是想象未来，在脑部额叶和颞叶中用到的区域都非常类似。

任职哈佛的心理学家沙克特最近在《自然评论：神经科学》期刊上发表的文章中提到：“我们可以把大脑当成基本上有预测能力的器官，预定要用来自过去和现在的信息去预测未来。记忆可以说是一种工具，具备预测能力的大脑就用这工具模拟出未来可能发生的事件。”

最近和沙克特碰面时，他向我解释，这种诠释记忆功能的方式仍算相当新颖，或许能帮助我们了解大脑记忆之所以演化出来的理由。他说：“我们总以为记忆一定和过去有关。人类的记忆很有可能就是要让我们在缅怀过去时有种温暖的感觉，诸如此类的说法很多。但我认为这些说法忽略了记忆让我们能够预测和模拟未来的作用。”

想象未来的时候，我们要做好几件事。我们必须用到大脑记忆系统所谓的“语意记忆”那一块，主要是我们对一切事实的常识，为想象的情景建立架构（除非你记得巴黎在法国，不然很难想象去法国旅行时要到巴黎参观）。然而，我们也必须用到情节记忆，这可能更重要：想象的假期会利用真实假期的记忆，你会想起真实的饭店餐厅等地方。这种记忆通常不够完美（等一下我们就会讨论到），但那可能只是因为这些记忆的主要目的并非提供精确的回忆。萨登朵夫和柯贝利斯认为，情节记忆“可能来自更笼统的工具箱，让我们能够逃离现在和培养远见，或许也能帮我们建立认同个人身份的感觉”。他们主张，我们传统认定记忆的主要作用（在脑海中唤起过去），事实上可能“只是构造上的特质，让我们能够设想未来”。

其他人的观察结果也支持这个想法。心理学家发现想象很久以后才会发生的事件比较难，想象不久之后就会发生的事件比较简单，同理可证，要记起不久之前的事情比较简单，要回忆很久之前的事就难了。我们似乎同时在两个“方向”上迷路：随着年龄增长，使用情节记忆的能力开始衰退，展望未来的能力也愈来愈差。

更值得注意的是，得了失忆症、想不起过去的病患在想象未来时也碰到同样的挫折。心理学上有一个很悲惨的案例，图尔文和其他的心理学家花了很多年的时间深入研究多伦多一名叫作K.C的男性。K.C年轻时遭遇一场摩托车交通事故。他的头部受伤，严重损坏脑部，从此完全失去情节记忆。

K.C的行为大致上看起来正常。他会玩西洋棋和弹钢琴，在车祸发生前他就学会了，这些技能利用第三种记忆系统，叫作“程序记忆”。他在家的附近散步时不会迷路，他的语意记忆和使用语言的能力都没有受到影响，但他的自传式记忆（知道自己是谁）消失了。他不记得过去和个人有关的事件，说不出来昨天做了什么，也说不出来明天可能会做什么。想要回答这些问题时，他的心智很单纯地“变成一片空白”。某位心理学家说，K.C“完全扎根在当下，认知能力无法回到过去，也不能向前移动”。当然，他根本察觉不到自己的处境，这才是最讽刺的地方。沙克特说“当你受困在当下，就真的变成一具空壳、一块碎片”，在这样的处境中，“对个人的自我感觉有强烈的影响”。但在五级分制中，K.C觉得他的快乐程度是四。

圣地亚哥有一个叫作E.P的人，症状和K.C几乎一模一样。十五年前的一场感染几乎毁掉了他的脑部颞叶，他忘了自己的过去，无法形成新的记忆。有一期《国家地理》杂志以E.P为封面故事的主角，作家福尔的描述非常动人：“没有记忆的E.P完全没有时间观念。他失去了连续的意识，发生过的事就像立即蒸发的水滴……被困在永恒的现在中，回想不起过去，盘算不了未来，他的生活定住了……他陷入终极的存在梦魇，完全看不见自己所在的实境。”不过他女儿说E.P“一向都很快乐，非常快乐，我想这是因为他的生活完全没有压力”。

我们都把记忆看得非常重要，但或许某种程度的遗忘也一样有价值。

灵长类的规划

只有人类才懂得心智时光旅行吗？过去几十年来，数名研究人员认为，动物实际上只活在当下，没有回忆过去或想象未来的能力 [4] 。（举例来说，图尔文宣称：“记住过去的事件是非常独特的普遍经验，也是人类才有的。”）近来有关大猿、某些鸟类和其他动物的研究动摇了这个看法，但结论依然充满争议。

在有关动物认知能力的研究中，最知名的就是大猿使用语言的方法。然而，萨登朵夫和柯贝利斯认为，灵长类动物的沟通内容却未显示出它们记得过去的事件。比方说，有只黑猩猩叫潘奇，能表达食物藏在哪里（它懂得引导人类去藏食物的地方），但这“并不证明它记得藏食物的动作，就像你知道车钥匙在何处，可是不记得你把钥匙放在那里的这个过程”。萨登朵夫和柯贝利斯的文章中是这么写的。他们相信，经过训练的灵长类“产生的‘语言’并不包括在记忆中来回移动的描述，也无法提供心智时光旅行的证据。到目前为止，它们的语言不包含时态，也无法证明它们会诉说有关过去的活动或预料到的情节”。

野生的黑猩猩似乎展现出更强的先见之明和规划能力。它们会在某个地点用棍子制作“长矛”，然后在另一个地点用这些长矛来收集白蚁；也有人看过黑猩猩把石头从一个地方搬到另一个地方，然后在新的地点用石头敲开坚果。但分析观察结果时要小心。路易斯安那大学认知演化团体的主任波维内丽告诫我们，使用工具并不代表事先规划。黑猩猩真的在盘算未来吗？波维内丽说：“它们也会思考，但是在想什么？”很重要的是，它们是否在想象要找个时间去猎捕白蚁或敲开坚果，抑或找件事来做，忘了现在肚子饿的感觉。萨登朵夫和柯贝利斯认为“它们的预期脱离不了当下的背景”，因此不算是心智的时光旅行。

鸟儿、大脑和早餐

很有意思的是，动物懂得心智时光旅行的证据并非来自大猿，而是一种叫作灌丛鸦的鸟儿。灌丛鸦习惯把食物藏在很多地方，之后再拿出来。此外，它们还能分辨藏起食物后到底过了多久：会先找出最近贮藏的虫子，而不是坚果，因为新鲜的虫子比较美味；但如果虫子放了太久，它们就会改选坚果，看来它们知道虫子已经变得不新鲜了。

在一次非常有趣的灌丛鸦实验中，心理学家克莱顿和同事准备了两个隔间，每隔一天就交换灌丛鸦的住所；在其中一个隔间，灌丛鸦每天都会吃到“早餐”，在另一间就没有。然后研究人员会在傍晚随机喂食，地点在鸟儿可以任意进出两个隔间的地方。灌丛鸦立刻把多余的食物贮藏起来，而且它们喜欢藏在“不供应早餐”的隔间里。在贮藏食物时灌丛鸦并不觉得饿，所以研究人员主张，它们真的预料到第二天早上会觉得肚子饿。目前任职于剑桥大学的克莱顿觉得其中的含义很清楚：灌丛鸦“不论目前的动机为何，都能自发地规划明日，从而撼摇了原本这只属于人类的能力的想法”。（她的小组也观察到另一个很有趣的行为：灌丛鸦似乎能记住自己在藏食物时旁边是否有其他的鸟儿看到。如果被看到了，灌丛鸦稍后会回来把食物移到其他地方。此外，偷过食物的鸟儿这种反应会特别强烈，或许这就说明了“做过贼的才懂抓贼”。）

心理学家罗伯茨在《当代生物学》期刊发表的文章探讨了最新的研究结果，他的结论认为灌丛鸦和除人类以外的灵长类动物，“能够预料未来，规划现在尚未体验到的需要”。这些研究指出，“某些动物的心智能够旅行到过去和未来”。（罗伯茨似乎让步了：他在五年前的文章中写道，动物“或许会察觉到永久的现在，而人类早就能从不同的时间观点来看世界”。）曾拓尔在最近出版的另一篇评论中也做出相同的结论：“想象过去和未来事件的能力或许并非人类独有。”

灌丛鸦研究虽然令人印象深刻，但怀疑二人组萨登朵夫和柯贝利斯认为这些研究不具有决定性。他们认为灌丛鸦很有可能“记得住”食物藏在哪里，但并不需要在心理上重新塑造过去。这两位研究人员仍旧“不相信这些案例展现出真正的心智时光旅行” [5] 。图尔文也保持同样的怀疑态度。他说，克莱顿差点把灌丛鸦的能力称为“情节记忆”，但后来却改口说是“类似情节”的记忆，这点让他很高兴。

心智时光旅行的演进

就算心智时光旅行的能力仅属于人类，很有可能除了早期的人科动物外，人类和大猿共同的祖先也有这种能力 [6] 。人类和灵长类动物都是高度社会化的生物，很有可能在记录群体成员的动向时（比方说要预知同伴接下来会做什么），也能顺便磨炼跨越时空追踪物体所需的技能。在这种情况下，萨登朵夫和柯贝利斯就放弃坚持了，今日的大猿或许也有心智时光旅行的征兆。另一方面，发展成熟的心智时光旅行可能最近才成形。举例来说，图尔文推算或许在五万年前智人发展成熟后，这种能力才出现。

心智时光旅行的能力很有可能并不是独立发展的，而需要伴随其他重要的认知能力。萨登朵夫和柯贝利斯的文章写道：“遥想未来的事件需要某种想象力，心智中必须有某种具象空间分配给想象力。”语言的作用可能也很重要。我们的语言能力包含时态和递归思考的用法，彻底支持心智时光旅行。当我们说“再过一年他就退休了”时，就是想象在未来的事件点，某件现在还没发生的事也会变成过去式。萨登朵夫和柯贝利斯指出，这句的原文用未来完成式，只是英文三十多个时态中的某一个，“且反映语言和心智时光旅行的密切关系”。（很有趣的是，心智时光旅行虽然扎根在脑部构造中，但不同文化之间的差异却很明显。惠特罗就观察到，“虽然我们对时间的感知是人类演化的产物，我们对事件的概念却并非与生俱来或自动学得的，而是来自经验和行为的智力解释”。）

萨登朵夫和柯贝利斯认为，心智时光旅行有可能是“语言演化固有的先决条件”。如果心智时光旅行的确是人类独有的能力，或许就能解释为什么复杂的语言很显然也是人类才有的。（另一个能力可能和心理学家口中的“心智理论”有密切关系，人类用这种能力辨别其他人和自己不一样的心智状态。举例来说，到了三四岁，小孩子就能分辨另一个人是否有错误的信念。）

大约两百万年前，人属最早的成员出现在地球上，他们的脑子（按身体比例来说）比之前的生物都大，通过了物竞天择。萨登朵夫和柯贝利斯主张，或许这些脑部较大的人科动物出现，反映出自然选择的重点是“像心智理论、语言等这类相关的特质，而我们认为，心智时光旅行的能力也是选择的重点之一”。我们在第一章已经看过早期的人科动物会制造工具并搬移到其他地方以便将来使用；萨登朵夫和柯贝利斯认为，这是最早显现出来的征兆，表示全新的认知能力愈来愈旺盛，带领我们的祖先超越以往，愈来愈繁盛。他们认为心智时光旅行“提供适应未来的终极步骤” [7] 。

一百多万年以来，欧亚非三地的平原上随时都有好几种人科动物到处漫游，最后生存下来的只有智人。我们前面已经讨论过这个故事的结局：尼安德塔人于两万五千年前消失。萨登朵夫和柯贝利斯指出，人类赢得胜利是“因为不断培养前瞻力、语言、文化，以及合力侵略，让我们在非凡的演化竞赛中成为唯一的赢家。我们或许是唯一具备心智时光旅行能力的物种，因为其他和我们竞争的物种都绝种或遭到灭绝”。

最后留下的生物懂得直立行走、利用工具、使用精密的语言，也是史上第一种具备完整“过去”和“未来”概念的生物。这就是“时间”概念出现的方法吗？萨登朵夫和柯贝利斯的文章写道：“在脑海中重建过去的事件，以及建构未来的事件，或许就是时间概念的起源，也让人明白过去和未来之间的连续性。”

孩童的心智时光旅行

小孩子一生下来并不懂得心智时光旅行。在动物的案例上我们虽然已经有了定案，但刚出生到十八个月大的幼儿似乎都活在“永恒的现在”中。所有的渴望、每一句儿语，似乎都深植在幼儿对周遭环境在当下的看法。小孩的时间感会跟着记忆力和语言能力逐渐发展。很小的婴儿就展现出具备短期记忆的征象：三个月大就能认出一两个星期前看到的手机。两岁的小孩能够按顺序说出好几个星期前看到的数个物品 [8] 。他们也学会使用“现在”这个词，稍后也学会使用“马上”，但词汇中几乎没有和过去有关的字眼。几乎所有小孩都先学会“明天”，然后才会用“昨天”。

到了三至五岁，孩童才有思考和描述过去和未来事件的能力，以及规划未来的活动。四岁左右的小孩被问到关于昨天发生的事和明天有可能发生的事情时，一般都能够正确地回答（三岁小孩也能回答类似的问题，但答案通常有误 [9] ）。罗伯茨认为，不到四岁的小孩“或许尚未具备语言运用技能，来表达时间是一种从当下向后或向前移动的维度”。（这个年龄的孩子也会自发选择延迟享乐：拒绝眼前的享受，知道马上就能拿到更多的奖励。）

到了六岁，就一路向前冲了。这个年纪的小孩常会提到昨天、今天和明天。他们记得起发生过的事，也会想象未来。他们可能会提早开始倒数圣诞节和生日还有几天，具体期待（或许也会提出要求）当天能得到的东西。六岁小孩的认知能力大大超越了有史以来最聪明的黑猩猩或灌丛鸦。八至十岁的孩童更聪明，开始把时间当成抽象概念，正如惠特罗所说：“某一段所有事件都会发生的时间。”（很有趣的是，实施日光节约时间时要把钟表往前拨，大多数十岁的小孩相信他们就此又老了一个小时，大多数十五岁的少年却明白时钟上的时间只是一种习俗。）

上述现象至少是我们在西方文化中的小孩身上观察到的。惠特罗要大家注意，孩童发展时间感的方法和文化环境关系密切。（刚才我们才说过罗伯茨关切的问题是幼儿“或许尚未具备语言运用技能，来表达时间是一种从当下向后或向前移动的维度”，但为什么他们应该用这种方法来设想？）惠特罗在其著作《历史上的时间观念》（1988年出版）中提到在乌干达进行的一项研究，和针对澳洲原住民做的另一项研究，他指出其他文化中的孩童“很难把在时钟上看到的时间与当天的实际时间建立关联”，这不是因为智力落于人后，而是因为“他们的生活跟我们不一样，不受时间支配”。人类学家盖尔后来也提出主张，响应虎克关心的问题，强调我们在探讨时间观念时面对的难题：那种“概念”有多少来自生理，又有多少来自文化呢？盖尔的文章中写道：“我们没有计算到底过了多少时间的专属器官。说到时间‘感知’，就已经是一种比喻。”

记忆的弱点

心智时光旅行的确能操控认知能力，让我们的大脑在时间的长河中游走。但这段旅程的两个方向虽然牵涉类似的脑部流程，感觉却大不相同。想象未来时，我们知道脑海中的图画其实只是按照经验和知识仿真出来的，大方向或许没错，但小地方一定错误百出。我们总把记忆想得更可靠，在大多数情况下，我们觉得自己的记忆不只是有一定根据的猜测，而的确能反映出真正发生过的事。当其他人提起上星期的派对，说法跟我们的记忆互相冲突时，我们会坚持自己的信念：他一定弄错了，我知道我看到了什么。然而，随着时间流逝，记忆也跟着褪色。翻开日记或翻阅相簿时，可能会让我们想起之前的回忆。普鲁斯特的作品《追忆似水年华》中的叙事者吃到柠檬风味的糕点小玛德莲，就仿佛穿越时间回到童年居住的村落。有时候，就算不能重新体验很久以前的快乐时光，能够回味也算聊胜于无。但记忆有多可靠？

记忆力也有缺陷，这个说法你听到也不惊讶吧。我们都碰到过很尴尬的情况，碰到认识的人却想不起来他的名字，承认自己忘了会觉得很丢脸，不然就只能装着自己没忘记，暗自祈祷能突然想起来。大多数人也有这样的经验，疯狂地寻找不见的皮夹、皮包或一串钥匙，结果却发现东西就放在最显眼的地方。随着年龄渐长，记忆力自然会衰退，而老年痴呆症等神经性疾病真的会毁坏记忆。

更令人惊讶的是，健康的成年人就算对自己栩栩如生的记忆充满自信，也不能保证记忆完全正确。我们记得的东西常常大错特错。有一项很知名的实验非常简单，你可以找朋友试试看，列出意义相关联的字词。负责实验的人念出这一串字，如“疲倦”“床铺”“醒来”“做梦”“夜晚”“毛毯”“打鼾”和“打哈欠”等全部和“诱饵”词有关的字词，这里的诱饵则是“睡觉”。受试者稍后会看到另一串词，他们会马上辨别出和主题无关的新词（例如“厨房”或“奶油”）。然而，他们常常宣称诱饵字也在第一份清单里，这就答错了。沙克特说他曾在近千人的会众前做这个实验，通常有80％～90％的人认为他们“听到”不在清单上的词。通常大家都确定自己听到了那个词，还控诉做实验的人说谎！

我们为什么会犯这种错误，沙克特也有一套理论：就演化而言，记住事件的要点比较重要，细节就不必了。我们可以消化故事的主旨和做出反应，一长串的细节只会让我们陷入僵局。沙克特说：“从正面的角度来说，面对眼前的事物，我们能马上抓住重点。缺点则是凸显了我们不太能够记下学习过程中的所有细节……因此我们可能会犯错，把强烈的熟悉感或回忆演绎成从未发生过的事。”

如果这里讨论的事件目击者很多，比方说一场很有名的电影，我们通常会发展出集体的记忆突变。很多人都以为在《北非谍影》中，鲍嘉饰演的瑞克有一句台词是“山姆，再弹一次”，其实不然。（瑞克是说“你都弹给她听了，当然也可以弹给我听”，然后说“如果她受不了，我没问题！弹吧！”）电影《碧血金沙》中也有一句几乎同样有名的台词常造成扰乱。阿方索·贝多亚饰演的强盗头子从没说过“识别证？识别你个大头证！”。（实际的台词是：“我们不需要识别证，我不用给你看什么狗屁识别证。”）身为科学记者，我最喜欢想起萨根在迷你电视剧集《宇宙》中常说的“数十亿又数十亿”，很有可能这就是他的口头禅。事实上，他发誓他从没说过这几个字。但卡森常在“今夜秀”以戏谑方式模仿萨根，他就常说“数十亿又数十亿”。

我们很容易产生错误记忆，不过这也有好处，可以帮我们记住要点，但还是会让人有些忧心，实验人员列出的词和记错的电影台词只是起头。科学家发现，不管是不是有心，要在受试者脑海中注入精心计划的错误记忆其实不难。在一项广为人知的研究中，加州大学尔湾分校的洛夫特斯和同事告诉受试者他们小时候曾在购物中心里走丢了，居然有将近三分之一的人被说服（在实验前他们和受试者的近亲面谈过，这些介于十八岁到五十三岁的实验对象，事实上并没有走失的经历）。更具争议性的错误记忆范例，则是和受虐或性侵有关的记忆──那些本来“被压抑”但后来在治疗师的帮助下重新想起来的经验，通常会通过催眠、“引导想象”或其他很容易引发争议的做法来治疗。

瞬间记忆

还有另外一种一直都很引人注目的记忆，最近心理学家才开始仔细研究。如果我问你2001年9月9日或10日你在做什么，大概很难想起来。但很有可能你清清楚楚记得那年9月11日早上自己人在哪里、当时在做什么。和强烈创伤或重大事件（尤其是震惊全国的事件）有关的记忆叫作“镁光灯记忆”。这个名词由两位哈佛大学的教授布朗和库利克发明，他们在20世纪60—70年代研究人类对动荡混乱的回忆。这个术语一看就明白意思：记忆深刻到就像照片般铭刻在脑海中。对老一辈的人来说，肯尼迪总统遭到刺杀的记忆就深刻到这种程度。更近代的事件则有1986年挑战者号航天飞机爆炸、1995年涉嫌杀妻的辛普森被判无罪、1997年英国的黛安娜王妃死于车祸，2001年恐怖分子攻击世贸中心当然也算。布朗和库利克相信这些记忆留存在大脑中的方法基本上和普通的记忆不一样，一定涉及他们称为“立可印”的特殊大脑机制，借此把我们得知消息的那个事件点冻结住了。

由于“9·11”恐怖攻击震惊全球，在研究此类造成严重创伤的公共事件时，自然很容易被选为案例。我们现在都用事件发生的日期“9·11”来指称，表示日期本身已经在我们的集体记忆中留下永久的刻痕 [10] 。

纽约大学的心理学家菲尔普斯最近做了一项研究，仔细调查关于“9·11”事件的记忆，也第一次用脑部照影技术检查这种记忆背后的机制。7月的某个午后，我和菲尔普斯教授会面。这天天气闷热，走在纽约的人行道上，就像走在比萨烤炉里，太阳正好在头顶上，摩天大楼的影子也只有短短一截。纽约大学心理学系馆的八楼不知道为什么也一样闷热。

菲尔普斯解释，她的研究出现了好几个耐人寻味的结果。过了三年后，她和同事询问当时在曼哈顿市中心、离世贸中心只有几公里的人，还有七八公里外在中城的人。结果发现，受试者对“9·11”事件的记忆强度跟他们与攻击地点的距离成正比。愈靠近“双子星座”的人讲的内容愈仔细，比离得远的人更生动、更具说服力。

菲尔普斯相信其间的关系很直接：靠近双子星座的人情绪反应比较强烈。他们看得到、听得到，甚至闻得到发生了什么事。菲尔普斯说：“靠近事件地点的人那天很有可能感觉得到威胁，还会跑去找掩护什么的。他们比较有可能描述真实的感官经验。”虽然当天的事件很可怕，但靠近纽约市北边的人不太容易感觉到实际的威胁。事实上，距离比较远的人所呈现出来的回忆从质量上来说跟其他重大的个人事件差不多，比方说去年夏天搬家到纽约，或举办难忘的生日派对。换句话说，只有在市中心的人才有真正的镁光灯记忆。

菲尔普斯和小组成员扫描脑部的结果也支持这个想法。要求受试者回想起所有和“9·11”事件有关的经验时，他们使用fMRI扫描仪研究受试者的脑部活动 [11] 。菲尔普斯发现比较靠近双子星座的人脑中杏仁核的活动比较频繁。杏仁核是位于颞叶深处一对杏仁形状的区域，主要负责处理充满情绪的记忆，尤其是恐惧反应。

值得探讨的是，正如布朗和库利克所述，造成创伤的事件虽然会在我们脑海中留下深刻清晰的记忆，但这些记忆和其他事件的记忆一样，不一定完全正确。好几项研究的结果显示过了一段时间后，镁光灯记忆的正确度就跟一般的记忆一样不断降低。在一项调查中，心理学家发现挑战者号航天飞机爆炸后过了两年半，接受调查的人在回答基本的问卷时，答案就跟事件发生后第二天的完全不一样；另一项研究发现，三年后有三分之一的人讲的话前后不一致。

以“9·11”攻击事件为案例，也出现了类似的结果。菲尔普斯说：“要说服别人他们不知道自己9月11日在干什么还蛮难的。”但研究结果发现，“很多人所知‘9·11’事件的细节其实不尽正确，跟昨天晚上参加的派对能记得的程度差不多，这些记忆之间的差异在于感觉自己的记忆是否正确。”

为什么我们很有信心自己能记得造成强烈创伤的事件，但事实上相关记忆的正确度却跟平凡事件的记忆差不多？菲尔普斯相信这是人类大脑的优势，忽略无关紧要的细节。她说：“我们用情绪判断哪件事比较重要。如果眼前有老虎要把你吃掉，细节就不重要。重要的是‘老虎呀，快跑吧’。”听起来很像前面讲到列出字词时，沙克特说我们无法记住：我们只记得要点，不记得细节，因为要点比较重要。菲尔普斯说：“我们觉得在面对会让你十分情绪化的事件时，这个优势可以帮你快速做出决定。这是我们的一贯主张，但是我们没办法证明。”

小布什在想什么？

如果发现自己愈来愈记不起“9·11”事件的细节，没关系，大家都一样。攻击事件过了几个月以后，就连当时的美国总统都快想不起来当天发生的事。加州大学洛杉矶分校的心理学家格林伯格发现，小布什的“9·11”记忆在那一年的变化十分值得注意。2001年12月4日，攻击事件过了快三个月，布什回忆起当时的情况：

我人在佛罗里达，还有我的幕僚长卡德──事实上，我要去教室里讨论一套不错的阅读方案。我正坐在教室外面，等着要进去，就看到飞机撞上世贸中心；那边刚好有电视可以看吧，我自己也开过飞机，便说：“那机长技术太糟了。”然后我说：“一定是一场很可怕的意外。”马上有人把我带走了──我连想都没时间想，我坐在教室里，幕僚长卡德坐在这儿，他走进来告诉我：“第二架飞机撞上了塔楼。美国受到攻击了。”

过了两个星期，接受《华盛顿邮报》访问时，回忆起当天的情况他又有另一种说法。《华盛顿邮报》的报道如下：

布什总统记得资深顾问罗夫告诉了他这个消息，罗夫说好像有一架双引擎小飞机出了意外。事实上那是一架美国航空编号11的航班，从波士顿洛根国际机场起飞的波音七六七班机。根据别人告诉他的内容，布什总统假设那是一场意外。“一定是机长犯错了，”总统记得他自己这么说，“很难相信有人故意这么做。”和幕僚长卡德商谈后，布什总统说：“那家伙一定是心脏病发了。”……到了九点零五分，另一架波音七六七班机，联合航空的175号航班撞上了世贸中心的南塔。布什正坐在教室里的凳子上，卡德轻声告诉他发生的坏消息：“第二架飞机撞上南塔。美国受到攻击了。”

到了2002年1月，小布什的记忆又变了：

我人坐在那儿，还有我的幕僚长──，一开始我们走到教室里，我已经看到飞机撞上了第一栋楼。那里有一台正在播放的电视。你也知道，我以为机长出错了，很惊讶居然有人能犯下这么可怕的错误。那架飞机看起来怪怪的──总之，我正坐在那里听简报，然后卡德过来说：“美国受到攻击了。”

小布什似乎不记得是罗夫告诉他第一架飞机撞上高塔，还是他自己在电视上看到的。要说他自己看到其实不可能，因为第一架飞机失事的镜头（正好有电视台的工作人员在拍其他的节目，不小心就拍到了），要过一会儿才会上电视。可以想象阴谋论者正中下怀，宣称如果小布什看到了第一次失事的影像，他跟“同伙”一定装了摄影机来拍摄整个过程。格林伯格问：“我们一定要相信总统聪明到用这么可怕的阴谋来攻击美国，却又笨到说溜了嘴吗？还不止一次。”

事实上，格林伯格说如果我们能“考虑到人类记忆力的缺陷”，还是一个很温和的解释的。问题在于接下来的日子里，“9·11”事件震撼人心的影像一直出现在我们眼前（可说是灾难事件的冠军）。最后这些图片可能也影响到我们对原始事件的记忆。（1992年，以色列航空的货机在荷兰阿姆斯特丹失事，在后来荷兰人做的一份研究中，被问到的人里面有60％说他们在电视上看到了失事那一刻的镜头，可是从来没有人拍到当时的画面。）我们也觉得电视就是新闻的来源，但事实上我们是从其他地方得到消息的，比如说和别人对话或有人打电话来通知你（心理学家说的“来源失忆”就可以拿这个现象当例子）。此外，心理学家也发现我们很容易把不同时间的回忆结合在一起，无意间以事件发生前后的真实记忆为依据，创造出不正确的回忆（有时也叫作“不正确的时间片段”）。

小布什对“9·11”的记忆变化无常，格林伯格的结论是：“总统先生就像大多数美国人一样，在接下来的几个月内想必看了无数的片段，包括第一次失事的镜头。然后，当小布什想记起第一次怎么听到攻击消息时，他就跟其他人一样，从错误的时间片段撷取信息，回想起生动且难忘的影像，而非罗夫平淡无奇的陈述。”要注意的是，即使小布什自己的回忆变化多端，有一项元素几乎保持不变：他的幕僚长卡德在他耳边轻声告知第二次失事的消息。接下来的几个星期内，捕捉到那一刻的照片频频出现在各大报刊上，应该不是巧合了。

注解：

[1] 　大多数人都能感觉到这些节奏有多容易变得一团糟，比方说必须值夜班的时候，或者越过好几个时区后会有时差。

[2] 　然而，有些特定的区域要负责调节昼夜节律。最重要的区域叫作“视叉上核”，在靠近大脑底部的地方。在实验中，取出老鼠的视叉上核后，它们的昼夜节律就减弱了。

[3] 　我们会在第八章讨论有形的时光旅行，这两者不可混淆。顺便要提一下的是，当我们的心智进入另一个时间时，通常也会进入另一个空间。如果你小时候住在其他地方，回忆起成长过程时，除了穿越时间，心智也会跨过空间。然而，科学文献都没有提过“空间旅行”的术语。

[4] 　有很多种动物看起来都会根据季节因应环境的变化：松鼠把坚果埋起来，熊类冬眠，候鸟迁徙。然而，此类活动一般都被认为出自本能（无法“舍弃”），并非心智时光旅行的范例。

[5] 　萨登朵夫和柯贝利斯坚持结果并未让他们觉得沾沾自喜：“讲出这些‘扫兴’的话，并非因为我们对世界早有定见。如果能证实其他动物也有心智时光旅行的能力，我们也会觉得欣喜。很多人都觉得人类是宇宙的中心，如果动物也有这种能力，对他们来说可不是开玩笑，也具备十分深奥的道德蕴涵。”但他们认为科学家找不到证据，“我们主张到目前为止所提出的资料都指出，只有人类才懂得心智时光旅行”。

[6] 　最后的黑猩猩属和我们人属的共同祖先，应该存活在五六百万年前。

[7] 　并非所有对未来的领悟大家都能正面接受。我们在第一章提过，萨登朵夫和柯贝利斯也同意，察觉到未来的存在，就会领悟到人生必有一死。他们两人承认这会“带来其他的心智压力”。

[8] 　虽然很明显幼儿已经有形成记忆的能力，但他们的记忆不持久。大多数成人不记得三四岁之前的事情。幼儿就是无法储存长期记忆，研究人员相信或许这是因为海马回和新皮质层等关键的脑部结构尚未发育完成的关系。

[9] 　这种实验的难度很高。心理学家巴斯比指出：“我们不清楚三岁大的孩子表现不佳是因为他们尚未具备心智时光旅行的能力，还是因为他们听不懂我们的问题。”

[10] 　九一一事件过了五年后，《华盛顿邮报》在2006年做了调查，却发现30％的美国人说不出攻击事件发生在哪一年，实在难以置信（但95％的人能说出月份和日期）。

[11] 　fMRI是“功能性核磁共振造影”的缩写，这种方法能够有效测量脑内的神经活动。（理由很明显，九一一事件的记忆成形时，当下并没有相关的资料。）

第六章
寻找时间之箭

“顺序”或许只有一瞬间，熵永远会取得最后的胜利。肉体无可避免地让步了，或许最后文明也会投降。所有的变化和时间之箭都指向腐坏的方向，但从物理学的角度来说，时间的“流动”不存在，世上也没有不断前进的“现在”。“流动的时间”只是人类意识不知用什么方法创造的幻觉。

自然与自然定律，在黑夜里隐藏。

上帝说，让牛顿来，于是，一切化为光。

——蒲伯

在牛顿的巨作《自然哲学的数学原理》（以下简称《原理》）中，同事英国天文学家哈雷帮忙写序，他在序中说：“和我一起颂扬牛顿吧，他打开了宝箱，揭发隐藏的真相，”哈雷的口气非常激昂，“再没有其他人能像他这么超凡入圣。”他的称赞绝非言过其实：牛顿（1642—1727年）在《原理》中详述的数学架构，成为物理学两百多年来的基础 [1] 。

牛顿主张“绝对、真实且精确的时间……会稳定地流动”。他认为眼前发生的事件以绝对的空间和时间为固定的背景

但《原理》曾经几乎失去了见天日的机会。年轻时的牛顿在别人口中是名“持重、沉默、好思考的小伙子”，很少与人往来。他待在剑桥的房间里，就着烛光草草写下伟大的想法。鼠疫爆发时，剑桥暂时休课，他避居到家族在林肯郡乌尔索普的乡间别墅，享受离群索居的感觉。这段隐居的日子从1665年底开始，长达十八个月，有些人说这是牛顿的“奇迹年”。后来回忆起这段时间时，他说：“那是我从事发明的全盛时期，也是我花最多心思研究数学和哲学的时候。”在1667年，鼠疫逐渐退散，牛顿回到剑桥，最重要的想法已经在脑海中成形。他用三大运动定律囊括伽利略的动力学，为其建立数学基础；他制定现代所谓“微积分”的规则，能够计算极小的量；他开始研究光线和色彩，并发挥惊人的想象力，用从树上掉下来的苹果和转动的行星或月球，来告诉我们这些现象都在响应同样的力量，用精确的万有引力定律阐述这个现象。那时，他才二十四岁。

通往《原理》的路

然而，牛顿并未大肆宣扬这些看法。欧洲各地有很多学究写信给他，通常他不会回信，“我拒读讨论数学和哲学问题的信件”，稍后他回忆说，他觉得这些信件“流于辩论和争议”。他关于物理学的著作不多，多半都是未完成的论文，在剑桥三一学院的研究室里放了二十多年，跟有关炼金术和神学的文章一起盖满了灰尘。但1684年8月哈雷来访后，他的态度就改变了。哈雷大部分的时间都待在伦敦，他知道其他学者正准备发表的构想跟牛顿的研究内容差不多。（以虎克为例，似乎跟牛顿同时想到重力的平方反比定律。）牛顿这时才明白，如果要众人赏识他充满创新的科学贡献，就得加快脚步了。他用狂热的速度写作，把他知道的宇宙结构全部写下来。在写作时有一段短暂的时期，他几乎完全避开了外在的世界。他常常忘了吃东西，有时去餐厅和同事吃饭，虽然只是短短一段路他也会迷路。（牛顿的助理后来回忆当时的情况说，离开研究室时，本来应该要右转，他却往左边走，发现走错路了，他往回走，但又错过餐厅的入口，最后走回了自己的房间。偶尔他会“在书桌前站着写字，连拉张椅子过来坐下的时间都不给自己”。）

在牛顿描述世界时，时间就是重心。他的目标是要用数学描述动作，而运动当然就是一段时间内的位置变化。但他在《原理》中提到的时间概念却是物理学家和哲学家一直无法解开的难题。在大作一开始的地方，他说“我不会定义众所周知的时间、空间、地点和运动”，但接下来很快就提出了这些定义。（他之前的老师巴罗带来的影响一定很深厚，巴罗曾说过：“由于数学家常常利用到时间，他们应该清楚了解这个词的意义，不然就是骗子。”）。如果我们靠着直觉就了解时间的意义，为什么牛顿觉得他必须定义“时间”？他说他的目标在于分辨“精确时间”和一般人都持有的“普通时间”概念，以便消除“某些偏见”。因此我们就看到他非常有名的定义：

绝对、真实且精确的时间，就其本身且从本质来看，会稳定地流动，与任何外物无干。

牛顿究竟是什么意思？如前所述，运动就是一段时间内的变化，但如何测量时间？在牛顿的时代，每天误差几分钟的时钟仍算新颖。追求精确计时的人可以仰望天空观察日月星辰的运行。但运行不够规律，变数很多，这点牛顿早就发现了。他在《原理》中提到的范例是“时间的等式”，这个术语代表太阳每日运行轨道和运行轨道理想化平均值之间的差异。前者是日晷标示的“太阳时间”，后者是现代所谓的“平均太阳时间”。两者之间的差异不容忽视：日晷显示的时间可能会比平均太阳时间快上二十分钟，或慢二十分钟。到哪儿去找完美的时计呢？牛顿发觉地上或天上都没有完美的时钟可以仰赖，和地面物体一起遵守同样定律的星辰也无法准确计时。根据牛顿的推理，在这些不完美的实体时钟下，一定有真正的“普遍”时钟：具备精确动作的完美宇宙钟，真正的时钟只能仿效那种精确度。

牛顿的时间概念以伽利略和笛卡儿当时的研究为根据，却又背离他们两人的看法。伽利略从几何学的角度来想象时间，时间就像一条有规律刻度的直线，牛顿的前辈巴罗也认同这个看法 [2] 。笛卡儿（1596—1650年）则认为时间是测量运动的方法，但持续的期间则是主观的看法，一种“思考的模式”。虽然发展出用几何方法来分析空间的坐标系统，但笛卡儿不从几何的角度来思考时间。牛顿更进一步，他想象时间和空间都是真实存在的几何结构。（正如哲学家图雷茨基指出的，当时的机械钟愈来愈普遍，虽然不完美，但牛顿也可能受到影响，激发了“时间和空间的模拟”，并加强了“时间超越运动的重要性”。）牛顿的宇宙钟滴答计时的速率与恒星和行星无关，不受人类感知的支配，是独立存在的。即使宇宙中所有的物质都消失了，时间仍然存在，这是最基本的。

“绝对时间”的问题

从牛顿的架构可以衍生出所有的方程式来预测物体移动的方式。在学校念书的时候，我们学了几个最有用的式子。假设有一个物体以稳定的速度移动。在这种情况下，物体移动的距离可以用方程式d=v×t来计算（距离等于速度乘以时间）。类似的（复杂度稍微提高的）等式则可以算出，在稳定施加力量让物体加速时，物体如何用移动的方式来反应。在这些方程式里，时间是一个参数，描述两个量如何互相影响而变化。牛顿的架构要有一致的时间和空间，才能发展出这一类的定律，因此他才能把时间和空间当作抽象概念。的确，在定义绝对时间前，他已经先定义了绝对空间，两者的说法大同小异：“绝对空间从本质来看，永远保持同质且不可移动，与任何外物无干。”牛顿觉得这种抽象的时间和空间是最基本的。没有绝对时间（比方说，我们决定测量速度和距离时一定要以所在地的某座钟为准），牛顿的定律就失去了普遍性。

有几位哲学家立刻对牛顿的绝对时间提出反对意见，他们认为时间应该是“相对”的，当实际的物体移动时，相关的时间才有意义。在跟牛顿同时代的学者中，支持相对看法的人则以德国数学家和哲学家莱布尼兹（1646—1716年）最知名。在去世前一年，莱布尼兹和支持牛顿的英国神学家克拉克（1646—1716年）鱼雁往返十分热烈。相对派认为，时间只是一种比较两项事件的方法。从相对的角度来看，时间和组成宇宙的物体并非毫无关系。事实上正好相反：有形的物体和动作就是定义时间流动的因素。我们或许会认为这个想法比较接近真正的体验：人类“看不见”时间，就像我们看不到空间。我们只能察觉到时间中的事件和空间中的物体。

任职于加拿大安大略省滑铁卢圆周研究所的物理学家施莫林提出的比拟可以帮我们更好地了解时间。想象你在空荡荡的音乐厅里，有人忘了带走节拍器，你只听到节拍器的嘀嗒声。节拍器就是牛顿想出来的绝对时间，不管发生什么事，都一直持续计时。然后音乐家进场了，可能是弦乐四重奏，也可能是爵士乐团。他们不管节拍器（有可能根本没听到），就开始演奏。施莫林解释，从音乐中浮现的“时间”则是“根据思维和乐章之间发展出来的存在的相对时间”。演奏者聆听彼此的音乐，“透过音乐的交流，他们创造出的时间仅属于宇宙中的此时此地”。牛顿觉得音乐家的时间“是节拍器真实且绝对的时间留下的影子”。另一方面，莱布尼兹则认为节拍器“是虚构的，结合我们和眼前真正发生的事件”，在音乐厅中唯一遇到的时间则是演奏者“编织起来的”。

要制定出一套有系统的机械定律来涵盖相对时间很难，莱布尼兹自己也不知道该怎么做（爱因斯坦做到了，我们在下一章会看到）。相对的时间观本身也有难处。如果时间就是动作，动作停下来了时间也会跟着停止吗？相对派必须提出肯定的回答：没有动作，就没有时间。在牛顿的体制中，由于未知的原因，时间仍会在形而上的背景中继续前进。

牛顿和莱布尼兹

德国哲学家莱布尼兹反对牛顿的“绝对”时间和空间。相反，他提出“相对”的看法，只按物体的活动来测量时间

牛顿和莱布尼兹之间的“战争”也牵扯到神学。当时的人信仰上帝，像牛顿和莱布尼兹这么伟大的思想家光解释有形的世界还不够，他们也必须证明这对上帝创造世界的方式具有意义。但牛顿和莱布尼兹处理的方法完全不一样。莱布尼兹认为上帝做事绝不会突发奇想，每个行为背后一定都有理由及合理的解释，这叫作“充足理由律”。莱布尼兹相信，如果时间是绝对的，在观察不到变化的时候仍继续前进，时间在上帝创造宇宙前就已经开始流动，那么，上帝在某个时间点创造了宇宙。为什么要选“那一个”时间点？为什么不早五分钟或晚五分钟？毕竟在牛顿的体制里，每一个时刻都一模一样。（牛顿的盟友克拉克绞尽脑汁想出了他的答案，他觉得上帝有时候的确会突发奇想。莱布尼兹不满意他的回答，他说这种概念“只是断言上帝主观行事，没有足够的理由来表明他的目的”。 [3] ）

从相对的观点来看，没有事件发生，讨论时间就没有意义，所以在宇宙创造前，时间并不存在。莱布尼兹认为上帝并未在某个时刻创造宇宙，而是在创造宇宙的同时也创造了时间。（这里要注意的是，莱布尼兹对时间的看法也有问题。如果一瞬间无法持续，时间“真的”存在吗？他问：“如果某样东西的某个部分根本不存在，这个东西怎么会存在呢？时间的元素完全不存在，只有好多个一瞬间，但一瞬间本身却不是时间的元素。”）

牛顿知道莱布尼兹反对他的理论，但他从没想过用自己的理论证明上帝的荣耀。绝对空间和时间的想法的确深植于牛顿对无所不在永恒真神的信仰。我们可以从他的著作中看到，1713年第二版的《原理》后面加了《总附注》，在这短短的附录中就能清楚看到其中的关系 [4] ：

永恒、无限、全能、全知的真神，经历无穷尽的永恒，永不消失……他不是永恒和无限的化身，但他永垂不朽。他不是时间和空间的化身，却坚忍不拔、无所不在，永久存在与遍及各处的上帝构成了时间和空间。

科学历史学家斯诺贝伦在文章中写道：“能支配一切的上帝就是牛顿信仰的上帝，也是他所研究的自然哲学的根源，亦为牛顿绝对空间和时间的上帝……先有了上帝，然后他无限的延伸和永恒的存在才能衍生出绝对的空间和时间。”

牛顿也信奉古老的“设计论证”，也就是说自然世界中处处反映造物主存在的证据。他在《总附注》中宣称：“太阳、行星和彗星构成最完美的系统，也只能在充满智慧的力量引导和支配下，才有可能发生。”

有意思的是，牛顿也有“机械式宇宙”之父的外号，在时间一开始时，上帝让宇宙跟着运行，但后来就不需要神力介入了 [5] 。然而，牛顿的看法却相反：他相信造物主一直都很活跃，维护自然的定律，在有需要时插手干涉。牛顿认为宇宙本身和其中的活动都完全仰赖上帝的存在。莱布尼兹也不同意这一点：上帝是完美的化身，怎么可能会用粗陋的方法创造出需要定期维护的宇宙？

不存在的流动

再回到牛顿的定义：“绝对、真实且精确的时间……会稳定地流动。”但流动到底是什么意思？所谓的时间流动是哲学界最常引人争议的主题。通常说某个东西会流动，表示相对于另一样东西来说，这个东西会以特定的速率流动。比方说，相对于河岸，河水会以某种速率流动，我们可以用每秒钟公升数或类似的单位来计算速率。但时间流动的基准是什么？以什么样的速率流动？要说时间流动的速率为“每秒钟一秒”，说了等于没说。如果时间的推移可以测量，那就要相对于更深奥的“超时间”来加以测量。20世纪60年代的哲学家斯马特很清楚地说明了这个问题：

如果时间会流动……这个动作一定要以超时间为基准……如果空间中的动作是每秒钟几英尺，时间的流动速率如何计量？每什么几秒钟？此外，如果推移是时间的本质，那也应该是超时间的本质，接下来我们就可以假设超超时间的存在，以此类推永无止境。

哲学家普莱斯指出，正如我们无法有意义地说出时间流动的速率，也无法有意义地说出时间流动的方向。说时间“从过去流向未来”还不够深入，因为这就是定义过去和未来的方式。

牛顿在他最著名的定律中提到时间的流动后，就再也没提过这件事。事实上，他的三大运动定律甚至无法帮我们辨别过去和未来。牛顿所有的等式都有时间对称性，也就是说不管时间朝着哪个方向“走”，这些等式跟自然现象的描述一样站得住脚。

思考牛顿定律的效用时，我们通常会想到这些定律如何帮助我们预测未来的事件，例如抛射物体的路径或行星的轨道，或许最典型的例子就是预测到哈雷彗星还会回来。哈雷利用之前看到彗星的观测结果，配合牛顿的等式，预言1682年看到的明亮彗星会在1759年重返地球。（他的预言成真了，但哈雷在1742年去世，没能活着看到自己的预言实现。当然最后荣耀还是归属于他，以他的名字命名这颗彗星。）我的书架上有一本书列出了未来几十年内会发生的日食和月食，连几点几分都能算出来，如果作者愿意，可以预测未来一千年的天文事件。当美国太空总署出版未来几十年的日月食数据时，预测的时间精确到秒数，有些参数甚至精确到一秒钟的十分之一。

这种预言利用牛顿定律的决定论本质：如果你知道系统在某个时间点的状态，原则上就可以预测未来某个时间点的系统状态。法国数学家和天文学家拉普拉斯（1749—1827年）满腔热情地接纳决定论的世界观，他声明：

我们或许会把宇宙当前的状态看成过去的结果和未来的成因。在某个时间点，有一股才智知道驱动自然的所有力量，和自然形成时所有物品的位置。如果这股才智足以分析所有的数据，就能用单一的方程式囊括宇宙中最大的物体和最小的原子移动的方式。因为有这样的才智，就能明了一切，未来就像过去一样清晰展现在眼前。

注意“未来就像过去一样”的说法：拉普拉斯认为牛顿的方程式双向都行得通。你可以用过去预测未来，也可以用未来预测过去。举例来说，天文学家追踪了几个天体，就能算出轨道参数，然后“预言”（我们也可以说“回溯”）过去某个时间点的天体位置。（这个技巧对天文考古学家和历史学家来说非常宝贵，如果古文中提到日月食或行星排列成一直线等天文事件，就可以推测出写作的时期。）

但人类和动物等复杂的物体可以往回“走”吗？这里我们碰到了难题，因为就常识而言，答案是否定的，很清楚，我们在自然中观察到的现象几乎都无法逆转。但牛顿的等式并不是妨碍逆转的因素，我们已经看到他的等式具备时间对称性。牛顿的定律具体呈现过去和未来之间的精确对称性，1874年，开尔文爵士在《自然》期刊中提到这种对称性：

如果宇宙中所有物质的分子动作都在同一时间逆转，自然现象就会永远反转。瀑布最下面无数的泡沫会重新结合落入水中；热运动会重新集中能量，把质量往上投入掉下来的水滴中，重新形成一小束往上流动的水柱……生物的成长过程会逆转，清楚知道未来会发生什么事，但不记得过去，并再度回到未出生的状态。

当然，我们看不到开尔文爵士描述的奇异事件。打破的茶杯不会自发重组，打散的鸡蛋不会回复原状，录好的音乐倒着放听起来就不太像“音乐”了。（虽然摇滚乐团齐柏林飞船的《天堂之梯》倒着放据说会听到“我可爱的魔鬼”，披头士有好几首歌倒着放也能听到“保罗已经死了”。）相反，虽然牛顿的定律指出时间的精确对称性，但时间似乎只有一个明确的方向。

寻找时间之箭

想象一颗球在撞球桌上滚动。如果桌面毫无摩擦力，和橡皮垫碰撞时会产生完美的弹力，这颗球就不会停止滚动，每隔几秒就从橡皮垫上弹开，速度永远保持一致。这景象看起来应该很无聊，如果我们录制几分钟的影片，最后不论向前播放或向后倒转，看起来都一样。看到影片的人分辨不出影片的顺序到底是向前还是向后（只要动作够简单，扩大规模后的结果也一样：地球绕着太阳转的影片倒着看也没问题）。按照牛顿的定律，撞球的行为具有时间对称性。如果再加一颗球，两颗球的动作前转后转看起来都一样。现在的情况比较复杂，因为除了碰到橡皮垫，撞球有时会互相撞击。但跟前面讲的一样，影片向前或向后播放感觉都很合理。如果桌上有十颗球滚来滚去，只要它们随意地散落在桌上，仍看不出时间的“方向”。

但假设现在我们用三角框把球排好，也就是按着某种顺序来排列。把白球放在定位上，瞄准，然后“破坏”小心排好的球。现在顺序就被弄乱了。可能还会有好几堆球，但当下一个人推杆时，排列的随意程度又增加了。物理学家用熵这个术语来量化系统中的失序量，所以我们可以说推杆次数增加后，熵也会跟着增加。

现在讨论的事件绝对不具备时间对称性。倒着播放的电影一看就可以归属到这一类。我们从经验中知道，随意放置的撞球不会自发地紧挨着整齐地排列成三角形，我们不会在自然界看到熵降低。

不论我们讨论的物体是肉眼可见的撞球还是只能用显微镜看见的气体分子，形态都很类似。假设我们有一个容器，中间用活门分成两格，一格装满了氮气，一格装满了氧气。打开活门后，会发生什么事？某些氮分子会立刻进入装了氧气的分格，氧气分子也会进氮气这一边。过了几分钟就会完全混合。分子仍会像刚才提过的撞球一样不停地来回弹跳，却永远无法恢复原状。第一格再也无法变成纯氮气，第二格也不能变回纯氧气。如果分子有颜色，或者把例子中的物质改成牛奶和咖啡，拍摄下来的影片就会显示混合的过程。但是这部影片只有一个走向：其中的两种元素无法“解除混合”。

这些例子背后的原则就是热力学第二定律。第二定律指出密闭系统中秩序失调的量（熵的量）永远无法减少，过了一段时间一定会增加，充其量只能保持原状 [6] 。

热力学第二定律

一、两个隔间中间有阻隔。（A）包含氮分子（黑色），另一边（B）则含有氧分子（白色）

二、去除阻隔后，有些氮分子进入（B），有些氧分子则进入（A）

三、两种分子很快就完全混合了。这个序列不能反转：两种气体永远无法“解除混合”。这种受到热力学第二定律引导的过程似乎就和“时间之箭”有关

我们应该特别注意第二定律的两个方面。首先，这个定律基本上来自统计学，不能套用在单一的撞球上，但可以用来描绘很多球滚动时的特征。第二，如果某个程序包含大量的粒子或物体，这个程序天生就不对称，这种不对称性在我们心目中通常就表示时间的流动。1927年，英国天文学家爱丁顿（1881—1944年）用“时间之箭”来描述不对称性，至今我们仍用这个很生动的说法。（爱丁顿认为，第二定律“在自然定律中占有至高无上的地位”。）

第二定律的统计学本质帮助我们了解为什么复杂的系统只能朝着一个方向发展。在桌上随机摆放十颗撞球的方法有好几十亿种，相较之下，紧挨着装在三角框里的方法却寥寥可数（也就是开球前的排列方法）。撞球随意移动，过了一段时间后，就可以看出来为什么撞球再也不可能回复原来的排列方式。同样的论据也可以应用到容器内的气体分子。或者我们再用打碎的茶杯来当例子。茶杯破掉的方法很多，但只有一个方法可以拼回原状。就理论而言，摔破的茶杯可以自发地重新组合（不受牛顿定律的影响），但热力学第二定律却限制了这种可能性。实际上来说，我们不可能期待自己能够目击这样的事件。在所有的例子和复杂的系统中，时间之箭有如系统中失调秩序量的变化，这种变化一定要从比较少的熵移往比较多的熵。

热力学第二定律可能会让人有点丧气。第二定律暗示“顺序”或许只有一瞬间。以打扫地下室为例，再怎么频繁清理，熵永远会取得胜利。肉体无可避免地让步了，或许到了最后，文明也会投降。牛津大学的化学家阿特金斯在下面的篇章里抓住了这种悲观的情绪：

我们望向窗外，看着第二定律掌管的世界，也看到了自然本身并无目的……所有的变化和时间之箭都指向腐坏的方向。在我们陷入均衡状态，踏进坟墓的同时，时间的体验负责传动我们大脑中的电气化学程序，毫无目的地趋向混乱。

热力学第二定律看来必定和时间之箭有关，但两者的关联似乎没有表面上这么明确。我们真能解释过去和未来之间的差别吗？假设现在的情况是这样，撞球都紧紧排在桌子的一侧，这时熵就很少。想象未来的情景，我们当然期待能看到熵一直增加，撞球的排列更加没有秩序。但别忘了，我们用来预测撞球运动的定律都有完美的时间对称性。如果我们从同样的形态开始，想要猜测过去的排列情况为何（尝试“预言”倒着播放最后几分钟的影片看起来会是怎样），那我们仍会预测熵继续增加。换句话说，从特定的低熵状态开始，我们使用的统计学论点就会告诉我们除了在未来熵会增加，回到过去也一样。这个论点很难捉摸，但非常重要：我们用来预测低熵系统会在未来演进成高熵系统的分析方法，也可以用来“预言”低熵系统的前身可能是高熵系统 [7] 。不过我们也有可能从一开始就弄错了。紧密排列的撞球应该先有人把它们排好，而不是因为撞球随意滚动而形成；没打破的茶杯本来被人拿起来倒茶，而不是摔碎的瓷片自动组成杯子的形状。我们的分析一看就知道很不完整。

热力学第二定律说，如果你现在有一个低熵系统，就可以期待未来会有一个高熵系统。但是这个定律并没有说为什么应该期待现在有一个低熵系统。或许我们该回顾更遥远的过去。过去有可能发生了什么事，才会让我们看到眼前的低熵宇宙。或许要以更广泛的宇宙论为背景，才能了解热力学第二定律的根源，也就是考虑到宇宙的起源和演化。或许宇宙一开始的时候就在超低熵状态里，这就说明了为什么我们现在会观察到熵不断增加。这个想法也有一些很难解释的地方，我们会在第十一章详细说明。不过我们至少学到了一点，说明热力学第二定律能够“解释”时间之箭时要非常谨慎。

哲学插曲一

当然在更久之前，哲学家就比科学家更早开始思索时间的许多难题。（在牛顿和莱布尼兹的时代，“哲学”原本就涵盖了几乎所有的学科，我们现在所说的“科学”包含在“自然哲学”的研究中。）很多重要的主题延续了好几个世纪，有些现代的论点可以追溯到古代。运动的问题令希腊人困惑不解。一个物体出现了变化，怎么可能还是同一个物体？“时间”是“变化”的同义词吗？很多希腊的思想家认为，时间的确是变化和运动等主要概念之外的次要概念。我们在第四章提到的赫拉克利特就属于这一派。对赫拉克利特而言，变化至高无上，世界上的一切都不断变迁。他最有名的声明是“人不能踏入同一条河两次”──人变了，河也变了。巴门尼德不赞成。事实上，他提出了更引人注目的结论，时间不存在。巴门尼德的论点是这样的：我们能设想到的东西必然永远存在。能谈论或能想到的东西，“没有创造也没有毁灭，是完整的、独特的、坚定的、完美的”。巴门尼德认为这种推理的方法排除了变化：存在的东西就这么存在，变化一定是一种错觉。

柏拉图的作品也响应这个想法，人类的认知几乎都是幻觉。然而，柏拉图并非纯粹放弃我们不完美的感知，他努力找出人类感知和周围世界更深层的真相有什么关系。柏拉图认为我们不能把时间当成幻觉来抵制，他的目标是要把时间融合到他对于宇宙的看法里，也就是我们在第四章简短讨论过的宇宙论。

前面也讨论过亚里士多德，他相信时间需要变化，过了两千年，莱布尼兹又提出同样的看法。“现在”的概念也让亚里士多德很头痛。他把时间流动看成一连串的“现在”（连续不断的一瞬间），但是他不认为时间由很多一瞬间组成。就像一条线不可能由点组成，他相信时间也不可能由“现在”组成。（他的推论是，不管两个点有多靠近，永远不可能粘在一起，中间一定可以插入另一个点。）但亚里士多德似乎无法解释这些“现在”的实际情况：是静态的吗？某一个瞬间是否跟其他的瞬间非常类似？还是“现在”以某种方式流过时间，或和时间一起流动？看似不断流动的时间带来的问题，就连最谨慎的思想家都无法解开。

未来“真的存在”？

过去和未来的分别也让亚里士多德十分苦恼。未来“真的存在”吗？未来似乎比现在或过去更加虚无。未来给人不确定的感觉，未来的事件不像现在或过去的事件可以有那么肯定的描述。未来就像海市蜃楼，过去就像刻在石头上；现在就在眼前，而未来却像迷雾，充满无限的可能性。亚里士多德会很谨慎地思考“明天会有一场海战”之类的描述。此类陈述的真相似乎不怎么明确，要看众位将军是否真会选择第二天开战。根据他的推论，未来事件的陈述无所谓真假。某个论点成真的可能性或许比另一个论点大，但我们无法提供论点的确定性。在亚里士多德心中，未来可能会成真，但不确定。

基督教神学采纳了不少亚里士多德世界观的看法，不过也按自身的需要做了修改。圣奥古斯丁在祷告文《忏悔录》中诉说他同时对抗哲学和探索灵性，探索的过程引领他改信基督教。圣奥古斯丁思索过犹太教和基督教的创世理论，接下来他立刻发觉，与时间和永恒相关的艰难问题倾巢而出。上帝“选了一个时间”创造世界？那之前他在做什么？我们刚才也已经看到，一千三百多年后，同样的难题困住了莱布尼兹，圣奥古斯丁则提出相同的结论：他推论上帝在创造宇宙的同时，一定也创造了时间。

圣奥古斯丁接着继续揣摩过去、现在和未来之间的分别，时间明显的“流动”令他百思不得其解。最后圣奥古斯丁似乎认为“现在”的地位非常特别，不知道为什么就比过去或未来来得真实。他的确主张过去和未来就某种程度而言是“现在”的一部分，因为“现在”包含我们过去的回忆以及对未来的期待。有人把这种立场发扬光大，摒弃过去和未来，也就是所谓的现在主义。不论我们如何诠释圣奥古斯丁的推理方式，他提出的时间和人类意识之间的关联，是一种很深奥的概念，之前谈到笛卡儿时我们也简略说明过，后面也会继续提到这个概念。

两种时间

仔细思索过时间的人就会注意到我们提到时间时，有两种截然不同的方式。提到已经发生的事情、当下发生的事和可能会发生的事，我们会在脑海中以目前体验的时刻为基准，描绘出这些事件。我们用“过去”和“未来”两个词描述这些事件跟当下的关联，用来描述某个特殊行为的动词则按需要加上适当的“时态”：“我煮了意大利面”“我正在吃晚餐”“我会去洗碗”。这三句陈述彼此相关，在我吃完饭后，“我正在吃晚餐”就失去了真实性。这句话描述和“现在”有关的事件，而“现在”则不停地转移。

但是当我们像伽利略和牛顿一样，把时间想象成一条线时，用的方法就变了。我们会为不同的事件加上标签，标明在时间在线发生的位置。这个看法比较静态，从这种论点描述事件时，我们说话的方式也会改变。（事实上，用“静态”来形容有点误导读者了，会给人某种后设时间潜伏在背景中的感觉。但我们应该想象一系列不受时间影响的事件。）当我们说“独立宣言于1776年7月4日签署”时，我们不需要指出相对于现在，这件事发生在过去；当我们说“2017年会有日食”时，我们同样不需要指出以现在为基准，这是未来会发生的事。这一类的事件似乎恒久不变。

英国哲学家麦克塔加特（1866—1925年）在1908年发表了影响深远的论文《时间的不真实性》，详加说明这个定义。他把这两种思考时间的方法称为“A系列”和“B系列”。A系列就是根据过去、现在和未来的时间概念，我们已经司空见惯，也有人说这是“有时态”的时间概念。从A系列的角度来看，当有人告诉我们某件事在多久之前发生，或还要等多久才会发生，就定下了事件在时间中的位置。相反，B系列则指我们归属给特殊时刻的永恒标签，例如2009年6月30日格林尼治标准时间下午五点钟（有人称之为“无时态”的时间概念）。用B系列的角度描述的事件可以用“比……早”或“比……晚”来表明，但“现在”永远无法进入B系列。

用A系列的角度描述事件时，我们的陈述似乎纯属偶然：如果在吃过鸡蛋的第二天我说“昨天早餐吃了鸡蛋”，此项陈述为真，但换个时间说，有可能为真，也可能为假。用B系列的角度陈述某件事时，则有不同的感觉：“列克星敦及康考特之役过了一年多以后签署了《独立宣言》”或“2012年伦敦奥运举办后过了五年，2017年就会出现日食”，这两句话似乎比较像是永恒的事实，描述世界历史上不变的属性。这两句话的英文使用一般的时态，但使用B系列的角度时，我们不费吹灰之力就能养成习惯，省略过去和未来的时态，用现在式就够了。以上述两句为例，你可以说：“《独立宣言》在列克星敦及康考特之役过了一年多以后签署。”不要提到“现在”，就可以了解过去和未来的本质，也就是把A系列合并到B系列里。你应该说“说完这句话后，再过九年就会出现日食”，而不是“从现在算起，九年后会出现日食”。我们当然不习惯这种说法，但哲学家相信这句话传达了同样的信息。

从B系列的角度来看世界，一开始可能会有点奇怪。“现在”在B系列中没有特殊的地位，时间线所有的点都具有平等的立足点。“现在”就像“这里”，表示和说话的人有关系的某样东西，但没有绝对的意义。按着B系列的描绘把事件穿成一串，结果就像一整块的时间。的确，我们常用“块状宇宙”来称呼这种写照。采用块状的时间概念后，就很容易得出时间的流动只是幻觉（甚或自由意志也包含在内）的结论。从B系列的角度来看，我们可以争论未来的事件早已“固定”在时间中（比方说下一任教宗登基）。未来要发生的事真的无法避免吗？是否就摊在眼前，无法选择呢？麦克塔加特实际上更进一步。正如他的论文标题，最后他的结论跟巴门尼德一样，认为时间本身就是幻觉。他的推理如下：就逻辑而言，过去、现在和未来是彼此不兼容的属性，某个事件只能“位于”其中一个。然而，每个事件看来确实都有全部三个属性：让我借用麦克塔加特的例子，安妮皇后之死曾经属于未来，然后变成现在，现在又变成过去。所以他否决“有时态”的时间概念。但是，由于他相信有时态的概念是解释时间表面流动的唯一方法，所以结论是，时间并非有意义的实体。

自《时间的不真实性》出版后，整个20世纪大家都在辩论麦克塔加特的论点。很多哲学家虽然不同意麦克塔加特最终的结论，却深受B系列所描绘的“块状时间”影响。事实上，A系列的描述虽然感觉跟人类直觉比较相近，B系列体现的“无时态”观点或许代表今日物理学家和哲学家的主要看法，我们稍后就会讨论爱因斯坦提出的全新时空写照，更巩固了这种看法。

南纽英顿的智者

全力支持“不受时间影响”说法的学者包括英国物理学家巴伯。目前七十多岁的巴伯以爱因斯坦的重力理论（也就是广义相对论）作为论文题目，1968年从德国科隆大学取得博士学位。接下来就独立从事理论物理学的研究，不属于任何学术机构，同时也靠翻译俄国的科学期刊赚取收入。在著作《时间的尽头：物理学的下一场革命》（1999年出版），巴伯指出时间（以及动作和变化）只是幻觉。

巴伯的论点应和巴门尼德和麦克塔加特，但他占有前辈缺乏的强大优势：熟悉现代物理学，彻底研究过广义相对论和量子理论（我们会在下一章更详细地讨论这两种理论）。

物理学家巴伯

我到巴伯家拜访，他家在牛津郡北边充满田园风味的南纽英顿，一栋盖了茅草屋顶的农舍，已经有350年的历史。他招待我在花园里坐下，我们啜饮热茶，开始聊起时间和空间、动作和变化、马赫和闵可夫斯基。他给我的印象是糅合了专才的英国的乡绅。

时值春末，按英国的标准来说阳光还算灿烂，空气中满是紫藤的香气。巴伯家隔壁是一座1150年建造的诺曼教堂，他也是管理人，所以有一副钥匙。他常陪同访客穿过礼拜堂，带他们参观无数的珍宝，其中有一幅14世纪的壁画，描绘1170年英王亨利二世派人谋杀坎特伯雷大主教贝克特的情景。（巴伯向我保证，大多数来到这里的访客都是为了参观历史悠久的教堂，而不是来讨论时间的概念。）若非头上有飞机飞过，我会以为还在伊丽莎白女王一世的统治之下，忘了当今的女王是二世，听到好几架飞机的声音后，两人到屋内继续谈。

我们暂停了一下，吃了芦笋、面包和奶油、奶酪及新鲜草莓当晚餐，然后到客厅里坐在沙发上休息。他换了个舒服的坐姿后开始说话，听起来非常仔细谨慎，糅合了严肃的学术智慧和令人放松的优雅英国风情。

巴伯解释道，“时间”的问题也有一部分是因为人类最佳的两套理论（广义相对论和量子理论）处理的方法截然不同而造成的。他说：“就像两个小孩在争同一个玩具，但问题是他们两个要的东西不一样。”他认为唯一的解决之道就是把玩具拿走，我们必须抛弃时间的概念。

他的论点核心相当简单易懂。巴伯把每一个“现在”都想成完整、自给自足的宇宙，在这样的宇宙中时间显然不存在。如果我们把宇宙的历史想象成电影镜头，每一个镜头都应该同样被视为“真实的”。（全部的“现在”集合起来后，巴伯称之为“柏拉图尼亚”，他取这个名字是为了纪念柏拉图和他心目中永恒不变的形式。）

那过去和未来呢？巴伯觉得过去和未来也跟时间一样不明确，没有必要。除了回忆（和记录这些回忆的各种物品，比方说在自然界有化石，人工产物则有报纸），没有其他实际的证据。同样，除了对未来的信念，未来也没有任何证据──全部都是幻象。

巴伯说：“从物理学家的角度来说，时间的‘流动’不存在，世上也没有不断前进的‘现在’。‘流动的时间’这种想法只是人类意识不知用什么方法创造的幻觉。”

为什么我们会把时间想象成不断前进的东西，“不断移动的现在”一个接着一个？这大概是人脑（尤其是记忆）运作的方式。巴伯解释，报纸和化石的历史贡献就有如人脑对个人记忆的功效。不论是化石、报纸还是人脑，都可以视为“时空胶囊”，也就是排列非常精确的有形系统，能够把过去“保存”在其中。他说：“在我们所体验到的世界中，这是最值得注意的一件事。”就某种意义来看，巴伯至少有一点没错：如果神经科学进步到可以精确详细地“读取”到大脑的神经活动，我们只要研究某人脑部现在的状况，就可以推论出他一生的经历。可以说，过去就是现在。

巴伯补充说道：“想想看，这就是现代地质学和宇宙学研究的内容。”宇宙学家研究现在的天空状况，推论出宇宙的过去；地质学家也用同样的方法来了解过去的地球──基本上就是“瞬间留下的印象”。

平等看待每一个“现在”的真实性，在错综复杂的说法中，出现了某种不朽的看法。并非大多数人期待的来生，而是生与死携手同行。既然时间不流动，我们的年纪也不会增加。巴伯说：“时间无法老化，一瞬间就是一瞬间。因此到了这个程度，有七十岁的巴伯，就是现在的我，但也有六十岁的巴伯，跟七十岁的巴伯一样真实。说昨天不如今天真实，其实没有意义。”

那时间究竟是什么？

他说：“那是心智犯的错误。提到上帝时，拉普拉斯对拿破仑说‘我不需要那样的假设’，这也是我对时间的评语。”

搭火车返回牛津时，列车长报出每站的站名。每个月台上都有数字时钟，到站的时间精确到几点几分（至少理论上是）。时间的确感觉很实在。我还是跟以前一样迷惑（又来了，我还是用了“以前”）。很难想象时间纯属空虚，但我们说出的每一句话几乎都跟时间有关，时间的幻象（如果可以这么说的话）似乎控制了人类所有的思绪，渗入我们的语言。迷惑的不止我一个。哲学家桑德斯在《纽约时报》上评论巴伯的著作时，说这本书充满“至理名言”，还补充说道，在教学和分析上，此书是一本“巨作”；但他也发出“哲学的健康警告”，承认他不确定书的内容“是否真的合理”。

或许未来（又来了！），作家会找到更清楚的方法来阐明时间的幻象。毕竟，在牛顿之后的学者比牛顿更懂得如何解释他提出的力学（今日物理系的学生用的教科书形形色色，唯一绝对不会采用的就是牛顿写的那一本）。此外，牛顿跟所有人一样，跟他所在的时代脱离不了关系。21世纪的学者在讨论牛顿的物理学时，一定会先去掉跟神学有关的东西。（巴伯说，透过绝对时间和空间的想法，“牛顿以为他看到了上帝的构造。我想他可能觉得自己让看不见的上帝现身了”。）或许已经成为定见的时间概念留下了沉重的包袱，我们不能一下子就抛开成见。

就在此刻，我发誓要再读一次《时间的尽头》，可能读了反而更迷惑，反正我还没大胆到去钻研牛顿的《原理》。我想到一个故事，很可能是捏造的，有一个学生看到牛顿乘着马车经过，据说他开了一个玩笑：“前面那位老兄写了一本没人看得懂的书，连他自己也看不懂。”

注解：

[1] 　我的第一本书《T恤上的宇宙》第三章中，简要叙述了牛顿的生平和著作，也提到科学革命的概要。

[2] 　事实上，巴罗的时间概念和牛顿后来提出的想法非常类似：“只要考虑到时间绝对和固有的本质，时间就不一定包含动作，也不必然包含静止；不论物品在移动还是静止不动，不论我们在睡梦中还是醒着，时间都按照本身一致的步调前进。”

[3] 　辩论仍未结束。哲学家卢卡斯就认为在那个时间点，上帝可以“选择让创世大爆炸发生”，因为到了最后，他“必须在某个时候决定要行动”。他拿自己教的大学生来打比方，他们可能不想起床，但“最后还是决定要起床，也不为什么特别的原因”。

[4] 　牛顿的神学著作繁多，很多都没有出版，最近才成为学者探究的对象。从这些著作中可以看出牛顿对神学的狂热不逊于科学，甚至还要更强烈。虽然他是虔诚的基督徒，去世前已经搜集了三十本圣经，但他的宗教观点十分离经叛道。他反对三位一体的说法，觉得其中蕴含了多神论。在牛顿的时代，这也是一项罪名；如果他还待在剑桥时就发表了他的看法，最轻的处罚就是被三一学院开除。

[5] 　虽然牛顿的名字常和“机械式宇宙”连在一起，但这种说法事实上由来已久，起码可以追溯到13世纪的思想家奥雷斯姆和萨克罗博斯科。后来的支持者包括笛卡儿和化学家波义耳（1627—1691年）。有些哲学家实际上认为牛顿的思想“反机械”，因为他的重力概念也考虑到“超距作用”。

[6] 　“密闭系统”指系统不会受到外来的影响。事实上撞球桌不算密闭系统，因为所有参与的人都会一直打白球，先把球排好后再开始打，导致熵降低。要更生动地描绘热力学第二定律如何发挥作用，我们可以想象第一次打了白球后就立刻隔离撞球桌。如果撞球桌没有摩擦力，也没有球袋，熵就会随着时间逐渐增加，直到所有的球随意散落在桌上。

[7] 　有时候这被称为“洛施密特的悖论”。洛施密特（1821—1895年）是来自奥地利的科学家。

第七章
时间、重力和黑洞的想象

如果航天员掉到黑洞里，在远方的观测者会看到他的腕表变得越来越慢，快要碰到事件视界时，时间就完全停止了。从航天员的角度看，当他掉入黑洞很有可能马上就要惨死时，时间仍如常移动。但对在黑洞外观测的人来说，他会永远留在事件视界上，冻结在时间里。

相对论教我们把更多心思放在时间上。

物理学家伦德勒，他发明了“事件视界”这个术语。

我看到过去、现在和未来同时出现在眼前。

——诗人布莱克

坐落在瑞士西边、群山环绕的波恩似乎过了一个世纪仍没什么变化。大街上仍有街车迂回来往，老城狭窄的街道旁满是拱廊。每隔几个街口，路中间就会出现五颜六色的喷泉，很多喷泉的年份都可以追溯到16世纪。爬上波恩大教堂的哥德式尖塔后（名列瑞士境内最高的几个景点），游客就能看到宽广的景色：铺了红色瓦片的屋顶、教堂的尖顶和阿勒河翻腾的蓝色水流。除了汽车和游客外，事实上，自从22岁的爱因斯坦在1902年的冬天来到瑞士的首都后，这座城市几乎完全没变。当时爱因斯坦没有工作，步行来到此处，所有家当都在一个行李箱里。过了不到三年，他结婚生子了，啊，对了，还发展出全新的时空写照，就此改变了全世界。

爱因斯坦（1879—1955年）的出生地不在波恩，而是离此地约两百五十公里、位于德国南部的乌尔姆。他在波恩的时间也不长，还不到十年。他的天资令他愈来愈出名，苏黎世、布拉格和柏林的学术机构纷纷邀请他任职，等到纳粹主义兴起后，他不得不离开欧洲。不过这位充满抱负的年轻科学家在波恩找到第一份正式的初级工作，在政府机构审查专利申请，也在这里开启了他对宇宙本质的洞察力。

爱因斯坦在克拉姆街49号住过一阵子，爬上狭窄的木质楼梯，就能进入他的小公寓，现在公寓已经改建成博物馆，导游爱格勒在楼梯尽头等我。她用带着浓重瑞士德语口音的英语告诉我，爱因斯坦住在这里时，他的公寓只有两个房间，不过其中一间有两扇对着克拉姆街的大窗户（博物馆的面积比较大，纳入了隔邻的几个房间和上面那层楼）。如果爱因斯坦把头伸出窗外向左边看，就能看到一个街口外壮观的16世纪钟塔。钟塔虽然不甚修长美观，却也华丽缤纷，年轻的爱因斯坦只要一出家门，就会看到钟塔。

游客鱼贯穿过贴了壁纸的俭朴房间，仔细打量爱因斯坦在专利办公室用的木头桌子、几十张历史悠久的照片、他的博士论文，甚至还有他高中时的成绩单（其实大家都猜错了，他的成绩还不错）。审查专利的薪水一年约三千五百瑞士法郎，只能勉强支付房租以及他和妻子米列娃的基本开销。爱格勒说：“能在年轻时第一次自己负担一栋这样的公寓，爱因斯坦很高兴、很自豪。六十平方米的面积不算宽阔，但他已经觉得很豪华了。”

白天，爱因斯坦在办公室审查数百份专利申请书。但他心之所系并非小机件，而是根本的理论，即宇宙固有的构造。到了1905年春天，新的时空理论已在爱因斯坦的脑海中成形。二十六岁的爱因斯坦进入了他自己的奇迹年（跟牛顿提出独特看法的年纪差不多），写出五篇深具开创性的物理学论文，其中一篇包含相对论的第一部分，也就是狭义相对论。

相对论的根基

在20世纪初，牛顿的定律似乎可以解释所有的现象，但无法涵盖一切。为了了解电力和磁力，以及光线和无线电波，物理学家必须仰赖另一套非常成功的自然理论，也就是由苏格兰物理学家麦克斯韦（1831—1879年）提出的架构 [1] 。麦克斯韦发展出一组等式，描述电场和磁场之间的关系，这两者实际上是一体两面。正如牛顿把天际和地面的力学联结在一起，麦克斯韦证明了电力和磁力最终也有关系。电磁也跟光线脱不了关系，现在科学家都把光线当成电磁波，一个不断振荡的电场和磁场。（光线只是一种电磁波，X光、微波和无线电波则是“电子辐射”的例子，只是波长不一样。）

但麦克斯韦的等式表示这些电磁波还有更值得注意的地方，它们似乎都以特别的速度前进，物理学家用符号c表示光的速度（17世纪70年代，丹麦天文学家罗默率先测出正确的光速。现代的c值大约是每秒三十万公里）。光线是一种用固定速度前进的波，这个概念引发了两个令人烦恼的问题：第一，光以速度c前进的相对基准是什么？光的速度会跟着测量方法变化吗？你自己的速度和发光物体的速度，一定也会影响你测量出来的值。麦克斯韦的等式是否仅适用于和光波有关的特定参考系？

第二，光波究竟如何从某处传播到另一处？根据目前科学家对波的了解，他们知道波需要某种媒介才能移动（比方说声波需要空气，海洋中的波需要水）。但光波可以穿过真空从太阳传送到地球，用的是哪一种媒介呢？

在麦克斯韦的时代，最合理的猜测就是光波在叫作“光以太”的物质中振动。科学家相信光以太弥漫在空间的每一处，应该就是能让光波传播的物质。（也有人说重力透过光以太施加影响。牛顿从未清楚说明某个物体如何感受到另一个远方物体的重力，他的对手嘲弄他的重力理论，竟能不可思议地穿过空间。）

光以太的说法一出，两个问题都解决了：光波有了传播媒介，也能定义麦克斯韦的电磁波会用到的参考系。但这个解答仍有点牵强。物理定律应该放诸四海皆准，不是吗？如果电磁波需要特定的参考系，似乎就违反了从伽利略时代定下来的最基本的原理。通常称为“相对论原理”（或“伽利略相对论”），指出世界上没有“特殊的”参考系：在测量“真实的”速度或距离或时间间隔时，所有的观测人员都具有同等的地位。事实上，伽利略讲过一个强调该重点的假想实验：想象你跟朋友被关在没有窗户的船舱里，而且船已经开动了，假设你旁边有蝴蝶跟鸟，跟装满鱼的水族箱，还有一个底部有洞、慢慢滴水的水桶。你手上有一颗球，可以跟朋友玩丢球。当船只停在港口中，动物会朝着四面八方移动，水桶里的水继续笔直滴下，球在你跟朋友之间来回飞动。但如果船只以平稳的速度移动，你也会观察到一模一样的作用（这是伽利略很深奥的理解）。伽利略宣称：“所有的作用都不会出现任何变化，你也不能辨别船只是静止还是在行进。 [2] ”的确，伽利略证实了“移动”和“静止”等说法都只是标签，观察的人没有特权说自己正在静止状态（或以特定速度前进）。

但在麦克斯韦的电磁学里，看来的确有特殊的参考系属于神秘的光以太。如果光以太的特质可以用某种方法测量（或能侦测到就可以了），当然就有帮助。物理学家想要辨别出地球绕着太阳旋转时地球的动作透过光以太的影响。然而，最后到了1905年，还是没有人侦测得到光以太。

大多数科学家并不把这明显的难题放在心上。在19世纪80年代，赫兹用麦克斯韦的等式预料到无线电波的存在，后来马上找到充分的证据，在不到10年内，马可尼就忙着制作无线电发报机和接收机。但有几位物理学家忧心忡忡，包括年轻的爱因斯坦在内，在这两种互相冲突的世界观里，他们看到自然的基本写照从一开始就有缺陷（这些难题也是法国数学家庞加莱和荷兰物理学家洛兰兹努力想要解答的目标）。

爱因斯坦天资聪颖，能在脑海中进行“假想实验”，用简单的意象让看起来相当抽象的问题呈现在眼前。十几岁的时候，他就苦思过听起来很简单的问题：如果你能追上光束，会是什么情况 [3] ？牛顿和麦克斯韦提供的答案天差地远。在牛顿的架构中，只要加快速度，什么都能追得上，没问题。但在麦克斯韦的想象中，光的传播速度一定是每秒钟三十万公里。如果你追上了光束，光的速度就变成零（相对于你来说）。那你会看到“冻结的”光波吗？（冲浪的人站上浪峰时，他和海浪前进的速度一模一样，或许他就会觉得脚下的浪冻住了，但冻住的光线会是什么样的？）如果能够观测到冻结的光线，你的速度就有“绝对的”读数，这显然违反了伽利略的相对论。爱因斯坦则觉得静态光束的想法很疯狂。他说：“不可能有这种东西，根据经验或根据麦克斯韦的等式都不可能。”爱因斯坦不同意随着光束移动的观测者需要不同的等式（不同的定律）来描述眼前的景象，动作毕竟不是固定不变的。爱因斯坦呼应伽利略的说法，他的问题是，观测者如何“知道（或能够确定）他处在以固定速度快速移动的状态中？”如果冻结的光线没有意义，当你加速到快要接近光速时，会发生什么事？

历史学家到现在还在辩论爱因斯坦究竟是如何做出这样的结论的。专利局的工作或许在后世人的眼中不值一哂，或许在他想象哪一个机件有用、哪一个没用的时候，就能锻炼心智，产生无形的价值。历史学家加里森认为让欧洲各地电力钟同步的问题尤其重要，送到爱因斯坦桌上的专利申请书有不少是相关的电子装置。爱因斯坦在波恩有一群好友，他们给自己取了个外号叫奥林匹亚学院，谈到时间和空间时，成员之间的对话也给了他非常宝贵的意见，原是同班同学的妻子米列娃也发挥了类似的作用。（几年前在一封具有代表性的情书里，爱因斯坦告诉米列娃，他很期待到苏黎世探望她时两人一起去健行。“要立刻去爬玉特立山，”他在信里提到附近的一座山丘，“我已经能想象到有多好玩……然后我们就可以开始研究亥姆霍兹有关光线的电磁理论。”）休谟和马赫等思想家的哲学作品也对爱因斯坦产生了深远的影响，虽然空闲时间不多，但一有空他就专心研究这两人的著作。

不论起因为何，1905年初爱因斯坦想到了答案，看似突如其来，但事实上他已经花了10年的时间专心思索，几乎不怎么想其他的事情。那年5月，他告诉友人贝索解决之道“在于分析时间的概念”。接着又说时间“无法从绝对的角度来定义，时间和信号速度之间也有分不开的关系”。

爱因斯坦发现牛顿的定律有其极限，只是实际情形的大致状况。如果牵涉的速度不高，牛顿的等式就能正确套用：对日常的速度来说，绝对绰绰有余。但速度接近光速时，牛顿的定律就瓦解了，所以我们需要新的架构。

爱因斯坦的论文《关于运动物体的电动力学》于1905年6月30日刊登在素负盛名的期刊《物理学年鉴》上，全长30页。但爱因斯坦在刚开始的几页就推翻了牛顿的世界观，引进了全新的时空观点，除此之外，也完全淘汰了光以太的想法（爱因斯坦推论，没有人能侦测到光以太是因为光以太根本不存在）。在论文结尾并未列出参考其他科学家著作的书目，不过他感谢友人贝索“提供了几项珍贵的建议”。这篇文章发表后，爱因斯坦终于向世人证明如何才能协调牛顿的力学和麦克斯韦的电磁理论。

全新的时空观

爱因斯坦在1905年提出的理论被称为“狭义相对论”，以两个“假设”为基础。第一假设说，不论两个观测者相对于彼此移动的速度有多快，只要以稳定的速度移动（也就是说速度不会加快），他们都应该使用相同的物理学定律。或许你想预测抛射体的运动、测量电力或磁力的特质，或研究光束，每个人适用的定律都一样。

第二假设说不论你自己和发光物体的速度为何，光速永远保持不变。换句话说，你测出的光束前进速度一定都是特定的c值。

第一假设不算特别激进。基本上重述伽利略的相对论原则（没有特殊的坐标系），并把这套理论提升成物理世界中的基本假设。

然而，第二假设就真的让人吃了一惊。在牛顿的世界中，测量物体的速度时必须考虑到物体的运动和测量者的运动。如果你站在月台上，会觉得火车疾驰而过，但如果你人在火车上，会觉得火车似乎动也不动（而月台似乎正在急速后退）。从火车前部投掷棒球，站在月台上的观测者会看到棒球得到一股“助力”：如果火车的时速为100公里，投球的速度为每小时80公里，站在一旁的观测者会看到棒球移动的速度为180公里。计算非常简单：在地面上的观测者测量到的速度就是火车速度加球速的总和。也就是v =v 1 +v 2 。一看就很清楚，不是吗？

在爱因斯坦的理论中，这依然只概略说明火车、棒球和其他缓慢移动物体的情况；也就是指运动速度低于光速的物体。但第二假设也指出对光线来说就不一样了：不论你移动的速度多快，也不论光线来源的移动速度多快，你测量到的光束前进速度都是每秒30万公里。不论我是提着手电筒慢慢走路，或是把手电筒装在以每秒20万公里（光速的2/3）通过的火箭上，其实也都一样，你测量到的光速都是每秒30万公里。爱因斯坦的假想实验目的在于追上光的速度，这就是最终的答案：做不到。光速不能加快，也不能减慢，不论你移动的速度有多快，光速都保持正常不变的行进速度。（这个假设还有另一个作用，就是让光速变成宇宙间的终极“速限”。）

事实上，当速度接近光速时，就不能用牛顿的定律把它们相加起来。你测到的速度v 再也不等于v 1 +v 2 的结果。爱因斯坦解出了正确的方程式 [4] 。速度不快时，仍等于牛顿的结果，但速度很快时，你得出的结果会比预期的低（不论v 1 和v 2 有多大，总和一定会小于c ）。

现在我们要讨论最精彩的地方：为了让光速保持不变，时间和空间必须是相对的。也就是说，如果两名观测者相对于彼此移动，他们测到两件事之间的时间间隔或空间中两点的距离就会不一样，这在牛顿的绝对时空领域中绝对不会出现。爱因斯坦证明了该如何正确计算出其中的差异。

两名观测者带着完全同步的时钟，怎么可能会测量出某事件和另一个事件之间经过的时间间隔不一样？这或许是爱因斯坦的理论中最违反直觉的含义。事实上，比较两座一模一样的时钟，以高速前进的钟似乎比“静止不动”的那座走得更慢（这里的引号只是要提醒你，这两座钟的任一座，都可以说是正在移动的那座）。这种作用叫作时间膨胀。举个例子，假设一列高速火车上载了“光束钟”，这钟用两面平行的镜子制成，镜子水平放置，之间有光束上下弹跳。火车静止不动时，在火车上的人跟站在月台上的人测量到时钟每一次“滴答”之间的间隔一样长。但火车的速度接近光速时，站在月台上的观测者就会看到光束留下对角线或锯齿状的痕迹。因此，光束在时钟发出“滴答”声时要通过更长的距离。现在重点来了，爱因斯坦的第二假设要求测量出来的光速仍是同样的值。由于速度等于距离除以时间，既然距离增加，时钟每一次“滴答”之间的时间一定会增加。因此，站在地面上的观测者看到移动火车上的时钟走得比较慢。

但是在火车上的观测者却有相反的结论：他看到月台上的光束钟会留下对角线的轨迹，便推论出月台上的钟比较慢。这也符合爱因斯坦的第一假设，没有特殊的、“偏好的”坐标系，两名观测者的说法都站得住脚。

在日常的速度下，我们可以忽略时间膨胀效应，但接近光速时就不能忽视（我不想解释时间膨胀的方程式，不过这个效应只用到中学程度的数学，有减号、除法和开平方根）。如果你的朋友搭乘火箭，用八成的光速呼啸而过，你会观察到她的时钟速度只有平常的百分之六十。以九成的光速行进时，只有平常的百分之四十三；以百分之九十九的光速前进，会掉到百分之十四（你的朋友无法以光速前进；如果真的到达光速，你会看到她的时钟整个停下来了） [5] 。

值得玩味的是，爱因斯坦在1905年的论文中用到的等式不是新发明的。庞加莱和洛兰兹早就知道这些等式，却无法在诠释上有所突破，他们也没看出只要用新的方法去思考时间和空间，就能调和相对论的原理和麦克斯韦的电磁理论。只有爱因斯坦才有独特的能力，退后一步综观全局。

为什么时间是相对的

一、放在静止火车上的“光束”钟

在火车上的乘客和在地面上的人测量到每次脉冲之间的时间一样长

二、以接近光速的速度移动的火车

在地面上的观测者现在看到光波留下对角线的轨迹。由于光波的速度保持不变，他测量到时钟循环之间的间隔变长，结果认为时钟“变慢了”
·他也看到火车（还有上面所有的东西）变短了，但只限于火车移动的方向

他一直找不到学术界的工作，在专利局的工作又相当封闭，反而成为优势：既然不属于任何物理学机构，他也不必遵守学界先入为主的观念。换句话说，根本没有后顾之忧。哈佛的历史学家霍尔顿是最出名的爱因斯坦专家，他说：“他完全是个局外人。19世纪和20世纪初的物理学研究对于他没有利害关系……他放任自己的思绪四处游移。既然没有学术地位，就不怕造成危害，他有本钱冒险……和其他人相比，他的看法更加有力。”

物理学界（最后扩大到全世界）认为狭义相对论颠覆了其他的理论，但爱因斯坦却不这么认为。他的目的只是要用麦克斯韦的电磁理论解释更多的现象。一开始他把自己的想法叫作“不变量理论”，强调光速对每个人来说都一样，但时间和空间则是相对的。但庞加莱和伟大的德国物理学家普朗克则称之为相对论，这个名称也成为沿用至今的说法。

“现在”的问题

狭义相对论违反一般人心目中的时间观念，而快速移动的钟会走得比较慢只是其中的一环。我们也不得不重新思考“同时发生”的概念。如果两个事件在相同的时间发生，我们会说两件事同时发生。在牛顿的世界里，这个想法直截了当。但在爱因斯坦的宇宙中，就有问题了：我觉得同时发生的两件事在你心目中可能不是同时的，取决于我们相对于彼此的运动。这叫作“同时性的相对性”。

再假想眼前有一节车厢，配备了几样简单的工具：在车厢两头我们装了照相机的闪光灯和光电二极管，然后接上电线，只要有光线打在光电二极管上，就会触发闪光灯。（我们可以想象车厢四周漆黑一片，除非有外来的光线，否则闪光灯不会起作用。）我们可以把左边的闪光灯叫作A，右边的叫作B。现在我站到车厢中间，也就是A和B的中点。手上则拿着第三个闪光灯装置。如果我发射闪光，会发生什么事？闪光灯的光线同时到达A和B，导致两只闪光灯一起亮起来。从我的观点来看，A和B触发的闪光同时发生。

接下来想象车厢由左向右移动，速度接近光速。我站在车厢中间，发射闪光后看到A和B的闪光同时出现（这是爱因斯坦第一假设的规定，此假设很简单地指出，我也可以说我自己静止不动，而车站和月台则快速通过）。但站在月台上的观测者看到了什么？站在他的观察点，车厢后方（A）在“追逐”光束，而车厢前方（B）则离光束愈来愈远。从他的角度来看，光束要碰到A，走的距离比较近，要碰到B的话则要走比较远。根据爱因斯坦的第二假设，他会看到光束以一般的速度c前进；观测者可以得出结论，光束要碰到A来触发闪光所需的时间，会少于触发B点闪光的时间。换句话说，他会先看到A发出闪光，然后才会看到B的闪光，两件事不再同时发生。

根据狭义相对论，我们不能从绝对的角度宣布两件事同时发生，而只能说这两件事从特殊的参考系来看，似乎同时发生（物理学家格林称之为“在人类发现的实境本质中最深入的洞察”）。

还有更难的问题。当我们说“现在”发生了某件事，是什么意思？我们说“现在”的时候，其实在比较两件事：我可以弹一下手指，然后问大家是否有其他的事件和弹手指的动作同时发生。如果有的话，我会说那件事“现在”正在发生。在牛顿的世界里，这个问句很合理：“宇宙中有哪些事件现在正在发生？”答案是很独特的一组事件，分散在各处，但都落在同一个“时间片段”上。假设我在美国东岸标准时间2008年12月1日正午弹了一下手指，宇宙各处发生的事件只有两个可能：跟弹手指的动作同时发生，或非同时发生。这对牛顿来说很合理，但爱因斯坦不能接受。我们已经看过，在狭义相对论中，观测者无法全体同意两件事是否同时发生，所以普遍的“现在”也不存在。爱因斯坦说过：“在世界各地你都听不到可以拿来当作时间的嘀嗒声。”（有一次他到苏黎世讲课，发生了一件很有趣的事，他在黑板上画满了时钟来讲解同时发生的概念。长篇大论的解释结束后，他问：“到底几点了？我没戴手表。”）

普遍的“现在”早已深植脑海，我们很难抛弃原本的想法。我们会想象自己说出“宇宙中所有现在正在发生的事情”，用这个句子表示有意义的一组事件。但爱因斯坦向我们证明这种陈述事实上没有清楚的意义。每一名观测者都自行列出看起来“现在”正在发生的事情，没有人的清单比其他人更具权威。宇宙中没有“母钟”可以告诉我们在什么时间发生了什么事。人类语言中最简单、最常出现的字眼“现在”已经变成没有人能了解的概念。

牛顿或许不喜欢这种说法，但自20世纪爱因斯坦发表了狭义相对论后，无数的实验证明相对论的预测无误。2007年的秋天，由加拿大曼尼托巴大学的格温纳领导的科学家小组证明了时间膨胀的效应，精确度高达千万分之一，由此为时间定下了新的基准。格温纳和同侪使用一台在德国的加速器，让锂离子以百分之六的光速在环型管中前进。然后用激光促使离子散发出辐射。由于辐射是一种振荡的电磁波，所以能发挥时钟的功能，辐射的一次循环就像时钟“滴答”一下。在高速前进的状态下，嘀嗒声变慢了，看来似乎降低了辐射的频率。在格温纳的实验中，频率的变化就跟狭义相对论预测的一样。

同时性的相对性

一、从静止车厢中间发出的闪光

对乘客和地面上的观测者来说，从车厢中间发出的闪光在同一时间到达车厢两端。光电二极管同时触发A和B点的闪光灯

二、车厢以接近光速的速度前进时，从车厢中间发出闪光

地面上的观测者会觉得发出的光束先碰到A，车厢后方似乎在“追赶”光束。他看到在A点的闪光灯被触发后，B的闪光灯才会触发。在A和B发生的事件对乘客而言仍同时发生，但站在月台上的观测者则觉得不是同时

在1905年秋天，爱因斯坦发表了一篇补充说明的短文，让大家看到他的假设出现了令人诧异的结果。在文中他解释了物质和能量的关联，用现今全世界最知名的等式表现出来就是：E =mc 2 [6] 。

狭义相对论出现后，空间和时间的紧密关系早已超过了牛顿所能想象的范围。在牛顿的世界中，两个事件可以在时间或空间（或两者皆是）中分开。空间中的位置可以用三个数字显示（也就是纬度、经度和海拔高度），而事件中的时刻则能用一个参考来描述（比方说精确的时间和日期）。然而，根据狭义相对论，我们必须在想象中把这两组信息结合在一起。我们必须把事件想象成展现在四维数组中，也就是所谓的“时空”，爱因斯坦之前的数学老师闵可夫斯基（1864—1909年）用数学上的精确度为这个想法制定公式。1908年，闵可夫斯基在讲课时发表了精彩的声明，宣判古老传统的空间和时间观已经死亡：“从今以后，独立的空间和独立的时间将退化成纯粹的幻影，只有两者合而为一才能保存其独立的地位。”

要描绘出四维景象并不容易，但如果我们忽略一个空间维度，从爱因斯坦的时空观点来刻画物体就不会太难。我们可以沿着水平平面绘制其余两个空间维度，并想象垂直轴就是时间的维度。通过时空的物体轨迹称为其世界线。像地球和太阳等类似的系统则有了全新的观点。如果我们选择一个太阳在其中为静止的参考系，太阳的世界线就是一条笔直的水平线，而地球的世界线则是螺旋状。

图解世界线：我们无法绘制四维的时空，但如果我们忽略一个空间维度，就可以想象三维的景象，其中时间是第三个维度。在上面有太阳和地球的图画中，时间沿着垂直轴前进，而地球的“世界线”则呈螺旋状

“光锥”：只有在p的“过去光锥”内的事件才能对p造成影响；只有在p的“未来光锥”内的事件才会受到p的影响（在这个时空图解中，只显示了两个空间维度。垂直轴表示时间。）

还有另一个很有用的概念，可以帮助我们描绘出时空中的事件是如何彼此关联的，也就是物理学家口中的光锥。我们再度把空间想象成沿着水平平面延伸，时间则垂直延伸。假设在特定的时间点p，有一道光发射出来（实际上，我们会把p叫作“事件”，也就是在空间和时间中孤立出来的点）。光线从p以光速向外行进，在时空中画出锥状的区域，p则在底部。这叫作“p的未来光锥”。

要记得，任何物体行进的速度都比不上光线，所以光锥在时空中围住了某人在p点能够“探访”的整个区域，事件p的确无法影响锥外的时空区域。同样，我们可以画另一个从p向下延伸的光锥，亦即在时间中后退，这就是“p的过去光锥”，只有来自过去光锥内的事件会对p造成影响。这个看法也强烈抵触牛顿的定律：在古典的看法中，不必考虑速限，你可以影响时空中任何区域内的事件，只要是未来的事件就可以。另一方面，只要是属于过去的事件，不管在时空的哪个区域内，都可以影响你。相对论的看法相反，宇宙大部分的领域都是禁区。

在四维的时空中，过去和未来（或之前和之后）的概念要怎么解释？情况不像我们从这些光锥上看到的清楚线条这么简单。还好有同时性的相对性，对我而言是过去的事件，对你来说可能是未来的，反之亦然，只要事件够远，你和我又相对于彼此在移动。很多物理学家和少数哲学家发觉狭义相对论的四维时空能够证明过去和未来的事件就跟现在的事件一样“真实”。所有的东西似乎都一次摆在某种区块中，这与我们在前一章看过的与麦克塔加特口中B系列有关的“块状宇宙”，其实非常相似。狭义相对论的出现，意味着20世纪最杰出的物理学家也支持块状宇宙的说法。

爱因斯坦怎么解释这个想法？从他的文章中我们可以看到跟巴门尼德、圣奥古斯丁和麦克塔加特非常相似的说法，时间的概念（或至少时间的“流动”）在他心中并非停驻“在外面”的宇宙中，而是在每个人心里。他曾经说过：“简单而主观地感觉到时间的流动，让我们能够整理印象，判断某件事比较早发生，另一件事则比较晚。”

很多哲学家似乎赞同他的说法。美国哲学家帕特南认为，缺乏普遍的“现在”表示未来的事件完全已成定局。拿选举做例子，对我来说是未来的事件，对你却已经是过去（虽然看似怪异，在狭义相对论中，根据我们的速度和要行进的距离，却相当合理）。帕特南的论点是，在我们交会的时刻，你认为是真实的所有事物在我心中也必须变成“真实的”，包括尚未公布的选举结果在内（但从我的观点来看，选举还没举行）。对自由意愿的传统看法和未来的“开放性”当然因此变得乱七八糟。彻底得到改头换面的不只有未来，按照类似的推理，如果某件事在我的过去，但有可能在你的现在，我也必须承认这件事仍保有“真实性”。

帕特南的论点似乎说服了哲学家洛克伍德。他写道：“要认真看待时空概念，就是要把存在或发生于任何时间或地点的事件当成跟此时此地一样真实。”“块状宇宙”和其中刻意去除界线的过去、现在和未来仍支配了哲学家和物理学家的观念。时空中的每一点诚然都有光锥定义的过去和未来，但每一个点都有这样的光锥。没有“普遍的未来”，也没有“普遍的过去”。身兼物理学家和作家的戴维斯说过：“把时间切割成过去、现在和未来的界线似乎失去了实质的意义。”

爱因斯坦的巨作

爱因斯坦在1905年6月出版的文章只是开始。狭义相对论仅适用于以固定速度移动的物体，无法涵盖加速中的物体，也不考虑到重力。他费尽心思想要制定一套更完整的理论，到了1907年的某一天，以简单的想法为出发点，他有了重大的突破：“如果一个人自由落下，就感觉不到自己的体重。”爱因斯坦想了很久，“这个简单的假想实验在我心中留下很深刻的印象。”

关于加速的运动，爱因斯坦倾向于一个很深奥的结论，很像伽利略对定速动作推论出来的道理。伽利略说过，如果你在没有窗户的交通工具里，就不知道你现在是静止，还是以稳定的速度移动。爱因斯坦发现，如果你在没有窗户的交通工具里，感觉到有一股力量往下拉，那你有可能正在加速往上，或者只是感觉到地心引力，两者的意义完全一样（就像你搭电梯上楼，电梯开始移动的短暂时刻内，你会觉得身体比较重）。

加速和重力之间的关联最后变成发展新架构的关键，这个架构能把两个现象都涵盖在内。然而，要有很强的数学能力，才能清楚其中的细节。欧几里得的“平面”几何学派不上用场，爱因斯坦需要德国数学家黎曼（1826—1866年）不久前才发展出来的“曲面”几何。爱因斯坦对同事说：“我这一生还没有这么辛苦过。我现在满心钦佩数学的伟大……和这个问题比起来，原本的相对论感觉就像儿戏。”

到了1915年末，爱因斯坦研究出全新的重力数学公式。研究结果称为“广义相对论”，和之前的狭义相对论互相对照。相对论以全新的方法描绘重力：牛顿认为重力是隔着一段距离发挥作用的力量，爱因斯坦则认为重力本身就是空间的偏移或扭曲。（大家最常听到的说法是把重力比拟成一块大橡胶板，在上面放上一个很重的保龄球后，球的质量就会造成橡胶板变形，而原本在附近滚动的弹珠，也会因为橡胶板变形而跟着偏转。）太阳就是利用这种扭曲让地球在轨道上运行。在爱因斯坦的世界中，物质会扭曲宇宙的构造，我们体验到的扭曲就是重力的力量。牛顿认为空间和时间都是静态的背景或舞台，有形的事件在其上一件件展开，爱因斯坦却认为空间和时间本身会在宇宙中不断地变动。

广义相对论一出现就成功解释了水星的轨道。自19世纪中期以来，天文学家就注意到水星绕着太阳运转时，并不会留下完美的椭圆形轨迹。每次通过太阳时，水星的轨道反而会稍有变化。天文学家把这个细微的效应称为岁差，每一百年累积下来的差别不到百分之一度。但牛顿的物理学无法解释为什么，爱因斯坦的理论却能正确描述这个现象。

过了三年，广义相对论面临更艰难的考验。由于太阳会扭曲周围的空间，恒星射出的光线如果正好在附近通过，太阳就应该让光线转向。也就是说，太阳通过遥远恒星的前方时，我们从地球上看到的恒星位置应该有些许变化。太阳的亮度极高，通常我们看不到后方的恒星，所以天文学家必须等到日全食，月球遮住太阳的光线时，才能进行观测。1919年5月29日，爱因斯坦的预言得到证实，远方恒星的影像的确如相对论的预测，离开了原来的位置。同年11月，研究结果在伦敦举行的一场会议上发布后，立刻登上世界各地的头条。《泰晤士报》断言这是一场“科学革命”。几天后《纽约时报》的说法更震动人心：“天上的光线全歪了。”哪怕爱因斯坦对此并不在意，但从此他声名大噪。

时间、重力和黑洞

提到扭曲周围空间的重物时，我们可以想象变形橡胶板上的保龄球，但这时我们却忽略了很重要的东西：重物扭曲了邻近的空间以及时间。（的确，由于广义相对论以狭义相对论为基础，我们可以说重物扭曲了时空。）按照广义相对论，在重力场内，原来时间会变慢。重力场愈强，效应也愈大（这称为重力时间膨胀）。如果有两个去苏格兰爬山的人把手表精确调整成一样的时间，海拔高度比较高的人会发现他的手表比走在低海拔高度的朋友更快（在这个例子里，两个人的时间差异当然很细微，无法从市面上卖的手表上看出来）。

现在已经有很多不同的实验观察到重力时间膨胀。最具戏剧效果的测试于1971年举行，科学家搭上喷气式客机，把原子钟带到世界各地，稍后再跟留在地面上的相同时钟进行比较。实验本身其实比这里的描述更复杂，除了测试广义相对论（在飞机上的时钟比在地面上的高，因此所在的重力场也比较弱），也测试狭义相对论（飞机上的时钟以高速前进）。科学家找出方法切割两种效应，结果也符合爱因斯坦的理论 [7] 。其他科学家也在地面上进行类似的实验。以位于美国科罗拉多州柏德市的原子钟为例，此原子钟所在位置的海拔约为1600米，比起海拔只有25米、位于英格兰格林尼治的相同时钟，每年会增快五微秒。到目前为止，所有测试广义相对论的实验都证明了爱因斯坦的预言。（事实上，全球定位系统必须同时考虑狭义相对论和广义相对论的效应，才能正确运作。）

在大多数情况下，时空遭到重力扭曲的程度都非常细微，因此过了很久才有人注意到。（太阳的重量是地球的30万倍，即便如此，太阳的重力场在1919年日食出现时，也只让光线偏移了两千分之一度。）但广义相对论预测更重更大的物体会更严重地扭曲时空。最极端的例子就是黑洞：这些奇特的结构扭曲空间和时间的威力十足，结果连自己都脱离了宇宙。

巨大的恒星耗尽所有的核能燃料，再也无法支撑自身的重量时，就会形成黑洞。然后恒星开始崩解。如果恒星够大，超过太阳的质量三倍的话，一崩解就一发不可收拾。重力会让濒死的恒星缩小，缩到某个关键的临界点（叫作“事件视界”）以下时，就会发生很特别的情况──变成隐形。从事件视界射出的光线永远无法逃逸；重力拉扯的力量太强了。在事件视界内的物体实际上和外界完全脱节。（虽然我们看不见黑洞，却有很强的间接证据证明这种物体的确存在。或许在大多数星系中心都有“无边的”黑洞，我们的银河系也包括在内。）

如果航天员掉到黑洞里，在远方的观测者会看到他的腕表变得愈来愈慢，几乎要停下来了。如果他快要碰到事件视界，我们就会看到他的手表完全停止。从航天员的角度来看，当他掉入黑洞很有可能马上就要惨死时，时间仍如常移动。（事实上，早在他能真的穿过事件视界之前，黑洞外的密集辐射跟重力场的潮汐效应 [8] ，就会置他于死地。）但对在黑洞外观测的人来说，他会永远留在事件视界上，冻结在时间里。

广义相对论让天文物理学整个改头换面，研究宇宙起源和演化的宇宙论也一样。感谢爱因斯坦的理论，我们心中宇宙诞生的看法整个改观了。在第九章研究时间和宇宙的起源时，我们会从这个全新的角度详细探索。

按照爱因斯坦广义相对论的描述，要如何描绘时间？世界线和光锥依然存在，但当时空本身被重力扭曲后，光锥会倾斜，世界线也会扭转。尽管如此，很多哲学家仍相信广义相对论的架构，适合之前我们认为跟狭义相对论有关联的块状宇宙（举例来说，在广义相对论中，同时性变成相对的）。我们也应该注意，广义相对论的等式跟牛顿的等式一样，具备时间对称性，而相对论中并未直接提到要如何解释时间明显的流动。

量子革命

知道自己要得到诺贝尔奖，一定感觉很开心。到了1920年，爱因斯坦已经成为家喻户晓的国际巨星，他知道他该拿奖了。（事实上从1910年开始，他已经被提名很多次，但总因为不同的原因无法胜出，有几次是政治因素，有几次则是因为科学。很多人觉得相对论太抽象，理论性太强，不该得奖，1919年的日食出现后，才打破这些迷思。）他也知道他不会把奖金留下来：他已经答应妻子米列娃要把这笔钱给她，这是离婚协议中的一项条款（爱因斯坦和米列娃在1919年完成离婚手续，同年他再婚，娶了自己的表姐艾尔莎）。1921年他终于赢得了诺贝尔奖，但颂词中并未提到相对论，只是提到了在他的奇迹年（1905年）写的其他文章。他得奖的原因是：“对理论物理学的贡献，特别是发现了光电效应的定律。”

那篇文章写成的时间只比狭义相对论早几个星期，主要探讨光线和金属之间称为“光电效应”的互动。名为“量子理论”的新科学架构由此获益良多，普朗克在1900年发表的文章奠定了量子理论的根基。普朗克很想找出方法来解释高温物体散发出来的辐射光谱 [9] 。他发觉牛顿的力学和麦克斯韦的电磁理论都不太恰当。最后他想到，高温能量散发时并不是连续的热流，而是特定大小（非常微小）的不连续能量束。普朗克把独立的能量束称为量子（quantum，复数为quanta），在拉丁文中是问“数量有多少”的意思。

我们不会深入解释量子理论的早期发展。只要注意一件事，在接下来的几十年内，量子理论开花结果，发展出新的力学系统，只要牵涉的距离很微小，牛顿的力学就被量子理论取代了。提到棒球或行星时（只要它们的行进速度比光速慢），牛顿的力学可以解决问题，但原子和次原子的世界只能通过量子理论来研究，传统的牛顿架构因此改名成“古典”力学。

量子力学和牛顿的力学相去甚远。首先，量子力学原本就不提供确定性。在古典力学中，粒子只有两个可能，在位置x或不在位置x。在量子理论中，就无法这么精确。我们只能说当我们测量粒子的位置时，有特定的或然率发现它在x。事实上，量子力学的说法是，除非我们测量粒子，否则粒子可以同时在很多位置；更概略地说，量子系统可以同时处于很多“状态”，这个现象叫作叠加。只有在观察量子系统时（也就是进行测量），系统才会“坍缩”，我们才能得到一个具体的结果。（起码在量子力学传统的“哥本哈根解释”中，坍缩就是这个意思。还有另一个叫作“多世界”的解释，我们会在下一章讨论。）

时间和量子

在量子世界中，时间的命运又是如何的？我们常听到本质非常不确定的量子测量一定会毫不留情地背离决定论，而且（据说）会容许“开放的”未来。然而，事情并没有那么简单。结果我们发现，描述量子状态演化的等式（叫作薛定谔等式），却具有决定性。事实上，量子系统演化的方式完全能从等式推算出来（等式跟前面说过的一样，有时间对称性）。直到我们介入，开始进行测量，这时波函数就坍缩了，不然系统的演化不会脱离预期。波函数的坍缩似乎无法逆转，所以看起来和时间之箭有关联。戴维斯说：“在进行测量时，特定的实境从无数的可能中投射出来……有可能的变成真实的，开放的未来变成固定的过去，这正是我们所谓的时间流动。”

虽然量子理论或许到了最后能让我们更深入地了解时间之箭，但这套理论也带来威胁，很有可能会颠覆一些长久以来跟因果关系有关的想法。在古典世界中，所有的事件都有起因，就算我们推论不出来，起因依旧存在。在量子世界中，有些事件（比方说放射性原子的衰变）可能就这么“发生”了。熟悉古典物理学的人也已经习惯了因果的想法，量子理论却带来了激烈的偏差。但我们或许也该接受这套理论，就像相对论，量子理论的预测已经在无数的实验中得到证实。每次使用装了半导体的器具，就目击了量子理论的应用。

伟大的物理学家波尔曾说过：“听了量子理论而不感到惊异，表示你不了解。”爱因斯坦虽然也是其中一位创始人，却始终无法完全接受量子理论描绘出来的世界。如果爱因斯坦完全接纳量子理论，除了“世纪名人”的封号外，或许也能成为“千禧年名人”，不过这也只是我的空想。在1905年初的几个星期内，光一次突如其来的想象，他就推翻了我们的世界观，留下了令后人不断啧啧赞赏的事迹。多年后，他曾在文章中写道：“牛顿，原谅我。”他承认他自己也利用了前辈先贤的想法，“你找到了你那个时代具备最高推理能力和创造力的人可以用的唯一方法”。

在波恩那栋朴实的公寓里，游客漫步参观，爱因斯坦曾在这里和年轻的妻子一起吃饭，把新生的儿子抱在怀里哄他入睡，有时也拉拉小提琴，想象全新的宇宙，他的创造力在这里达到顶点。朋友可能会在吃过晚餐后来访，流连忘返促膝长谈。他们会讨论力学和电力、钟表和参考系，以及物理学和哲学。讨论的内容令人眼花缭乱，加上香烟和土耳其咖啡助兴，相对论的种子就此深植在爱因斯坦的心中。

今日的游客极少数是专业的科学家。他们来自各行各业，深受爱因斯坦的吸引，他不只是超乎寻常的知识分子，也是一个充满热情的人，可说是科学时代的圣之时者。博物馆的访客留言本上常有小孩留下的图画。导游爱格勒说有一个9岁的男孩留下了一张纸条给“亲爱的爱因斯坦”，他说他也想成为“像你一样的科学家”。爱格勒说，成人访客也一样满心敬畏。有些人还要求在博物馆关门后留下来，只为了呼吸爱因斯坦曾呼吸过的空气。她说：“很难解释，你要自己感受。”

注解：

[1] 　我的书《T恤上的宇宙》第四章更详细地介绍了麦克斯韦和19世纪的物理学概论。

[2] 　对现代人来说，飞在巡航高度的喷气式客机或许就是最生动的例子。只要机长避开乱流或急转弯，拉下窗板的乘客几乎感觉不到飞机的移动。

[3] 　爱因斯坦在16岁时第一次想到“假想实验”，我们可以看出这个实验对他的思绪影响深远，他最后在1905年发表了狭义相对论的文章。

[4] 　新的公式是x

[5] 　还有两个效应值得一提：快速运动的物体，其长度看起来会缩短，质量（继续加速的阻力）则会增加。

[6] 　等式中的E 代表能量，m 是质量，c 仍是光速。由于c 值非常大，c 的平方还要更大，即使质量很小，也能转换成大量的能量。

[7] 　其实还有第三种效应要切割开来：地球转动也会带来时间膨胀效应！

[8] 　指重力对不同区域拉扯的力量变化。如果航天员的脚先掉到黑洞里，重力就会拉扯他的双脚，不会拉他的头，后果当然非常可怕。

[9] 　物体的光谱是指在不同波长发出的辐射强度。

第八章
跟着小说去旅行

在物理学界有一条界线，一边是“疯狂但还合理”，一边则是“疯狂得不得了”。黑洞属于前者，而时光旅行则是后者。时光旅行对每一个人都充满吸引力，也是科幻小说作家最喜欢的主题，小说中有大胆的科学家，有奇妙的时光机器，还有“如果……会怎么样”的精彩故事。

“我知道，”他停了一下又继续说，“一切对你们来说都很不可思议，但只有一件事让我不敢相信，就是今天晚上我在这间熟悉的房间里，看着你们的脸，讲述这些奇异的冒险旅程。”

——韦尔斯《时光机器》

物理学家马雷特小时候的世界以父亲博伊德为中心，博伊德是个卓绝的人物，努力工作的同时也不放弃享乐，也很疼爱孩子。第二次世界大战时，博伊德加入美国陆军，担任战地医官，1945年美军跨越莱茵河时，他也在先锋部队中。战后他白天到电子公司上一整天的班，晚上和周末则帮人修理电视。博伊德33岁时心脏病突发去世，年仅10岁的马雷特“完全崩溃了”。父亲离世后马雷特郁郁寡欢，他读过韦尔斯的经典名著《时光机器》后，过了几年爱因斯坦的理论问世，才再次让他精神一振。书本内容让他相信自己有一天能再见到父亲，也令他决心进入科学界。

马雷特现在在康涅狄格大学教物理学，多年来他一直梦想能够造出时光机器，但他害怕遭人嘲弄，不敢透露自己的渴望。“我想要拿到终身职位”，他说完笑了一笑。还好他找到了一门学科，能帮他了解时间的本质，也够“正当”，他可以进行研究，不会引人侧目。黑洞理论也是他埋首研究的目标。前一阵子我去了康涅狄格州的斯托尔斯，一座寂静的新英格兰小镇，和马雷特约在他在康涅狄格大学校园里的办公室见面，他告诉我：“你知道，在物理学界有一条界线，一边是‘疯狂但还合理’的想法，一边则是‘疯狂得不得了’的想法。大家认为黑洞‘疯狂但还合理’，而时光旅行则是‘疯狂得不得了’。结果证明在研究黑洞时我也能顺便研究时间。”

一直到了20世纪90年代晚期，马雷特都躲在他所谓的“时光旅行的衣柜”里（译注：表示跟同性恋一样不敢公开）。大受欢迎的《新科学人》杂志专文介绍他的研究后（杂志封面大大方方地写着“缅怀过去：来看看全世界第一座时光机器”），他才脱离隐居的状态。现在他也很开心地在网站上把“时光旅行”列为他的主要研究领域。

走出时光旅行的衣柜

我们在前一章看过的黑洞由于有庞大的重力场，会让时间变慢（爱因斯坦的广义相对论预测到的效应）。但马雷特发现，光也会影响时间。光带有能量，爱因斯坦也证明了质量和能量具有同样的效用，所以光线应该也能扭曲空间和时间。

马雷特想到，他可以用一列强力激光形成强烈光线的循环光束。如果把两列激光束平行排列，光束围绕的空间就会变成正方形。马雷特说，正方形内的空间会变得“扭曲”，就像把牛奶加入咖啡杯后，搅拌咖啡，牛奶就会开始盘绕。他说，通过“光子晶体波导”就能强迫光线以螺旋状前进，进而增强扭曲的效应（光子晶体的光学特质能让通过的光线沿着特定的路径前进）。如果光束够剧烈，靠近光束的空间和时间扭曲程度会严重到能够在时间中创造出“循环”。用物理学的行话来说，这种系统会制造出封闭式类时间曲线 [1] ，这是时光旅行最关键的现象。从理论上来说，沿着这种曲线前进的粒子会回到过去，就像沿着街口一直走，你就会回到起点。马雷特愈说愈兴奋，一度差点把一本厚厚的教科书撞到地上，这本书的标题《重力》正好很适合对话的内容。

马雷特的提议听起来虽然疯狂，不过他曾在同侪评论的物理学期刊中描述主要的理论元素。然而，物理学界的反应并不大。康涅狄格大学物理系的主任斯德瓦利曾有意接受挑战，开始马雷特提议的实验，但他也提出警告，制造时光机器“似乎遥不可及”。美国麻省塔夫斯大学的两位物理学家最近发表文章评论马雷特的理论，他们认为用此类仪器创造出的封闭式类时间曲线会出现在很遥远的地方，“比我们看得到的宇宙半径范围还要大无数倍”。

马雷特仍不放弃希望，他说专家并非质疑他所依凭的物理学或数学，而是不确定是否能活用等式，创造出“时间循环”。马雷特和在同一所大学的实验物理学家合作，想弄清楚要如何才能让他的激光驱动时间循环开始运转（他们目前还在筹募资金，马雷特相信要测试他的方法，需要25万美金的设备）。他希望在十年内就能看到初步的结果，也相信在21世纪结束前，人类就能在时空中旅行。

西雅图信号正炽

马雷特并不孤单。在美国另一边的海岸上，华盛顿大学的物理学家克拉默也在研究跟时间相关的新奇机械，看起来十分复杂，配备了激光束、镜子、分光镜，最重要的则是一对对“纠缠态”光子。马雷特的重心放在相对论上，克拉默把指望放在现代物理学的另一根支柱上，也就是量子理论，尤其以量子纠缠（也叫作“量子非局域性”）的奇特想法为焦点。量子纠缠最早在20世纪初出现，指出在一对纠缠的粒子中观察到其中一个粒子时（比方说记下粒子的旋转或极化），就会自动得到另一个成对粒子的信息，即使两个粒子之间相隔非常远。虽然听起来很诡异，爱因斯坦很不喜欢这种想法，直斥其为“幽灵式的超距作用”，但最近已有无数的实验证实了量子纠缠。

科学家用形形色色的方法诠释量子纠缠，想要了解其中的宇宙论。克拉默认为要了解遥远粒子间看似能够瞬间沟通的现象，最简单的方法就是通过逆因果律的概念。我到西雅图拜访克拉默，这位语气温和的教授想用外行人听得懂的术语来说明逆因果律。简单来说，就是未来能够影响现在或现在能够影响过去的特殊事态，在次原子的世界里，等于还没离开家门就到了办公室。虽然听起来完全违反直觉，但物理定律中却没有说法能排除这种影响。

要在实验室里示范逆因果律却很难。克拉默规划的实验重点在于让光束通过晶体，分裂成两束纠缠的光子，每一束光子再通过有两条隙缝的屏幕──一个世纪前，量子理论的先锋也用同样的方法证明光的行为如果跟粒子不一样，就该跟波一样。通过屏幕后，再把两束光子聚焦到侦测器上，不过事先不知道特定的光束是一道波还是一串粒子。还有一个更重要的构成要素，也就是第二束光子上的侦测器可以移动，只要调整侦测器和屏幕之前的距离，你就可以控制光束要标成光波还是粒子。然而，由于光束已经呈现纠缠状态，你知道如果第二个侦测器把某个光子标成波，那么另一个侦测器上的纠缠态“伙伴”也是波。克拉默的想法很大胆，要强迫第二道光束“绕道”通过约十公里长、盘绕成圈的光缆，使其速度降低几微秒。这表示你对第二个侦测器做的设定（要看到波还是粒子），会影响第一个侦测器上看到的东西，尽管光束已经早了几微秒射到第一个侦测器上。

至少理论上来说应该如此。如果实验成功，我们可以想象未来的事件跨越很短的一段时间来影响过去的事件。克拉默说：“原则上，如果量子纠缠可以用来传送信号，我可以把信号送回五十微秒前。在传送前的五十微秒，我就收到了信号。”但理论上延迟可能更长。他若有所思地说：“如果你在传送和接收信号间能有五十微秒的差别，原则上没有什么能阻挡你把它乘上一百万倍，也就是五十秒的差别。”

克拉默跟马雷特一样，努力募集资金来进行规划中的实验，不过当地的报纸提到他的财务困难后（新闻头条是“物理学家要实验时光旅行，需筹措两万美元”），很多人慷慨解囊。克拉默在报道中哀叹就连美国国防部高等研究计划局（DARPA）都不肯提供实验基金给他，尽管如此，文中也指出DARPA的研究重点在于“可以变形的液体机器人（看过电影《魔鬼终结者》第二集就知道了）和生物机械混合体昆虫”。克拉默很高兴捐款源源不绝，但跟大多数科学家一样，他不想花太多时间成为众人注目的焦点。他说：“我们的实验都还没开始，就有这么多人注意，让我觉得有点不自在。”

《新科学人》杂志再度率先公开克拉默的想法。这本杂志一向具有独到的鉴赏力，作者主张，如果逆因果律果真得到证实（他承认要特别强调“如果”两个字），就会“颠覆我们最看重的因果本质概念以及宇宙运作的方式”。

物理学界的回应则比较客气。虽然量子纠缠现在已经得到许多实验的证实，但我们仍不清楚是否能用一对对的纠缠粒子来发出信号，在克拉默提出的实验架构中，这一点却是先决条件。换句话说，纠缠只能证明某种程度的逆因果律。

或许克拉默和马雷特出入最大的看法在于克拉默期望自己的实验会失败。他深深怀疑这种反向信号发生的可能性。但究竟为什么不可能发生，还需要详细调查。克拉默说：“很有可能有某种关系会妨碍你反向发出信号。我们想用这个实验来了解到底是什么关系……如果全部的东西都准备好了，你应该试试看，试着挑战极限，看看会发生什么事。”

你一定梦想过逃离时间的禁锢吧？我们似乎陷在时间的流动中，无法自主地度过一天又一天。要是我们能像在空间移动一样，自由地在时间中穿梭，想想看那会变成什么样子：从错误中学到经验后，我们可以回到过去，重新度过生命中的关键时刻。我们可以跟过世的亲人再见一面。我们可以窥探未来，看自己的曾孙长什么样子。或许可以尝试更刺激的旅程：见证耶稣受难，或英国历史上最重要的黑斯廷斯战役（想过这件事的作者不胜枚举）。或许也可以立下要改变历史的目标，比方说回到1933年的柏林，先把希特勒杀了，他就没机会带领大军攻击其他国家。

时光旅行的主题对每个人来说都充满吸引力。一百多年来，时光旅行也是科幻小说作家最喜欢的主题，最早出版的是韦尔斯的小说，后来有给人装模作样感觉的《回到未来》电影三部曲、《超时空博士》影集、《魔鬼终结者》系列电影和各种版本都拍了无数集的《星际旅行》。

跟着小说走

韦尔斯并非第一个臆测时光旅行的作家──至少不是第一个用灵巧叙事手法带领读者跨越年份“玩弄时间”的人。在狄更斯的小说《小气财神》（1843年出版）中，主人翁斯克鲁奇突然被送到过去、现在和未来的圣诞节，但情节比较像幻觉，而不是真的前往不同的年份。马克·吐温《误闯阿瑟王宫》（1889年出版）中的主角头上挨了一拳，醒来后发现自己回到中世纪的英国，不过书中一直没解释他怎么会到那儿去。同时还有两个比较不为人知的故事以更直接的方法处理时光旅行。米切尔的《倒着走的钟》（1881年出版）和刘易斯·卡罗尔的《色尔维和布鲁诺》（1889年出版）都提到除了能报时，还能让佩戴的人控制时间的时计，戴上了就会前往时计显示的时间。

但韦尔斯的《时光机器》开创了先例，读者必须想象为了特殊目的而建造的机器，搭上了就能控制时间。这个想法的独创性再怎么强调都不算过分──《科幻小说百科全书》称其为“叙事技术的重大突破”，赞美其主题善用过去的事实“构成历史断层，非常引人注目”。

韦尔斯认为时间只是一个维度，我们可以穿越时间，就像穿越空间一样。《时光机器》于1895年出版，比爱因斯坦的狭义相对论早了十年。韦尔斯因写作而出名，但他也曾在伦敦的帝国学院上过一些科学课程，对科学发展也很有兴趣。他的看法显然比别人更早考虑到爱因斯坦理论基础中的主要概念。

《时光机器》出版了以后，描写时光旅行的书籍充斥市面，复杂度和可信度各有不同。海莱因的短篇小说《行尸走肉》（1959年出版）或许可以说是最错综复杂的时光旅行故事，肯定也最让读者觉得心烦意乱。在这个疯狂的故事里，时光旅人动了变性手术，除了变成自己的父亲，也变成自己的母亲。事实上，随着情节发展，我们发现故事中所有的主要角色都是同一个人，出现在不同的生命阶段。

道格拉斯·亚当斯用更幽默的风格在《银河系漫游指南》第二部中告诉我们，时光旅行的主要障碍“其实只是文法问题”，此外碰到这个问题时，就应该查阅街道评论员博士的《时光旅人的一千零一种时态结构手册》。举例来说，你会学到如何描述过去即将发生在你身上但你却往前跳了两天时间来避开的事件。从自然时间的观点、未来的时间观点或更早之前的观点出发，会有三种不同的描述，当你从某个时间旅行到另一个时间并想着要变成自己的母亲或父亲时，还有可能让对话变得更复杂。

大多数读者学到未来半条件亚转位变格假设意图式就放弃了，事实上，后来此书再版时，这个时态后面的书页全部留白，省下不少印刷费用。

这些作者所写到的时光旅行纯属空想，还是在现实世界中真能实现呢？如果可以实现，我们要如何解决时光旅行可能造成的诸多矛盾？

向前跳

在继续讨论前，我们应该先区分前往未来和回到过去。还好狭义相对论带来了时间膨胀效应，要前往未来，只要快速前行一段时间，然后回到原点。事实上已经成真了：阿波罗号上的航天员和长期在地球轨道上运行的人，回到地球后老化速度都比待在地球上的同仁慢了一点点（注意，通常只差了几微秒，因为他们的速度和光速比起来仍然慢得跟蜗牛一样）。俄罗斯的航天员卡廖夫目前是这种时光旅行的纪录保持人，他在和平号太空站和国际太空站待了超过八百天，一直绕着地球转。到目前为止，他的老化程度比地球上的同事慢了五十分之一秒。

爱因斯坦理论第二部分的广义相对论对未来时光旅行也有帮助。勇敢的时光旅人靠近强烈的重力场后（例如黑洞），老化速度会比留在家里的兄弟姊妹慢，因此从旅人的角度来看，他就到了未来。

不过据我的猜测，很多人可能会觉得卡廖夫体验的时光旅行“不算数”。或许因为距离太短，根本察觉不到老化程度的差异。但时间差异的大小只受到科技的限制。理论上，航天员出航开始漫长旅程后再回到地球，会发现地球上已经过了好几百年。假设你要绕银河系一圈，大概需要十五万光年。你慢慢地稳定加速，每一秒只增加十公里的速度（这就是“g”值，模拟地球上重力每天施加在我们身上的力量）。用这种速率持续加速，只要时间够久，最后就会达到非常高的速度。过了差不多十一年半，你就发现自己已经完成一半的旅程。你已经跨越了七万五千光年，呼啸前进的速度大概是光速的99.99867％。现在开始用同样的速率减速：又过了七万五千光年后，你回到地球，整整绕了银河系“一圈”。但你的时钟早就跟地球上的时钟差了十万八千里：你觉得只过了23.16年，但是在地球上却已经过了十五万零二年。

这一点不需要争议：狭义相对论的时间膨胀效应是已经确立的科学。物理学家格林说：“我们有充分的理由可以相信狭义相对论正确无误，也没有理由不相信，而且进入未来的做法也能如预期般发挥作用。虽然理论已经确立，却因为科技而脱离不了这个时代。”

但这种时空旅行有一个明显的缺点──去了就不能回来。航天员不能在看到未来后回到出发的时间，也不能把2108年的消息带回2008年的世界（比方说一百年来的股价、超级杯的比数和乐透中奖号码）。除了牵涉前往未来的时光旅行，回到过去的旅行问题反而更多，我们马上就会讨论到。（无论如何，向前行进的时光旅人在到达终点时，如果那时的人相信他的故事，会把他当成来自过去的时光旅行者。既然他对21世纪的生活了如指掌，一定会成为历史学家瞩目的焦点。）

回到昨日

回到过去就比较复杂，基本上这个想法就自相矛盾。我们最容易想到的问题就是所谓的“祖父悖论”，时光旅人杀死祖父，防止自己出生，没出生的人却不可能回到过去。这个悖论有很多版本，我们马上就会详细探讨。但首先我们要注意，说来也奇怪，已知的物理定律中没有任何一条明令禁止我们回到过去的时间。事实上，广义相对论中最值得注意的空间和时间扭曲似乎就是为了这种特殊的旅程而打造出来的。物理学家克劳斯曾说：“爱因斯坦的广义相对论等式除了不直接否决这种可能性，还成为助力。”

我们前面已经看过，广义相对论很重要的一点是在质量和时空的几何之间创造出的关联。质量基本上会扭曲周围的空间和时间。要如何才能造成高度扭曲呢？要能剧烈到可以创造出封闭式类时间曲线，太阳系中所有能想到的东西连边都沾不上。我们需要更独特的天文物理物体，把我们带到黑洞去，还有黑洞更奇特的表亲虫洞。

一开始时我们假设掉到黑洞里的物体有去无回：掉到事件视界下的物体完全从宇宙中消失，马上就在黑洞中心被压碎，从此遭人遗忘。但是，物理学家后来也想到另一个可能性：如果黑洞除了“入口”，还有“出口”呢？这种双头的黑洞叫作虫洞。理论上虫洞可以当作时间和空间中遥远地点之间的“桥梁”，把旅人送到另一个宇宙中，或者不离开我们的宇宙，只是送到很远的地方，这就取决于虫洞两端的位置。

虫虫翻身

然而，虫洞不光是个洞那么简单。一方面我们还不知道怎么用普通的物质（恒星和星系的构成要素）形成虫洞。首先，构成虫洞需要多得不得了的物质，这么多的物质聚在一起，不会把自己也压垮了吗？在加州理工学院任教的物理学家索恩于20世纪80年代提出解决办法：如果虫洞该由特殊的物质构成，能够产生“负能量”，就会释放出足够的压力来保持开启。量子理论指出这种特殊物质有可能存在，但我们没办法证明用负能量形成的虫洞是否有可能存在于我们的宇宙中。（也有人说这种结构或许在大爆炸时形成，现在散落在宇宙各处。不过这种说法纯属理论。）即便如此，只要这种结构有可能存在──没有物理定律明确地否决，就是非常惊人的发现。如果能找到一个稳定、可通行的虫洞，航天员就能从一个地点进去，从另一个地方出来，不过出来时，时间也变了，可能是过去，也可能是未来。虫洞就可以当成时光机器（不过这种旅行的种类有一个限制，旅人不能回到虫洞形成之前的时间）。

虫洞理论出现不久，就变成科幻小说的主题。1985年春天，萨根写了小说《接触未来》后一边校稿，一边找索恩提供意见。萨根需要帮他的女主角艾莉·阿罗维找个方法穿越浩瀚的空间和时间。他想黑洞应该可以奏效，但索恩发现虫洞才是更好的选择。过了几个月后《接触未来》出版了，也改编成电影，在1997年上映，由朱迪·福斯特饰演伊莉。正如作家图米指出的，有趣的是虫洞的灵感左右逢源：索恩帮萨根出主意后，又继续费心思索虫洞的意义。1998年9月，索恩和两名同事写的文章《虫洞、时光机器和弱能量条件》，出现在期刊《物理评论通讯》上。虽然只有三页长，却是知名物理学家首次认真讨论时光机器的文章。图米的文章提到，那时“时光机器的想法已经跨出科幻小说的领域，进入科学的范畴”。

时光旅行最广为人接纳的方法或许就是通过虫洞，但这不是唯一的办法。物理学家也想象出其他奇特程度不下虫洞的结构，或许也能让空间和时间扭曲到必要的程度。在20世纪70年代，物理学家蒂普勒发现，如果螺旋状的长圆柱表面移动的速度能够接近光速，就能拖曳周围的时空一起前进，或许就能创造出封闭式类时间曲线（有点困难，可能需要无限长的圆柱）。在20世纪90年代初，物理学家哥特想象出一个使用“宇宙弦”的方案，宇宙弦可能在大爆炸时形成，是无数细长且密集的能量。两条这样的弦在高速前进时交会，如果航天员正好在那时通过这对宇宙弦，就可以回到原来出发的起点。科学家还提出了其他好几种一样深奥的想法，都以广义相对论的等式解答为基础。

或许靠着索恩和同事口中的那种虫洞，真的有可能回到过去，但我们却要马上面临回到过去所带来的矛盾。这些矛盾引发了不少麻烦的哲学问题，我们最好停下来思考几个问题，然后再继续讨论。

哲学插曲二

质疑过去和未来的“真实性”或许是个很好的起点。时光旅行的想法本身就预设有目的地，也就是和现在一样真实的过去和未来，然而并非所有人都同意这一点。你可以提出反对的意见，过去已经“过去了”，你不能参观古罗马，原因很简单，因为古罗马已经不存在了。或许同一个原因让你无法亲眼看到未来的事件。（很明显，科幻小说中所有时空旅行的场景碰到这个推理的方法，就等于被泼了一桶冷水，《魔鬼终结者》里的机器人和决心要阻挡机器人邪恶任务的代理人，怎么能从还不存在的未来回到现在？）前往过去和未来都不可能，因为无处无时可去。这种否定过去和未来真实性的哲学想法叫作现在主义（我们在第六章已经简短地提过），也有人不时提出其中“无目的”的想法来反对时光旅行。（有趣的是，偶尔也有人说“现在主义”之前是主流的世界观，或者这就解释了为什么过了19世纪中期，时光旅行的故事才开始流行。）

另一个反对的论点则是“双重占据”的问题：我怎么可能回到过去或未来，却不碰到当时已经在那里的“我”？哲学家就这些问题写了冗长的论文，有些读起来令人爱不释手。我却觉得大部分的文献（或许潜意识中）都源自牛顿的观点，时间和空间似乎都非常明确，就像宇宙中有座“母钟”。然而，我们在第七章已经讨论过，情况并非如此，狭义相对论让我们不得不把时间和空间当成纠缠在一起的东西。“过去”和“未来”的地位就跟“现在”一样稳固，即使“现在”已经被贬低成主观的符号。的确，俄国航天员卡廖夫似乎已经克服了这些障碍。未来虽说不够真实，但他还是向未来前进了五十分之一秒，他也没有撞上已经在那里的自己。

我们说“回到未来”时，到底是什么意思？一般来说，我们不是指反向“生活”或“体验”，不论那到底有什么含义。（不过有些作家确实探索过那个概念，有时候还详细到了极点，例如埃米斯的小说《时光之箭》。）大多数人就算希望能看起来年轻点，也不希望自己的记忆、知识和经验在旅途中溜走。谈到时光机器时，我们想象的东西通常更复杂：在想象中，进入这架机器，我们想必就能控制“外面某处”的时间以特定的速度向前或向后移动，而“本地”的时间仍按照正常的速度前进。（哲学家刘易斯1976年刊出了名为《时光旅行的矛盾》的论文后，再度掀起大众对相关议题的兴趣，他用“外在时间”和“个人时间”来区别这两种时间线。）韦尔斯设想的时光旅行就是这样：时光旅人按下控制杆前往未来，女仆“像火箭一样迅速穿过房间”，但在机器中的时间却以正常的速度流动。时光旅人没有急速老化，如果他戴了手表，应该也会以原来的速度运转。不过很重要的是时光机器“仪表板”上的刻度盘不知为什么能指出“外面某处”的时间，让他可以看到自己到了公元802701年。（《星际旅行》的影迷应该记得有一集也有类似的分歧：在“裸时”中，企业号向着过去飞驰，成员的意识经验似乎往前走，舰上的时计却能记录“实际的时间”，观众可以看到日期和年份向后倒退。）

还有一个很棘手的问题，当你在时间中移动时，也会转移空间吗？对企业号来说不是大问题，想来就来，想去就去。但我们相信韦尔斯笔下的时光机器离不开地球，可谓“跟着地球一起转动”。毕竟地球在轨道上绕着太阳公转的速度也有每秒三十公里，但韦尔斯的时光旅人一定“跟得上”，不然就会在外层空间现身了。这种问题起码会让我们很谨慎地思考“时光旅行”的真正含义，还有心中对时光机器的期待。

爷爷！快闪啊！

我们现在要来讨论众所周知的矛盾情况。最多人讨论的局面就是，假设时光旅人回到1930年，决定在祖父碰到结婚对象（他的祖母）前就把他杀了（或者也可以假设时光旅人驾驶技术很差，不小心撞死了自己的祖父）。要怎么防止这种看似不可能的事件发生？

目前提出的解决方法主要有四个。第一，自然定律总会不知不觉地联合起来，妨碍你执行恶毒的任务。第二，你虽然可以任意而行，但由于就某种程度而言“你已经干了那档子事”，结果就是已经留存下来的历史记录。如果你的祖父得享天年，你就无法改变事实（我们后面会讨论到，前两个解决方法基本上一模一样，可是采取不同的角度）。第三个可能性则是所谓的“平行宇宙”解决方法：在这个局面中，你可以回到过去杀死祖父，但你的行为不会改变“历史”（你学过的世界历史），而只是另一个平行世界的过去。最后，以上的矛盾证明了人类不可能回到过去，这是第四个说法。

先来讨论自然阴谋论的说法。你回到过去，从值得信赖的时光机器走出来，只觉得头有点痛。报纸上的日期证明你回到了1930年，你找到祖父当年住的地方，查到他的行踪。你举起手枪，他就站在你眼前。你一定打得中。你扣下扳机，然后……会发生什么事？这里就是有趣的地方了。有人说物理定律会阻挡你杀死自己的祖父，他们并非主张会有超自然的力量来阻止你，而是说会发生某件事或一系列的事件，让你无法顺利执行任务。有可能你在射击场练习了很久，真的对准祖父时还是打不中。或许你改变了心意，在最后一秒钟决定不要动手。或许你在前往祖父住所的途中踩到香蕉皮滑倒了。不论如何，就是有一连串的事件妨碍你达到目标。

乍看之下，上面的推论似乎违反了自由意志的概念（很多哲学家和少数物理学家实际上都主张自由意志是幻觉，但现在不妨假设自由意志确实存在）。如果你不顾一切，一定要杀死祖父，为什么你会“意外地”一直踩到香蕉皮或碰到其他类似的障碍？是否有种“整体的”定律妨碍到我们“局部”的行动？果真如此，那就违反了牛津大学的哲学家洛克伍德口中的自主原则。自主原则指出，我们要在所在地进行的活动，“不会涉及宇宙间其他人的行为”。换句话说，只要你不违反所在地的物理定律，整个宇宙和你在此时此地进行的活动都没有关系（应该没有任何关系）。宇宙的“诉求”或许使你无法杀死祖父，但你在此时此地瞄准那可怜的家伙并扣下扳机时，为什么整个宇宙应该和这件事有关联？首先要说明的是，在没有封闭式类时间曲线的宇宙中，普遍的定律绝对不会干涉你个人的自主性。但洛克伍德主张，加入时间循环后，你的能力范围就会突然受到严格的限制。某次谋杀行动失败了，你可以在所在地找到解释，比方说踩到香蕉皮，但谋杀行动连续失败，原因“则在于多形式时空的整体结构”。（或许你也可以说，要解释的话，无穷尽的“意外”感觉就跟意外应该阻挡的矛盾情况一样奇怪，哲学家当然也已经费尽心思来应付反对的说法。）

覆水难收

我想大多数的物理学家和哲学家都能接受这里的假设，也就是人类无法改变历史。格林说：“如果你回到过去的时间，你无法改变任何事情，就像圆周率的值已经固定了一样。”在狭义相对论中，空间和时间的存在不需要质疑，过去的也就过去了。一旦回到过去，你所能采取的行动自然受到严格的限制。我们不得不面对“你已经做过这档子事”的争论，更正式的名称则是一致性原则。哲学家约翰·弗里德曼用更严密的说法来表达这个原则，他说：“要解决能在真实的宇宙中局部出现的物理定律，用的方法必须在任何地方都能维持本身的一致性。”用外行人的话来说，如果你回到过去的时间，你的行为一定要跟宇宙整体的历史保持一致。更简单的解释是，如果你回到过去，你只能做你实际上做过的事。

我们现在就能明白，第一个跟第二个论点结果都一样，时光旅人一定要因为一连串没有尽头的神秘巧合、特殊的限制或不知为何失去自由意志而无法杀死自己的祖父吗？这种推理方式就本末倒置了。史密斯写了一篇标题带有讽刺意味的文章《时光旅行要开始了，带了足够的香蕉吗？》，他说：“如果时光旅人要回到过去的时间，他人已经在那里了。如果他要救人一命或阻挠某人出生，他也已经做了这件事了。”要说一连串的事件“不可能发生”，我们就该事先声明发生这些事件的可能性有多高。如果这一连串的事件已经发生过，却说它们“不可能发生”，就给人用词不当的感觉。如果祖父记得1930年有个疯狂的陌生人要置他于死地，时光旅人就是那个陌生人。史密斯说，认为某件事已经发生，在时光旅人体验到时这件事“再度发生”，其实不对，这件事就是发生过了。史密斯让这种混乱的情况成为“二度”谬误。如果时光旅人见证到历史事件，事实就是如此，但那表示他一直都在那个时间里。

这个想法听起来很简单，但仍有可能严重破坏自由意志的概念。举个例子来说，尼费尼格的《时空旅人之妻》（2003年出版）中的男主角亨利，能在时间中移动，我们可以探讨他的行为。当二十四岁的亨利见到五岁大的自己，成年的亨利很努力地要让自己在十九年后仍能记住他看到“自己”做的事情，但这个行为只是看似出自自由意志。既然他的旅程“已经发生了”，就应该迫使他的行为就像五岁时看到已成年的自己所展现出来的，不是吗？或许他察觉到这股强迫的感受，只是觉得自己有选择……

撞球和本体

我们还可以想象出更简单的矛盾。假设撞球桌上正好有个精心放置的虫洞。现在你把一颗球打到虫洞的开口里。球进去了，然后从另一端出来，正好就在进洞的前一刻。有可能发生的情景是这颗球撞到自己，或许会改变轨道，结果完全偏离虫洞。但如果球不进虫洞，就不会撞到自己，也不会从轨道偏斜出去，结果就会进入虫洞……以此类推。（举一个反例，只要球从侧面撞到未进洞的自己，力道不怎么强，不会妨碍进入虫洞，那就没关系了。这仍是一个很特别的案例，某件事导致自身发生，有时也叫作“本体矛盾”，但逻辑上并未出现抵触。）

时光旅行的矛盾不只出现在人类和真正的物质上，也涉及信息。这个说法有很多变化，通常叫作“知识矛盾”。假设是类似这样的情况──你为了物理或数学上的一个问题（任何领域都可以）而苦恼不已。为了方便讨论，不妨假设你是一个狂热的数学家，对“哥德巴赫猜想”非常好奇，这个难题发表了两百五十多年，数学家仍找不出解释的方法。（猜想的内容是，每个偶数都可以用两个质数的总和来表达，例如四等于二加二、六等于三加三、八等于三加五……数学家强烈感觉到这个猜想的正确无误，即所有的偶数都可以套用这个说法，但到目前为止仍没有人能提出证据。）假设说现在是2008年，你觉得人类还需要好几十年来证实哥德巴赫猜想，所以你就把时光机器的目的地设成2040年。到达目的地后，你立刻前往图书馆（那时候应该全都数字化了），发现哥德巴赫猜想已经被解开了，你觉得很高兴，努力研读已经出版的答案。证据内容冗长艰涩，但最后你终于牢牢记下来。你也发现作者是你认识的人，虽然他现在是一所大学的数学教授，但在2008年他还是小孩子，就住在你家附近。你也看到出版日期是2038年。太好了。那孩子还有足足三十年的时间成为教授，找到证据跟写出这篇文章。回到2008年后，你尽一切可能鼓励那个孩子，虽然他对自己的数学能力心存怀疑，但在你的坚持下他进大学主修数学，最后也当上了教授。但日子一年一年过去，他似乎在哥德巴赫猜想上没什么进展。他只发表了几篇研究论文，都不太值得注意。最后，只剩下几天，他必须把论文寄给期刊的编辑室，你发现他可能赶不上。既然证据还记在心中，你把你记得的东西写在纸上，装入信封后从教授家的门缝塞进去。接到来自无名氏的宝藏，他当然欣喜若狂，事业有了出路，从此也会建立起屹立不倒的名声。他立刻把证据写出来，在截止期限前送给数学期刊的编辑，也就是你在未来看到的版本。

证据究竟从何而来？不是教授，他只照抄了你塞进门缝的资料。但也不是你发现的，你只从数学期刊上搜集了这些证据！基本上相关的知识不知从何而来。就跟关系密切的本体矛盾一样，这种“免费的午餐”似乎很怪异，但严格来说并未造成逻辑抵触。

改变谁的历史？

现在来看第三个可能性，所谓的“平行宇宙”。拿来避开各种矛盾还挺成功的：举例来说，如果你杀了自己的祖父，只代表这件事发生在另一个宇宙中。这个理论当然“简洁有力”，但消除了矛盾后，却带来了形而上的包袱。我们有没有理由质疑多重宇宙是否真的存在？

在量子力学的古怪世界中，多重宇宙的想法早就出现了。这个想法现代的化身可以追溯到20世纪50年代，物理学家艾弗雷特三世用“多世界”来诠释量子力学。在多世界的架构中，当某件事可能有超过一个的结局时，所有的结局据说都各自出现在不同的宇宙中。有些评论家可能会觉得多重宇宙的想法原本就背离了“欧坎的剃刀”──也就是说解释应该愈简单愈好。一个宇宙就够了，为什么要假设看不见的宇宙还有无限多呢？支持多重宇宙的人则答复，因为一个宇宙不够用。

量子理论的多世界诠释依然争议不断，但几位知名的理论家最近纷纷倒向这个说法。最直言不讳的拥护者则是牛津大学的物理学家多伊奇。他在1997年出版了《现实的结构》，书中说量子理论解决了时光旅行带来的矛盾，尤其是多世界的观点。他写道：“平行宇宙的量子理论不是问题，反而是解答。这个说法阐明了非凡、反直觉的现实，唯有这个解释才站得住脚。”我到他在牛津的住所拜访，谈话中他给我更清楚的解释：“考虑到量子理论后，时光旅行就能真正保持一致。只是当你确实回到过去时，你回到另一个宇宙的过去。”

如果你回到过去，找到你的祖父，这是一个不同的（或者可以说“平行的”）宇宙，祖父在其中确实遇到了来自未来的神秘旅人。如果你真把他杀了，表示他在那个宇宙中不会有孙辈。然而，在你所来自的宇宙中，他活到很老，历史（那个宇宙的历史）不会发生争议。“哥德巴赫猜想”的知识矛盾也有类似的解决方法：在一个宇宙中，教授自己找到了证据；在另一个宇宙中，证据则从在第一个宇宙出版的论文复制过来。在这两种情况下，证据都有确切的来源。

在美国康涅狄格州工作的研究人员马雷特想用光束示范时空旅行，他跟多伊奇一样，相信多重世界的真实性。“你过去做了什么，不会影响到我们的宇宙。”他自信满满地说。（他当然明白，万一他不知怎样才能挽救父亲免于早逝，也不会影响他的宇宙，他会在全新的平行宇宙中救回自己的父亲。）

物理学所不容？

最后来讨论第四个可能性，也就是物理学定律不知为何不允许我们回到过去。这个说法最有名的佐证来自剑桥的物理学家霍金。他把这种普遍的定律叫作“时序保护假说”：物理学的定律联合起来防止肉眼可见的物体回到过去。霍金承认他不知道实际上阻碍时光旅行的机制是什么，但不管是什么，都能防止矛盾出现，这样“历史学家的世界就安全了”。大家也知道他说过：“时光旅行从来没有成功过，之后也不会成功，最好的证据就是我们到现在还没有被来自未来的一大群旅客侵略。”但图米和其他人也指出，霍金一定在开玩笑。毕竟，目前科学家在设计的时光机器都无法让旅人回到机器建造前的时间，所以我们没碰到时光旅人，只表示时光机器尚未发明。就算更进步的文明（或许是几千年后的我们）不小心掉到原本就有的虫洞里，也能随意地通过虫洞回到远古时代，仍有几个看似有理的原因证明为什么我们看不到为数众多的时光旅人。比方说，时光旅人只要做好必要的伪装，就不会遭人注意了。（我想，如果你聪明到要去窥探恺撒大帝被刺杀的过程，应该也会很聪明地穿上当时的服饰，免得被识破。）还有另一个可能性，就像多伊奇和洛克伍德写的，我们在银河系里算是比较无趣的文明，更进步的文明对我们没有兴趣，“也没有理由假设他们觉得应该要先来参观（这个世纪的）地球”。

耐人寻味的是，虽然霍金现在支持时序保护假说，但之前他也曾犹豫不决，无法否定时光旅行的可信度。他在20世纪80年代曾揶揄时光旅行的想法，然后帮克劳斯的《星际旅行的物理学》（1955年出版）写序时，他说：“在星际以高速旅行可能会有一个结果，就是让人回到过去的时间。”根据伦敦的《周日泰晤士报》报道，霍金说如果结合了广义相对论和量子理论，时光旅行“的确有可能实现”。然而，在写第二本畅销书《果壳中的宇宙》（2001年出版）时，他又再度低估了时光旅行的可能性。

如果要找“来自未来的一大群旅客”，或许送出邀请是最好的做法。2005年5月7日在美国麻省理工学院举办的时光旅行会议就以这个想法为出发点。当然，科学家一方面利用这次论坛的机会详细讨论最新的时光旅行技术，同时也鼓励来自未来的旅客来拜访我们。（这次会议的构想来自研究生多莱，他看了漫画后学到要举办这种主题的会议，不论会议在何时举行，来自未来的旅人都可以参加。）据与会者所知，没有未来的访客参加这次会议。

同时，大家仍用怀疑的态度阅读有关时光旅行的论文。马雷特认为在一个世纪内人类就能实现时光旅行的想法，也一样遭人嗤之以鼻。许多研究人员继续钻研虫洞，认为这是最有可能实现时光旅行的方法，但也有人认为虫洞没有用。斯坦福大学的物理学家萨斯坎德在2005年发表了一篇技术含量相当高的文章，他认为要能操控虫洞，一定会违反两个看似不可侵犯的自然定律，也就是能量不灭定律和量子力学的“测不准原理”。他说，穿越时间的人“需要找到另一种类型的时光机器”。有些物理学家也指出，弦论的等式让封闭式类时间曲线从一开始就无法形成，通过虫洞或其他机制都没有办法（我们会在下一章详细讨论弦论）。

如果真能证实时光旅行不可能，那也是一项极为重要的发现。霍金曾说过：“就算到最后发现时光旅行不可能实现，我们也应该了解为什么不可能。”

答案可能来自像霍金或索恩这些科学界大师的深奥理论思考，或者来自尚未得到大众瞩目的马雷特或克拉默，在地下室的实验室里，用相当朴实的设备，什么都得一把抓。不论如何，想要找出时光旅行的答案，并不单纯只因热爱科幻小说中的故事。时光旅行体现了理论上的挑战及明显的矛盾，科学家不得不面对现代物理学中最难解的问题，也就是宇宙终极定律的本质，除了因果的奥秘，还有关于空间和时间本质的基本问题。

难道一切只是一场荒谬的梦境？当然是。马雷特读到《时光机器》时只有11岁。他现在长大了，也更聪明了，在物理学的真实世界中奠定了更稳固的根基。他说：“随着年龄增长，小时候觉得很惊奇的东西都被粉碎了。”他承认自己小时候很幼稚，分不清楚幻想和现实。他说：“小孩子觉得幻想都是真的。”但在内心深处，幼稚的梦想仍发出微弱的光芒，小说中有大胆的科学家，有奇妙的时光机器，还可以问别人说“如果……会怎么样呢？”

注解：

[1] 　马雷特称之为“封闭式类时间线”，不过“曲线”是比较常见的说法。

第九章
世界几岁了？

奥古斯丁钻研圣经，算到了公元前5500年；圣毕德尊者算到公元前5199年。开普勒、牛顿和马丁·路德推测为公元前4000年到公元前3993年。爱尔兰主教阿瑟推论出世界于公元前4004年10月22日星期六晚上6点钟诞生。法国科学家布封测算地球已经74 832岁了……

对于太空中的创造成果，想要画出范围，不啻是白费心力……因此，我们已经准备好面对这样的发现，时间中的宇宙范围早已超乎凡人的掌握。

——莱尔

在美国亚利桑那州东北部，蜿蜒而过的秦利溪支流把聚合在这里的峡谷切成三块扇形，现在纳入德榭伊峡谷国家保护区。秦利溪向北流入圣胡安河，后者继续向西前进，流入科罗拉多州，向西走两百多公里，这两条河流亦雕刻出大峡谷令人叹为观止的缺口。德榭伊峡谷由同样的水系打造而成，难怪景色和地质都和美国西部有名的亲戚大峡谷非常类似。沿着德榭伊峡谷南缘的锯齿状小径行走，脚下的砂岩悬崖离下面的沙漠大约有300米，像蜘蛛岩这么壮观的巨大石柱离地向上拔出的高度也将近300米。虽然一年四季游人如织的大峡谷几乎没有“淡季”，但谢天谢地，今天德榭伊峡谷却一片宁静。最近趁着春季找了个傍晚去游荡，除了我之外，只有一名游客在蜘蛛岩的鸟瞰台上享受日落的景色。那位先生满头白发，带着庞大的8mm×10mm取景相机，架在巨大的木头三脚架上，另一个三脚架上则放了顶级的哈苏相机，应该是为了预防万一吧。几天后，我发现也有人在大峡谷拍类似的照片，但那里有几百名背着相机的游客摩肩接踵，在最受欢迎的南崖边想办法挤到可以拍照的地方。

当太阳朝着西边的地平线下沉，峡谷北边和东边岩壁上一层层的岩石从粉褐色转变成明亮的橘色和红色。这景色美不胜收，还能窥探绵延不断的时间。德榭伊峡谷最古老的特色是一层叫作苏派岩层的砂岩，约于两亿八千万年前形成，比恐龙始祖漫步地球的时间早了好几千万年，而崖壁柔和的玫瑰色则来自上方的岩层。这就是所谓的德榭伊砂岩，本来是沙丘，在两亿五千万年到两亿三千万年前被压成坚硬的岩石。过了五千万年后，最上面的秦利岩层崩坏了。现在只留下当初的底层，叫作辛那壤砾岩，而其余的部分经过几百万年的日晒雨淋和侵蚀后，已经瓦解了。

德榭伊峡谷的岩石以时间为主题，诉说非凡的故事，但要破解其中的信息却不简单。一直到近几百年来，我们才发觉地球的历史有多么悠久，又过了一段时间，才发觉整个宇宙居然比这些砂岩层更加古老。在远古时代，宇宙浩瀚的历史无人知悉。

我们在第四章看过，很多古代的文化把时间想象成一系列无止境的循环。在当时的社会中，质疑时间开始的方式或时间，感觉根本没有意义。作家戈斯特写了一本很有趣的书《测量永恒》，书中说：“两千年以前，要说世界有起点，这个想法根本不可思议。”但犹太人率先设想出世界的创造过程（很有可能受到巴比伦人的启发），然后基督徒也采用这个构想，寻找起源的念头突然就合乎逻辑了。数百年来，大家都相信答案就在经文中，而不在大自然里，但是已经有人踏上寻找的旅程。伟大的思想家如奥古斯丁之流，钻研圣经的《创世记》一书，把亚当男性后裔的年龄加起来（计算“生”出现几次，比方说，雅各布“生”犹大），算出创世的时间。奥古斯丁最后算到公元前5500年，中世纪的英国修道士圣毕德尊者的结果稍晚，到公元前5199年。在这一千年内，不断有人继续投入，一直延续到现代。开普勒、牛顿和马丁·路德推测的日期相去不远，介于公元前4000年到公元前3993年。（在犹太传统中，创世年是公元前3760年，不过犹太历把前一年当作历法起点，也就是公元前3761年。）

主教和圣经

世界几岁了？最有影响力的说法来自爱尔兰主教阿瑟（1580—1655年）。阿瑟在都柏林出生，虽然爱尔兰人大多是天主教徒，他却从小接受新教徒的教养。他爱书若狂，看得到的书都拿来读。他也游览过英国和爱尔兰境内的各大图书馆，最后积聚了上万册书籍，私人藏书的数量在欧洲可说是数一数二。为了整合书中时有出入（而且通常互相冲突）的历史，阿瑟除了阅读圣经，也读了好几百篇古文。最后他把巴比伦国王尼布甲尼撒二世的死亡日期，定在公元前562年，现在的历史学家仍未提出反对意见。然后他读了希伯来圣经（旧约），把先知的年纪和历代国王的统治时期加起来，最后算到尼布甲尼撒，总和约3442年。再把两个数字加起来，就算出创世发生在公元前4004年。阿瑟还想继续算出确切的时间和日期，根据他的推理，伊甸园的苹果熟了，才会掉下来，所以那时很有可能是秋分时节。由于《创世记》的故事暗示傍晚是一天的开始（“有晚上，有早晨，这是头一日”），所以他相信世界在晚上被创造出来。最后他推论出，世界于公元前4004年10月22日星期六晚上6点钟诞生。后来的评论家几乎都省略了过多的细节，第一个完整的日子是公元前4004年10月23日，后来称为“阿瑟日”。

现代人不懂阿瑟怎么能这么自信满满，他推算出来的日期跟真正的日期差了十万八千里，却无论如何都有一种神准到令人不敢相信的感觉。不过在阿瑟的时代，很多学者都使用同样的计算方式得到类似的结果。大多数的研究结果现在早已被人遗忘，但是这位来自爱尔兰的神职人员却因此成为家喻户晓的人物，不然就没有人认识他了。阿瑟完成分析后，伦敦的出版商在印制圣经时也把他的年表印在页缘。1701年，英国国教教会决定在圣经的新译本中印上阿瑟的年表（过了几百年，很多读者都以为年表原本就在圣经里）。一直到了20世纪初，圣经印制时仍加上了阿瑟的年表。

爱尔兰主教阿瑟。研究圣经年表的结果让他相信世界于公元前4004年10月22日星期六诞生

然而，到了18世纪，有些学者开始怀疑地球并不如阿瑟宣称的这么年轻。少数大胆的作家公开表示《创世记》中描述的世界诞生的过程并不正确，顶多只能当作比喻，不能从字面上解读。

在更大胆的思想家中，有一位来自法国的布封（1707—1788年）。他有一套充满雄心壮志的著作《自然史》，共有四十四册，目标在于涵盖全部的自然科学。他在书中主张地球诞生是因为彗星撞到太阳，这让信仰虔诚的思想家听了非常愤怒。戈斯特写道：“他一下子就贬低了世界的诞生，把至高造物主辉煌的节奏降级成一场大灾难。”布封也认为所有的物种之间都有或多或少的关联，可能都来自同样的祖先，他相信上帝并不在意每一种植物和每一种动物的细节。关于圣经上的说明，布封说《创世记》的语言需要谨慎地诠释。他呼应伽利略的说法，认为圣经的目标读者是一般人，不是科学家。不需要假设《创世记》头几章提到的每一“天”跟现在有二十四小时的一天一样长。的确，到了上帝创造太阳，第三个所谓的“天”过后，一天过后又一“天”的想法才得到确立。

布封反向操作，利用科学方法计算地球的年龄。他相信我们的星球原本是一球熔岩，然后慢慢冷却到目前的温度。他用不同材质的球做实验，加热后观察它们要花多久的时间才能冷却。实验了六年后，他的结论是地球已经七万四千八百三十二岁了 [1] 。后来他又改动了估计的数值，觉得地球应该更古老，不过他没有公布这些结果。或许他算出的数字大到连他自己都吓到了，害怕公之于世后会遭到攻击。他想：“随着时间过去，人类心智似乎也迷失了方向，为什么？是否因为我们习惯了短短的生存期限，觉得一百年就是很长的时间，无法了解一千年有多长，更无法想象一万年甚至十万年？”

牛顿研究过物体冷却的物理现象，这也是布封采用的根据，而牛顿事实上也用同样的技术估算地球的年龄。他算出的数字跟布封的不相上下，大约为五万年。但牛顿不一样，他不能接受这个数字，这个结果与他的宗教信仰发生了剧烈的冲突。

石头里的秘密

即使在古代，也有心思不受拘束的人，想象地球不断演化，随着时间过去，地貌也持续改变。举例来说，希罗多德猜想地质作用要花好几千年的时间。约于公元前1000年，波斯哲学家和科学家阿维森纳想象中的古老地球听起来却相当符合现代的说法：他说山脉“是地壳隆起的结果，有可能因为剧烈的地震而出现，或是水造成的，流水切穿新的路线，剥蚀山谷，地层有好几种，有的软有的硬。风吹水流会让一块地层瓦解，却让另一块保持完整无缺”。他的结论是：“要花很久的时间，这些变化才能一一完成。”在布封解出地球年龄前的一个世纪，英国博物学家约翰·雷（1627—1705年）正在研究他在英格兰中部地区和韦尔斯北部找到的化石，发现有些化石属于当时已经灭绝的植物和动物。他想，这些物种的繁茂和灭亡，难道不需要几千年的时间吗？果真如此，随之而来的神学问题就令人头痛了：如果上帝创造了完美的世界，为什么某些生物相继死去，被其他的生物取代？

地质学家赫定（1726—1797年）以约翰·雷的研究为出发点，在英国各地到处旅行，归纳出的地球年龄也差不多。他相信来自地心的热力偶尔会把熔岩推出地壳，花岗岩之类的岩石也一度呈熔解状态。根据他的推理，这种作用需要非常长的时间才能完成。赫定做出结论说：“所以，调查的结果是我们根本找不到源头，也无法预知会在何时结束。”

某些人无法理解这个新的时标。基本上，这么长的时间和经文中提到的比起来，很难找到交集。但至少有一位著名的哲学家愿意接纳最新的结论。康德（1724—1804年）认为创世的过程“并非一蹴可就”，而是持续了很长一段时间。康德的文字似乎为现代宇宙论学家提供了预兆，他说：“过了好几百万个世纪，还有好几百万个世纪，其间会形成新的世界和世界的系统，一个接着一个……要有像永恒那么长的时间，无限的空间和无穷的世界才能享有活力，不断延续下去，多得数不清，也没有尽头。”作家图尔敏和菲尔德在《发现时间》中说道：“到了1750年，延续数千年的未来已经进入人类能够思考的范围内，但在康德前，没有人能像他这样认真地公开讨论‘长达数百万个年份和世纪’的过去。”

过了一个世纪，地质学家莱尔（1797—1875年）得出结论，他认为在古代让地球成形的作用到了现在仍持续发挥力量。过了几千年，就会逐渐看到变化，像诺亚大洪水这种激烈的变动其实没有必要。根据化石提供的证据，他推论出连气候都随着时代变化：他相信欧洲的气候曾经非常温和，属于热带气候。莱尔的著作《地质学原理》分成三册，出版时间介于1830年到1833年。他在书中推论，地球可能不止几千岁，应该已经好几百万年了，这个主张令人大吃一惊。也难怪他的同事会把第一册送给年轻的博物学家达尔文，鼓励他享受莱尔活泼的文笔，但不要认真采纳他的结论。尽管如此，当“小猎犬号”漫长的旅程起航时，这本书一定给达尔文带来了不少刺激。

约在同时，和莱尔同一个时代的斯科罗普（1797—1876年）正在法国各地游览，查看死火山的状态。他认为这些火山借由持续的地质作用缓缓形成。他的结论收录在著作《法国中部地质学纪要》（1827年出版）中，或许是地质学家发出的言论中最有名的：“对学习自然的人来说，大自然的成果似乎随时随地发出回声：‘时间！时间！时间！’”

莱尔（左）率先指出地质作用延续了数百万年。《地质学原理》的第一册
达尔文（右）搭上“小猎犬号”时带了莱尔著作

达尔文的“深远时间”

达尔文（1809—1882年）刚从大学毕业时想受训成为神职人员，而老师则建议他到海军舰船“小猎犬号”上担任博物学家。“小猎犬号”出航的目的是要到南美洲海岸进行水文测量调查，南大西洋和太平洋东部的岛屿也是目标。“小猎犬号”于1831年启程，原本预定两年后就回航，结果整个旅程花了五年的时间。在漫长的旅途中，达尔文亲眼看到了地质作用的证据，上船后过了几个月，他就转而相信莱尔推论出的古老地球。达尔文仔细观察了环状珊瑚礁，认为成因是现在已经消失的火山。到了维德角共和国，他看到向上伸展的悬崖，显然是由连续的火山活动造成。到了智利，他亲身体验了一场地震。达尔文推论，安第斯山脉本身就由地壳不断隆起而形成。莱尔的精神似乎跟着达尔文，一起登上了“小猎犬号”。达尔文后来在文章中写道，这位地质学家的著作“改变了人心里的整个定调”，“看到莱尔从没看过的东西，却好像是透过他的眼睛看见的”。

还有一路上看到的动物。达尔文一开始不怎么了解他看到的众多物种。在加拉巴哥群岛就有几十种不一样的雀鸟，彼此之间可能体形略有差异和鸟喙形状稍有变化。同时，他也看到一度非常繁茂的物种，灭绝后现在只留下化石，被新的物种取代。这里他就不同意莱尔的看法，后者认为物种一旦出现在世界上，就再也不会改变。

1836年达尔文回到英国后，演化的想法才开始成形。在伦敦住了一阵子后，搬到伦敦东南边郊区的大屋里。他娶了表姊埃玛（以制作瓷器出名），两人生了十个小孩，有七名长大成人。在接下来的二十年内，达尔文努力钻研自己的笔记、研究样本、思索他在旅程中看到的事物。（同时也要对抗重病，他一直呕吐、打战、心悸，还有头痛。他的病症一直没有正式的诊断结果。不论到底是什么，他常常病到无法工作，情况比较好的时候，一天能工作几小时就不错了。）

达尔文并非第一个想到演化的人，事实上他的祖父伊拉斯谟斯·达尔文就曾说过，所有的温血动物都来自同一个祖先。但随着时间流逝，物种如何变化，却没有人能够解答。达尔文的重大突破并非演化的想法，而是背后的机制：物竞天择。（简单地说，最能够适应特殊环境的有机体比较有可能存活和繁衍，把赋予“优势”的特质传给下一代。）物竞天择的机制就是大自然用来创造动植物新品种的工具。演化需要时间，由于莱尔的地质学，达尔文也相信，现有的物种早已太多了。达尔文并没有发现“深远的时间”，但以地质学家的研究为基础，他全力赞同“深远时间”的存在。他写道：“在人类无法了解的范围外，在长远的年份间，必然已经绵延了无限的世代。”

《物种起源》于1859年11月出版，第一版立刻销售一空，接下来的十几年内，又印刷了六版，科学界立刻接纳了达尔文的想法。当然，神学界有些反对的声音：达尔文的理论指出所有的生物都有关系（后来他还说人类跟猿猴基本上是亲戚），因为所有的物种都会逐渐演化，不需要特别的“创造行为” [2] 。要习惯这些想法并不容易，有些保守的宗教思想家一直无法接受达尔文的说法。笼罩整场辩论的则是漫长的演化时间轴。在阿瑟的年表上，地球只有六千岁，感觉不够恰当。地球的历史和生命本身似乎要追溯到好几百万年前才算合理。作家费理斯说：“达尔文提出演化论就设定了时间的炸弹。”

时间概念的革命掀起后，到了19世纪末，几乎所有人都能接受这场革命的冲击，地质学家盖克的文字非常有说服力：“如此不可思议的生物发展体系全都把年份记录在石头中，要多久的时间才能完成！”这是他在1892年提出的观点。“演化法则全都清清楚楚写在地球的景观上和大自然的书页上。”除了生物世界，地球也透露出演化的过程：

今日依然存活的植物和动物就像早已消失的古代地质特色一样有说服力……我们可以从中看出气候在变化，岛屿脱离了广大的陆地，曾经连在一起的海洋现在都分开了，或者一度分开的海洋现在又连在一起……现在和过去因此联合成一个持续发展的庞大系统。

演化永恒的演出也让达尔文惊叹，还有演化所需的长远年代。他在《物种起源》中说：“已经有漫长的时间变成过去，如果你不承认这一点，就立刻放下这本书。”

地质学家和博物学家的结论很快也为物理学家采纳。1895年发现X光，1896年发现放射线，原子内的全新世界也跟着开启，产生了新的工具，能用来调查久远的时间。化学家卢瑟福（1871—1937年）出生于新西兰，他在加拿大蒙特利尔工作时，发现某些元素很不稳定，经过漫长的时间后，释放能量的速率会不断递减（但可以预测）；含有这些元素的矿物过了好几千年，甚至好几百万年，仍能释放能量。卢瑟福立刻想到自己的发现有多重要：地球的内部过了一段时间后，并不会像两百年前布封假设的一样慢慢变冷，相反地，地球液态核心中的放射元素不断衰变，继续帮地球内部加热。放射性“因此增加了地球上生命存续的可能期限”，卢瑟福写道，“才有足够的时间留给地质学家和生物学家所主张的演化过程”。

放射性衰变的概念带来了全新的技术，能有效测定矿物的年份。这些不稳定的粒子衰变的速率不受温度和压力的影响，仅取决于元素的种类。过了不久，地质学家就用新的“放射性定年法”来测量岩石的年龄，这才发现它们已经存在数亿年了。物理学家福尔摩斯在著作《地球的年龄》（1927年出版）中提到：“所有的证据都指向同一个结论……地球的年龄介于十六亿到三十亿年之间。 [3] ”阿瑟推算出的年龄到了此时已经和圣经密不可分，却突然看起来犹如沧海一粟。戈斯特说：“社会大众每天处理的数字不是几十就是几百，已经习惯了，突然从几百万跳到数十亿，真令人目眩神迷。”

真的目眩神迷，还好对科学家来说，计算这些数字跟用手指数数一样简单。我们或许无法在脑海中设想这么大的数字──要在拥挤的运动场中“看见”五万名观众还真够难的，但这并不妨碍我们去运算这些数字。英国天文学家爱丁顿曾于1919年带领日食观测队，并证明了爱因斯坦的广义相对论，他就了解庞大数字带来的矛盾。在一篇广为流传的论文中，他用表格显示地球到太阳、最近的恒星和其他天体的公里数，地球距当时所知最远的星系有三垓（1垓等于1021 ）公里。他写道：“有些人抱怨他们不明白这些数字。他们当然不明白。但碰到大数字时，就别想‘明白’它们。再过几个星期，英国的财政部长就会提出约九亿英镑的年度预算。”（当时的国家预算还不到十亿英镑或美元。）“你或许以为只要准备好，他就能进入恍惚状态，想象眼前摆了一堆同等价值的铜板、钞票或商品。我相信他应该无法‘明白’九亿英镑有多少，但是他可以把这些钱花掉”，爱丁顿说，这么大的数字“并非为了令人张口结舌，而是要拿来运算和使用”。

时间和宇宙

恒星也能告诉我们跟时间有关的故事，这个故事就像地球的古老源头，人类花了好几百年的时间才找出答案。每种文化都有宇宙起源的神话，但是和宇宙论相关的科学研究实际上却是最年轻的学科，现代的宇宙论到了20世纪初才开始。虽然伽利略已经看到那条叫作银河的模糊光带其实是由许多星星组成的，多到数不清，但等到更高倍数的望远镜出现，还有更精密的新技术可以确定恒星的距离时，我们才能了解银河系的结构。现在我们知道银河系的形状就像个巨大的飞盘，直径约为十万光年 [4] ，中间突起，边缘则有向外旋出的臂状分支（地球位于其中一条分支上，因此从我们的观点看来，银河系就是晚上会看到的条状银河）。倍数更高的望远镜出现后，天文学家开始把其他模糊的光点编成目录，这些光点叫作星云，四散在天空各处。有些星云的螺旋形状看起来十分明显，一开始时叫作“涡状星云”，但到了20世纪20年代，科学家就看到这些星云其实跟我们的星系一样。这些“外部”的星系很像我们的银河系，但是非常遥远。（事实上，康德在1750年就提出了这种说法，把星云称为“宇宙孤岛”。）我们的宇宙图片愈来愈大。

美国天文学家哈勃。他研究银河系以外的星系，其取得的成果显示我们住在不断膨胀的宇宙中

但这只是开始。天文学家还要学习如何测量这些星系到地球的距离，观察星系的光谱，就可以计算出它们在太空中移动的速度。很多星系的光谱线都朝着红色那一端移动──也就是红位移，表示它们会离我们的银河系愈来愈远。（这个现象可用“多普勒效应”来比拟：当救护车愈走愈远，警笛的音调也会比静止时更低，就是所谓的“多普勒效应”。）到了1929年，美国天文学家哈勃（1889—1953年）有一项很了不起的发现。他在加州的威尔逊山天文台使用当时世界上最大的望远镜（长约2.5米），有系统地研究遥远的星系，发觉这些星系“在望远镜所及的范围内散落各处”。他发现星系和银河系之间的距离，与星系的移动有相互关系，觉得非常惊讶──星系离我们愈远，移走的速度也愈快。这就是宇宙的扩张。

哈勃提出的全新宇宙图非常激进。在这之前，科学家一直想象宇宙是静止的，别无他想，宇宙一直都在，从以前到现在看起来都大同小异。新的写照动态得多。我们的宇宙会不断成长。

爱因斯坦差点就预测到宇宙的膨胀，很有趣吧。提出广义相对论的等式后过了几年，他把等式套用到宇宙上。但结果让他大吃一惊：根据这些等式，宇宙不可能是静态的，相反，宇宙必须不断扩张或收缩。几名科学家积极地探索相关的情况，俄罗斯宇宙学家亚历山大·弗里德曼就是一个例子，他发现爱因斯坦等式的解答指出宇宙不断膨胀，觉得这个情况非常合理。比利时物理学家勒迈特（他也是天主教神父）更进一步，在哈勃宣布他的发现前，就指出科学家观察到的红位移可能就表示宇宙正在膨胀，并提出一个想法，世界从一个“太古原子”开始 [5] 。

爱因斯坦无法接受这些想法。他跟当时大多数的科学家一样，相信宇宙从不改变。顶多只在等式中加了一个附加因素来“平衡”宇宙，也就是所谓的宇宙常数。不过几年后，哈勃最重大的发现就出炉了，爱因斯坦立刻后悔自己用附加因素来解释宇宙。他把这件事形容为个人事业生涯中“捅的最大的娄子”。

不断膨胀的宇宙

宇宙不断膨胀，其中的含义超乎我们的想象。如果时钟能倒转，宇宙就会变小。如果能回到很久很久以前，宇宙会小得令人不敢相信。不久之前，宇宙爆炸的想法才奠定根基──宇宙一开始时一定是稠密火热到无法置信的火球。不断扩张后，温度逐渐降低。（我们现在非常幸运，附近有一颗温暖的恒星，因为宇宙的平均温度只比绝对零度多出几摄氏度，低于-270℃。）宇宙逐渐变冷，最原始的组织也开始成形，过了几十亿年，形成我们现在看到的宇宙，布满星系和星系团。天文学家称此为大爆炸宇宙论 [6] 。（天文学家霍伊尔1950年上英国广播公司的电台广播时发明了这个名词。讽刺的是，他后来偏好自己提出的“稳定状态”模型而否决大爆炸理论，但“稳定状态”却很不幸地被推翻了。）

哈勃和爱因斯坦的研究结果揭开了新的世界观。现在看来，宇宙果然有开端。（对某些科学家来说，大爆炸理论带有基督教神学的味道，其中一名创始人又是教会任命的神父，更引人怀疑。）现在看来时间本身有一个明确的起点，又突如其来地能用科学判断时间的起点在什么时候。寻找时间开端的旅程原本从足下的岩石开始，现在我们也能仰望天际寻找答案。

比利时神父兼物理学家勒迈特（左），首先提出宇宙大爆炸的理论。爱因斯坦刚开始时还不能接受宇宙不断变化的说法

到了20世纪中，大爆炸的证据愈来愈多。物理学家懂得如何测量组成恒星及星系的大量化学元素，也发现氢、氦和更重的元素量就跟大爆炸理论预期的一样，取得的数值也符合宇宙火球不断膨胀及冷却的概念。到了20世纪60年代中期，科学家也有锦上添花的发现。大爆炸最清楚的“指纹”原来是响应第一次爆炸的共鸣，不是某种回声。1965年，两名科学家使用美国新泽西州的巨型无线电天线时，无意间发现了这种微波辐射的反应。彭齐亚斯和威尔逊侦测到来自天空四面八方的模糊微波信号。他们发现大爆炸的特征，现在命名为“宇宙微波背景辐射”。（很巧的是，大概同一个时间，在离这里一个小时车程的普林斯顿大学，物理学家迪克和同事根据大爆炸的理论模型，预测到宇宙微波背景辐射的存在。听到彭齐亚斯和威尔逊的发现时，他们正准备要找出缘由。）我们可以把宇宙微波背景辐射想象成宇宙年龄还不到五十万岁时释放出来的放射线。到了现在，太空中到处都是这种辐射。彭齐亚斯和威尔逊在1978年因他们的发现而获得诺贝尔奖。

到了近代，科学家用2001年发射的卫星WMAP（威金森微波异向性探测器）仔细探测背景辐射。利用来自WMAP的数据，天文学家就能非常精确地描述宇宙的基本特质。比方说，我们现在知道宇宙“是平的”，也就是说可以用欧几里得的简单几何学来形容：并行线会保持平行，三角形的三个角加起来是180度。我们也知道像恒星和行星等“普通物质”只占宇宙内容的4％（剩余的部分有23％是神秘的“暗物质”，更神秘的“暗能量”则占了73％。我们下一章会继续讨论暗能量）。最后WMAP让科学家得以确定宇宙的年龄：天文学家相信大爆炸在137亿年前发生，可能有上下几亿年的误差。

终极的免费午餐

发现宇宙微波背景辐射是科学上的重大突破，但也带来了新的问题。首先，宇宙大得不得了，光是根据大爆炸理论，就已经远远超过物理学家的预期。此外，辐射则很“平稳”，也就是说天文学家不管把望远镜对着哪个方向，都能测量到同样的微波辐射强度（不论在何处，宇宙微波背景辐射和平均值都只差了百万分之几）。如果宇宙很小，这也不值得惊讶，因为信息可以到处来回流传，消除不均匀的部分。但是宇宙很大，而且年龄只有140亿岁左右。要横越这么长的距离，就没有足够的时间来消除不均匀的地方。

20世纪80年代初期，宇宙学家提出试验性的解答，他们修改了大爆炸的说法，叫作“暴涨”。根据暴涨理论，宇宙在刚开始存在的一瞬间内，膨胀的速度快到无法想象。这段快速（或说“指数性”）成长的期间就有助于解释为什么宇宙这么大又这么平滑。研究暴涨的科学家有好几位，但第一篇重要的论文则由物理学家古思（现任教于美国麻省理工学院）于1981年公布。古思的模型并未说明暴涨作用的驱动因素究竟是什么。物理学家现在把主要因素称为“纯量场”，因为这个因素可以用一个和太空中所有地点有关的数字来形容，跟温度有点像，但我们仍很难形容推动的力量从哪里来。不过暴涨模型似乎真的有用，它成功地描绘出宇宙后续的变化。

就像哥白尼发现地球不是宇宙的中心，暴涨理论也让我们感到渺小：我们用望远镜能看到的宇宙虽然很广，却只是浩瀚宇宙的一小部分。看得见的宇宙（有时称为我们的“气泡”或“视界”）周围还有更广阔的区域，但在宇宙的开端，暴涨作用把这些区域快速推到很远的地方，所以它们发出的光线还没有足够的时间可以旅行到地球。或许我们一辈子都无法探索这些遥远的领域，因为人类没有方法接收到它们发出的信号。

科学家还不习惯从虚无中诞生出实体的想法，就连亚里士多德听了也吓一跳，觉得不符合理性。但暴涨的宇宙似乎证实了从无到有的过程。古思的文章说，如果理论没错，“那么暴涨的机制基本上就是宇宙中所有物质和能量的成因”。物质的起源从此落入科学能够解释的范围内，他说：“我们可以明白，所有的东西都能从虚无中创造出来……在暴涨的宇宙论中，可以说宇宙就是终极的免费午餐。”暴涨理论立刻变成“全新的经过改良的”大爆炸，现在科学家认为暴涨理论就是描述宇宙演化的标准方式。值得注意的是，天文学家到目前为止的观测结果似乎都支持这个理论（比方说，暴涨理论预言宇宙按几何学原理来说“是平的”，WMAP已经证实这个说法）。

前一阵子在美国加州戴维斯举行的暴涨宇宙论会议上，我遇到古思这位态度温和友善的科学家，他很喜欢讨论他的研究，我请他帮忙讲解入门级的暴涨宇宙论。他解释说：“暴涨是大爆炸理论的另一个版本。如果你问‘推动宇宙的起因为何？我们亲眼看到巨大的宇宙仍不断膨胀，这是什么引起的’，答案就是暴涨理论。”古思说，根据暴涨理论，纯量场会对宇宙中所有的物质施加强大的压力。宇宙像气球一样鼓起来，直径加倍再加倍，超过了一百次。暴涨前的宇宙只有质子的几十亿分之一乘以几十亿分之一那么大，暴涨后，就变成弹珠大小（或者跟葡萄柚差不多大），整个过程还不到一秒钟。WMAP持续提供的观测资料和宇宙微波背景辐射的研究成果都支持暴涨理论，所以古思说到了现在他依然跟1981年一样，对这套理论充满信心。“我认为观测结果一定能证实暴涨理论，不然也离解释宇宙如何变成现在的样子相去不远”。

故事还没完，宇宙学家设想出其他质疑暴涨模型的情况，我们等一下就会讨论到。望远镜愈造愈大，愈来愈精密的理论更深入地探索我们眼前的宇宙，人类对宇宙起源的描绘当然会跟着演化。在我们之前，就已经有人相信他们找到了宇宙的开端，甚至还定下了宇宙的年龄。正如戈斯特提醒我们的，阿瑟不是第一个提出错误答案的人，“很多伟大的科学家目光也一样狭隘，被自己的信念或当时最盛行的想法困住”。牛顿无法承认地球有多么古老，爱因斯坦过了好多年才愿意接受宇宙膨胀的想法。就连天才也有迷惘的时候。

中世纪的人所想象的宇宙年龄相当短暂，正好配合当时的观念，宇宙是为了我们而创造的，直到近代，人类还保有这种想法。在地质研究得到成果后，宇宙论显露出更长的时间线，令人类更感谦逊，人类在宇宙中的地位似乎并没有那么重要。费理斯说：“笼罩在周围的宇宙这么大，如果还认为一切都是为了人类而创造，真的很愚蠢。”我们所在的地点也没什么特别：我们住在很普通的岩石行星上，绕着不起眼的黄色恒星运转，这颗黄色恒星躺在非常普通的星系旋臂外侧，我们称这个星系为银河系。但从这个基地我们学到了如何观察更广大的宇宙，有史以来我们第一次利用地面上和太空中的望远镜收集真实的数据，宇宙的结构和历史无比清晰地展现在我们眼前。从那个角度来看，现代宇宙论不像某些后现代学者口中说的，只是“另一个创世的故事”。当然还有很多细节我们不明白，但在概略的草图上，我们可以相信宇宙不断演化的大爆炸模型。我们认识的宇宙和我们认识的时间始于137亿年前。

注解：

[1] 　跟阿瑟的日期一样，布封的估计数字似乎太精确了。他好像不担心自己的“误差幅度”。

[2] 　达尔文后来又写了《人类源流》，于1871年出版，直接探索人类的起源。

[3] 　最新的数字是四十五亿年，根据目前找到的最古老的岩石、陨石和月球上的样本来推算。

[4] 　一光年就是光线一年内前进的距离，大约为9.5兆公里。

[5] 　虽然发现宇宙不断膨胀的荣耀多半归功于哈勃，但天文学家斯里佛和米尔顿·赫马森等几位科学家的贡献也非常重要。当时无人重视勒迈特的研究成果，因为他把结果刊在寂寂无闻的比利时期刊上。现在很多人都认为勒迈特是“大爆炸之父”。

[6] 　虽然我用“爆炸”来描述，但这个词可能会造成误解。物理学家认为大爆炸是太空本身的扩张，而不是将物质扩张到已经存在的空间中。因此，大爆炸并没有发生的“地点”，宇宙也不需要有边缘。但宇宙仍可能有限度，就像不断膨胀的气球表面面积也不可能无限大。

第十章
宇宙大爆炸之前的故事

宇宙起源的大爆炸模型一定能列入20世纪科学界最伟大的成就榜单。通过这个模型，我们离宇宙开端就差了那么一点点。但有趣的不是大爆炸之后短短不到一秒的时间发生了什么事，而是我们能不能让时钟倒转，一路回到“零时”，最后跨出很大的一步：“在那之前，是什么样子的呢？”

我们心目中的真实世界，尤其是和时间本质有关的看法，马上就要出现惊天动地的大改变，或许甚至连今日的相对论和量子力学所提出的看法也望尘莫及。

——彭罗斯《皇帝新脑》

宇宙起源的大爆炸模型一定能列入20世纪科学界最伟大的成就榜单。以宇宙暴涨理论这样的最新风貌出现时，我们就能明白大爆炸后几十亿乘几兆再乘几兆之一秒后开始的那段时间（更简洁地用科学记号表示，就是宇宙诞生后10-33 秒）。通过这个模型，我们离宇宙开端就只差了那么一点点。但我们仍觉得十分受挫，因为能了解的太少。毕竟，目前人类提出的最有趣的问题并非大爆炸后短短不到一秒的时间内发生了什么事情，而是我们能不能让时钟倒转，一路回到“零时”。

最后要跨出很大一步──时间如何开始？在大爆炸前要有东西，到底是什么？这个问题真的有意义吗？物理学家和宇宙学家对这个问题已经见怪不怪。宇宙论的会议公开举办过无数次，到了会议结束时，听众里一定会有人走到麦克风前，感谢演讲者分享深刻的见解，然后问：“在那之前，是什么样子呢？”多年来，大家都认为这个问题超越了科学的界限。一般说来，物理学家和宇宙学家可以探索大爆炸之后的局势，但要调查宇宙真正的起源时就束手无策了，最好用哲学或宗教来解答。同时，许多物理学家也指出，大爆炸就是时间的起点，所以在那之前就没有“时间”这种东西。要问大爆炸之前发生了什么事，其实没有意义，就像你不能有意义地解释北极的北边有什么。

我们想要探索最初的时刻，却在几个地方受挫。首先，我们的理论工具不恰当。重力负责掌管宇宙的膨胀，还好爱因斯坦提出了广义相对论，所以我们也还算了解重力，但重力本身却不足以用来探索宇宙最初的时刻。广义相对论的等式告诉我们大爆炸发生时，宇宙中所有的东西都无止境地挤压在一起，也就是说宇宙被压成一个点。用数学物理学的行话来说，这种点叫作“奇点”。在物理学家心中，奇点有如瘟疫，避之唯恐不及。物理学家推论，描述真实世界的理论不应该有这种数学上的怪问题，因此预测奇点存在的模型会遭人质疑。最后，除了广义相对论，我们也需要微小物质的理论，亦即量子理论。科学家追寻已久的量子重力理论或许能结合这两种世界观，这时就没有所谓的无穷无尽，我们也能更有条理地描绘出时间的起点。

霍金和美国物理学家哈特尔提出一个建议，采用微观的角度，在大爆炸发生的时候，利用量子理论让时间和空间同时变模糊。这个说法叫作“宇宙无边界”，把时间的起源变模糊，消除奇点的问题。（霍金的提案概要写在《时间简史》的第八章，如果你能看这本书到第八章，就会看到相关说明。）在这个模型中，虽然时间不会无限地延伸到过去，却也没有鲜明的起点。时间不会突然“开启”，而是慢慢地从空间中出现。

现在，“宇宙无边界”的提议仍只是提议，到目前为止，充分成熟（或至少大家都同意）的量子重力理论并不存在。在众多针对此架构提出的理论中，最有可能胜出的就是弦论，科学家充满雄心壮志，想把重力和自然界其他的力量联合起来 [1] 。在弦论中，物质最基本的“小块”不是粒子，而是一小圈一小圈弦线。由于弦线的大小有限，就能避免无限压缩（也就是那些讨厌的奇点）的问题。弦论的确也能从量子理论的角度来描述重力，而且实际上带给物理学家更丰硕的收获──指出我们居住的世界有三个以上的维度（更精确的说法是，有三个空间维度和一个时间维度）。事实上，弦论说我们所在的世界可能有十个或十一个维度。

刚开始听到这么多的维度，或许会觉得很奇怪，但支持弦论的学者却相当重视这一点。最近弦论也出现了副产品M理论（M是英文字“膜”的第一个字母），说明维度在宇宙中扮演的角色。根据M理论，除了单一维度的弦线，宇宙的成分还有两个或更多维度的膜。

膜上的宇宙

本书不会详细探讨M理论，不过还是要提一下，在过去几年内，物理学家开始按照M理论提供的卓越架构阐述宇宙模型。在某些方案中，我们的宇宙，或者说是透过最大型望远镜看到的所有东西，也许只是某种更高维度结构的三维“切片”。用M理论的术语来说，我们可能住在“膜”上。（可以拿你的影子来打比方：晴天时看看地面，你的身体虽然是三维，但你的影子只是二维的切片。）

这些膜世界模型描述宇宙的新方法令人十分惊异。在某些情况下，我们能看到的宇宙，只是嵌在大结构（称为“大宇宙”）中的三维膜（叫作“三膜”）。这个大结构至少要有四个空间维度，而且照例还有一个时间维度。膜宇宙模型值得注意的地方是，没有理由假设我们的宇宙是独一无二的：在四维的大宇宙里，除了我们以外，可能还有很多“平行”宇宙，又称平行膜。就连一度抱持怀疑态度的霍金现在似乎也支持膜宇宙的说法。到戴维斯参加会议时，他说：“我必须承认我本来不相信还有其他的维度，但M理论织成了一张漂亮的网络，看到这么多出乎意料的一致情况，我觉得继续不管它，就像主张上帝把化石放在岩石里，好诱骗达尔文相信演化论。”

在倡导膜宇宙的科学家中，有一位是在普林斯顿任教的斯坦哈特。他也是暴涨理论的先驱，但过去几年来，他专心探索膜宇宙的模型。他和图罗克（目前任职于圆周研究所）及其他几位同事合作，开发出一套特别的模型，提供全新的大爆炸说法。这个想法其实有两个版本，也就是“火劫”和“循环”模型。两者都把大爆炸描述成两层膜之间的碰撞。最大的差异则是在循环模型中，两层膜之间会一再发生这种碰撞。结果就是好几次大爆炸，有可能形成无穷的宇宙。

在戴维斯参加一整天的会议后，我到斯坦哈特下榻的饭店找他，他很努力地帮我描绘这些新的宇宙模型。他说：“你应该想象在这两个三维的世界中有一股力量想把它们拉在一起，就像两张塑料片被弹簧愈拉愈近。每隔一段固定的时间，塑料片就会合而为一撞在一起，产生热能（我们认为有可能是辐射和物质），然后再弹开。”换句话说，如果我们住在膜上，我们会记得之前出现过的能量暴增，事实上这就是我们察觉到的。斯坦哈特解释，在循环模型中，“弹开”是结束，也是开始，一个“宇宙”的结束，同时也是另一个宇宙的开始，进入新的膨胀和冷却阶段。“现在我们又开始全新的循环。宇宙充满了热物质和辐射，形成新的恒星、星系和行星，可能也有新的生命，一个接着一个”。

我很希望这些膜能留在我的脑海里，但我也提醒自己，斯坦哈特的提议比较像是根据知识和经验的推测，而不完全是能够接受实验的理论，起码现状是这样。但如果循环模型正确无误，就是一套深奥的空间和时间理论。这项理论“提出基本的问题，即时间是否在大爆炸的那一刻开始”，斯坦哈特说，“或者在之前还有一个演化期，大爆炸实际上是一段过渡时期”。

除了斯坦哈特的膜宇宙，还有其他人想探索大爆炸之前的情况。古思的暴涨理论也继续延伸，有一个很有趣的版本描绘出了更广阔的宇宙。根据这个版本，暴涨作用产生出不止一个宇宙，有些人把这个模型叫作“永恒暴涨”。这一派最知名的人物是生于俄罗斯、目前在斯坦福大学任教的林德。林德相信暴涨时期的起因，有可能导致多个独立的宇宙形成，而且数目有可能无限多。他认为，宇宙整体而言应该没有死期。古思似乎也同意这种“更大的”新暴涨理论。他承认：“把大爆炸当成时间的起点，很明显地把问题过度单纯化了。”

在开始之前

关于宇宙起源的不同说法彼此竞争，虽然纯属理论，但至少提出的人愿意探索大爆炸前的原始宇宙，这就很值得我们钦佩。这些理论除了挑战目前的科学，也挑战人类的想象力。事实上，所有和宇宙起源相关的理论一定会带来这种挑战。我们苦苦挣扎，却还是无法想象在无限久远之前的时间，而要设想时间的开端，却也一样困难。

其中一个原因是人类直觉会把因果连在一起，任何“事件”都是之前发生过的事件引起的。但量子力学告诉我们有些事件就这么“发生”了，例如放射性核子的衰变。或许很笼统地说，宇宙（再加上空间和时间）就从虚无中诞生出来。物理学家泰伦说：“很多事物会不时出现，我们的宇宙就是其中一样东西。”如果这种说法没错，奥古斯丁宣称上帝同时创造了时间和世界，在那之前时间并不存在，其实也不无道理。

思索时间的起源时，受限于直觉，我们也只能想到这么多。我们习惯了用米和公里来描述空间，用几秒、几天和几年来描述时间。在这些人类创造出来的刻度上，似乎可用“中规中矩”来形容时间。“之前”和“之后”的意思也非常清楚，时间就跟空间一样平滑均匀、始终如一。因此，我们支持牛顿的说法，相信时间“均匀流动”的主张。但是我们前面提过，爱因斯坦告诉我们在某些情况下，时间的表现会更加奇怪。再加上量子力学虚幻难懂的世界，我们只能隐约捉摸到物理学的方向。

物理学家希望有一天能用单一的理论囊括相对论和量子理论，当这一天来临时，时间或许并不包含在内。物理学家兰德尔在文中指出，我们找到了“令人心痒难搔的线索，空间每隔一段很短的距离就会崩解，时间则在奇点上崩解”，这些明显的崩溃“告诉我们，基本上，时间和空间并非我们想象的那么一回事”。的确，很多物理学家已经养成习惯，指称时间和空间始于大爆炸那一刻，只是无人能清楚描述到底从哪里开始。

从虚无中创造时间

当代几位年轻优秀的研究人员全心相信“突现时间”的想法。支持者包括36岁的阿卡尼哈米德，他最近辞去哈佛大学的终身职务，加入新泽西州普林斯顿大学的高等研究院。阿卡尼哈米德承认：“我们不知道大爆炸时发生了什么事，但我们能确定空间和时间崩溃的想法，所以‘之前’发生了什么，其实没有意义。”他说，我们“一定错过了重点”，某个东西“一定会涉及突现时间的想法”。

换个说法，时间或许不属于宇宙的基础。水给人湿湿的感觉，因为数十亿个水分子滑过彼此造成这种整体性质，同理可证，时间本身也有可能来自更基本的“东西”，只是我们不知道是什么东西。

时间出现的确切方式还有待商榷。如果我们从广义相对论开始，然后尝试加入量子理论，或者从量子理论开始，然后尝试加入广义相对论，处理时间的方法似乎就有了变化。（弦论采取第二种做法，物理学家必须人工“插入”时间和空间。在最理想的情况下，他们希望能有“背景独立”的理论版本，或许就能根据理论中心的振动弦线或薄膜来解释空间和时间的出现。）

在加州大学圣芭芭拉分校工作的粒子物理学家和弦论专家格罗斯相信，我们就是要接纳突现时间的想法。格罗斯在2004年因研究夸克和强核力，和其他两位学者共同获得诺贝尔奖，他相信能找到“单一理论”，那样我们就能明白时间并非基础。最近格罗斯告诉我：“时间其实深深扎根在我们思考物理学的方法内，空间也一样。但我们从很多案例中学到，空间是某种突现的概念。弦论的一些领域最好用完全不牵涉空间的概念来阐述。我们没有跟时间相关的例子，但由于我们一向认为时空要联结在一起，如果空间是突现的概念，时间却不是，这就超乎我们的想象了。”这和其他理论一样也会改变我们对宇宙起源的看法。格罗斯说：“时间从一开始到现在的‘流动’只是一个猜测。要描述宇宙在几秒后的演化，这个猜想还不错，但之前的情况就不适用了。”

我催他回答我，告诉我大爆炸之前的情况。他说：“我只能想到三个可能性。第一，通过量子力学，宇宙从虚无中出现。第二，之前本来就有东西。第三，你可以问其他的问题，我最喜欢第三个。”换句话说，“在这些情况下说时间是突现的概念，根本就没有意义。所以我只看到这三个可能性。谁知道答案呢？”

要踏入物理学新领域的理论家，自然会推动各种前卫的想法，例如弦论、膜宇宙等等。在缺乏实验基础的情况下，苦思冥想也有一定的限度。宇宙论的实验当然无法重来，这一点很令人受挫：大爆炸就发生过那么一次（至少我们确定有过一次），我们也只能将就了。科学家无法重造大爆炸，只好希望退而求其次：在瑞士日内瓦附近有一座巨大的新粒子加速器，科学家想重现宇宙刚诞生时的强烈温度和能量。这项耗资高达一百亿美元的计划叫作“大型强子对撞机”，简称LHC，在本书付印时已经接近完成。（编者按：本书英文版于2008年10月出版，当时LHC虽已竣工，却因故障维修长达一年，后于2009年11月首次运转成功。）

LHC身负重任。用对撞机进行的实验显示出我们现在看到的力量如何在远古时代联合成一体。从实验中我们可以看到像“超对称”这样怪异的物质特性，也能更了解组成宇宙的主要成分，也就是暗物质。我们还可以略窥除了我们熟悉的三个空间维度外的其他维度，如果能找到证据，弦论就不会那么像凭空想象出来的东西。还有“希格斯玻色子”──据说这就是组成质量的粒子（科学家认为希格斯玻色子会产生类似电磁场的场域，导致其他的粒子看起来很重）。很多物理学家都相信LHC可以捕捉到别号叫作“上帝粒子”的希格斯玻色子。

当然，等机器开始运转，要花好几个月甚至好几年的时间努力处理数据，还有很多种实验要进行。但大多数科学家都很有信心，认为LHC最后能够解答一些非常深奥的物理问题，或许还能说明空间和时间突现的难题。阿卡尼哈米德声称：“到了2010年就能看到成果。”

再访时间之箭

物理学家除了绞尽脑汁要解答时间起点的问题，还有一个同样令人伤脑筋的问题，也就是时间的方向。我们已经看过“时间之箭”跟熵的关系，还有热力学第二定律，但我们也看到第二定律无法完全解释时间难以捉摸的流动。

热力学的时间之箭从秩序指向失序，从低熵指向高熵，从茶杯指向打破的瓷片。但时间之箭还有其他的舞台。事实上，科学家注意到至少六种不同的“时间之箭”（虽然彼此之间也有关联）。从我们刚提过的热力学开始，描述如下：

热力学的时间之箭

热力学的第二定律说封闭系统内的混乱量一定会随着时间流逝而增加。典型的例子包括打破鸡蛋、混合咖啡和鲜奶油，或冰块融化，但当我们观察自然界的复杂作用时，同样的原理也会显现出来。

放射的时间之箭

想象把石头丢到池塘里，冲击力会在池塘表面产生圆形的涟漪，涟漪从撞击的点向外移动，圆形愈变愈大。我们看不到反转的过程，不会看见池塘边缘出现的细微扭曲慢慢移向彼此，力量和速度都不断增加，直到汇集在池塘中间的某一个点，把石头从池塘的表面弹回去。但等式两个方向都适用──我们用来分析波浪的数学等式并未指出偏好的动作方向。

显示这种偏好的不光是水波。麦克斯韦的等式描述电磁波的传播，但跟前面说的一样，我们无法从等式看出波移动的方向。（举例来说，描述来自外层空间的光波聚合在露营者的手电筒上，也一样站得住脚，而不是只适用于相反的方向。）在物理学上，一般在自然情况下随着时间向前的波传播，据说会产生“延迟波”（指比较晚到达的波），而在相反的情况下，则会有“超前波”（如果真有这种波，它们会比较早到达）。超前波符合数学的原理，但实际上似乎不存在。就跟热力学的时间之箭一样，也要考虑或然率：从池塘边缘出现的涟漪，“恰好”聚集在一起的概率微乎其微。的确，这样的水波会导致系统的熵降低（超前的电磁波也会）。由于这种关系，有些物理学家相信放射的时间之箭可以用热力学的时间之箭来解释。

量子的时间之箭

我们在第七章已经看过，量子力学也能提供另一种时间之箭，观察量子系统时，系统的波函数据说会从很多状态的重叠“坍塌”成单一的状态。坍塌后看来无法逆转，表示和时间的方向有关。我们不清楚这种时间之箭跟其他的有什么关系，但有些人推测量子箭和热力学箭有关。

K介子的时间之箭

目前已知在原子内发生的作用原则上都可以逆转，用数学等式描述其中的粒子行为时，粒子似乎两个方向都“行得通”，没有偏好的时间方向。但叫作“K介子”的粒子却有特别的例外状况（这种粒子一般不带电，但也有带正电和带负电的）。中性K介子很不稳定，衰变的速度很快，通常会变成种类相似的次原子粒子，叫作“π介子”。

衰变的过程由“弱”核力掌管，两个方向都可以，也就是说，物理学家可以把很多π介子打碎，制造出K介子。但有些地方不一样：用来产生K介子的反应只要一秒的几万亿分之一再几万亿分之一（10-24 秒），但衰变花的时间比较长，需要十亿分之一秒（10-9 秒）。为什么K介子的衰变会比创造多花几千万亿倍的时间？（戴维斯指出，“这很像把球丢到空中，然后发现要等好几百万年球才会掉下来”。）K介子“按照自己的规则来”的特殊倾向实在令人费疑猜，K介子箭（有时候也叫作“弱反应箭”）和其他时间之箭也没有明显的关联。（尽管如此，科学家仍在争论K介子箭有什么意义。格林就说过，K介子的行为和时间之箭“可能关系不大”。）

宇宙论的时间之箭

自大爆炸在140亿年前发生以来，宇宙就不断膨胀。很多物理学家认为这定义了“宇宙论的时间之箭”，一头指着火热稠密的过去，一头指着凉爽稀疏的未来。

我们已经提过，有些物理学家怀疑宇宙论箭和热力学箭有某种联结，因为两者似乎都是早期宇宙中最常见的特殊现象所造成的结果，等一下就会更详细地讨论这一点。

心理学的时间之箭

最后，心理学的时间之箭来自我们直接的体验，以我们对世界的感觉为基础：我们记得过去，但不记得未来，我们会体验（或似乎能体验到）时间独特的“流动”方向。脑部是处理信息的系统，也就是组成脑部的数十亿个神经元之间的相互关系，所以心理学的箭和热力学的箭之间可能也有关联（霍金就支持这个看法）。

物理学家（以及哲学家和心理学家）花了很多年的时间努力解决问题，想明白这些看似没有关系的时间之箭究竟有何关联。或许没人像牛津大学的数学物理学家彭罗斯这样深刻思考过这些关联。彭罗斯最近上了《发现》杂志，被形容成“出类拔萃的博学大师”，而他最早则以黑洞研究扬名立万。在20世纪60年代和霍金合作时，他告诉大家巨大恒星崩溃时一定会导致奇点出现，奇点周围一定环绕着“事件视界”，就是黑洞周围的区域，东西掉进去后出不来。他也发展出全新的“扭子理论”来描述时空，指出空间和时间已经“量子化”，而不是连续的，也就是说，空间和时间都由不连续的区块组成；这些区块可以用想象的数字来描述（例如-1的平方根） [2] 。彭罗斯对纯数学也有贡献：20世纪70年代，他证明了在平面上贴瓷砖时，就算你的瓷砖只有两种不同的形状，你创造出来的图案也绝对不会重复，之前大家都觉得不可能。现在这种方法叫作“彭罗斯铺砖” [3] 。

卓越的科学家

我还记得我在1990年春天第一次看到彭罗斯本人的情景。那时我还在念新闻学院，彭罗斯到多伦多大学发表演说。他用高架投影机的样子还鲜明地留在我的脑海里，那时大家已经觉得用投影片有点“老派”。他用很粗的彩色马克笔亲手画图写字。投影片上有时空的图表、不知是死是活的卡通风格猫咪以及一行一行看了就让人畏惧的等式，每一页都比前一页更具挑战性。他讨论了哥德尔和柏拉图、计算机和算法、人脑和理智。演讲结束后，我到大厅买了他刚出版的书《皇帝新脑》。这本纽约时报说会“折磨脑子”的书，占据了我接下来几乎整个夏天的时间。他的最新作品更沉重，长达1100页，书名是《通向真实的道路：宇宙法则全览》（2004年出版）。

物理学家彭罗斯

这些年来，在好几次场合我都有幸能跟现年七十多岁的彭罗斯教授对话，最近一次是2007年的春天我到牛津拜访的时候。我比预定的时间早到，就到研究所对面三角形的公园散步。在公园一角有座专门供奉圣吉尔斯的教区礼拜堂。整座牛津城散发着悠久的历史气息，圣吉尔斯也一样。墙上的匾牌列出所有教区牧师的名字，可追溯到1226年。公园里还有一小块墓地。有些墓碑经过风吹雨打，上面的刻字早已模糊到无法辨认。在墓地前面三角形的顶点，立了一块战争纪念碑。当地人会坐在纪念碑下面吃午餐、打电话和享受5月的阳光。在墓地和纪念碑中间有一块圆形的青铜制日晷，提醒我是该进去的时间了。

有些杰出的物理学家在校园漫步时，很有可能被误认成律师或会计师（在极少数的情况下，还会被当成摇滚乐手）。但彭罗斯不是这一型。海军蓝毛衣配上斜纹软呢外套，看起来完全就是“拥有终身职业的理论物理学家”。但这位教授在数学研究所的办公室却异常整洁，书本和期刊排得整整齐齐。我注意到他的桌上有两个盒子，装满了他三十年前发明的彭罗斯瓷砖。其中一组很有趣，叫作“彭罗斯小鸡”。你可以把它想象成包含两种形状的拼图，分别是胖鸡和瘦鸡。彭罗斯把设计授权给一家专门制造数学推理游戏的公司，材质是色彩鲜艳的厚塑料片。开始谈论时间的本质后，彭罗斯不时拿起一片拼图把玩，或在桌上随意滑动。

我们从时间之箭开始，彭罗斯向我保证所有的箭皆属真实。时间的流动又是另一个问题，或许只是我们的想法。在《皇帝新脑》中，他说：“我们似乎永远都在向前走，从明确的过去走向不确定的未来……然而我们所认识的物理学却告诉我们另一个故事。”之后在第二本大受欢迎的著作《理智的阴影》（1994年出版）中，他说：“根据相对论，我们只有‘静态的’四维时空，没有‘流动’。时空一开始就存在，而时间和空间都不会‘流动’。”但他说时间之箭──也就是我们所察觉到的流动中蕴含的独特“方向性”──真的出现了。各种不同的箭，来自我们能够观察和测量的物理现象。他说：“时间之箭彼此互相关联，（虽然）它们的关联有可能很复杂。”有些时间之箭，例如和K介子衰变有关的，“仍令人大惑不解”。心理学的时间之箭到目前为止也无人能够解释，虽然《理智的阴影》这本书讨论到意识的问题，但他承认我们还无法掌握这一问题，所以进展不多。“我们记得过去，不记得未来，我想我们对意识的了解还不足以解释这个现象”。

热力学的时间之箭算是收获比较多的领域，当然也是彭罗斯花费更多心思研究的题材。然而我们在第六章看过，热力学时间之箭的起源仍是个谜。热力学的第二定律说，如果我们现在有一个低熵系统，就能预期未来有一个高熵系统，但定律却未说明当下的低熵状态从何而来。最终能够追溯回宇宙的起点吗？或许热力学时间之箭的起源跟大爆炸的本质有关。

非常特别的大爆炸

彭罗斯说：“我们真的得往后退，察看刚开始的情况。热力学第二定律用很简单的话告诉我们，随着时间流逝，事物的随机程度也会提高。”但如果你回头追溯更早的时间，就会出现问题。“定律说，在时间中倒退时，事物的随机程度就会降低”，也就是变得愈来愈有秩序，从高熵变成低熵。但彭罗斯说，人类观察到的结果恰好相反，和这个说法不一致。我们所认识的早期宇宙来自宇宙微波背景辐射（在第九章讨论过）。WMAP卫星的数据和其他宇宙微波背景辐射的观测结果显示一开始的火球事实上“均匀”得令人难以置信。用物理学的行话来说，就是处于“热平衡”的状态，意思是所有地方的微波热度都完全一样。如果我们接受彭罗斯的推论（并非所有物理学家都能接受他的说法），那早期的宇宙一定处于极高熵的状态，正好与我们根据第二定律得到的预期相抵触。

彭罗斯说：“热平衡就是熵升到最高的状态。换句话说，也是我们能看到随机度最高的状态。这明明就很矛盾。”

彭罗斯似乎真的很苦恼，140亿年前发生的事件能让人有多苦恼，他就有多苦恼。他坐在椅子上往后靠，右手肘放在桌子上，不时拿起一片彭罗斯瓷砖翻来翻去。然后又继续往后倒：“我不知道为什么大家都一副漠不关心的样子。”

彭罗斯认为他知道我们从哪里就走偏了──我们忘了考虑重力。他指出，在描绘早期的宇宙时，如果不考虑到重力，就无法了解热力学第二定律的根源。

提到日常生活中的熵，不考虑到重力也没关系。通常我们就能看出来什么已经达到平衡，什么还没达到平衡。（比方说，把牛奶倒入咖啡里完全混合，分子到达最高的随机状态，所以我们可以很有自信地说已经平衡了。）乍看之下，像宇宙微波背景辐射这么完美均匀的实体似乎也可以达成平衡。但因为重力，情况就不一样了。这背后的原因具有相当高的技术性──一旦考虑到重力，像宇宙微波背景辐射一样完全均匀的实体或许事实上根本不平衡，所以也属于低熵状态。

彭罗斯做出结论，早期宇宙的重力场一点也不平衡。他说事实上早期的宇宙“非常非常特别”，“特别”是指当时具备高度秩序的状态。有多特别？这时，彭罗斯突然话锋一转，开始讨论黑洞的熵。听起来好像离题了，其实不然：大爆炸和黑洞在某些方面非常相似，至少从数学上来说的确如此。在某种情况下，物质来自奇点，换一种情况，物质会演化成奇点。（然而，两者并非彼此的镜像。彭罗斯告诫我们：“黑洞中的奇点看起来一点也不像逆转发生的大爆炸。”我打算相信他的说法。）还好，对于黑洞的熵我们的确有一些了解，霍金和物理学家贝肯斯坦在20世纪70年代就告诉大家要怎么做出这样的推论，彭罗斯说我们也可以用同样的方法来研究早期宇宙。

他说：“我们现在可以估计刚开始的状态有多特别。特别到难以置信──特别到了极点。如果你只考虑到我们看得见的这一块宇宙，一开始的状态若要纯粹出自偶然，可能性非常低，只有十的十次方的一百二十三次方分之一。”（这个数字好大，一后面跟了十的一百二十三次方个零，就算把已知宇宙中的每个原子都指派一个零，还是无法写出来。）彭罗斯说：“这个说法特别到荒谬的地步了。所以，这是一个宇宙学家极少处理的困难问题──我觉得很奇怪。”他说，就连解释其他几个和早期宇宙物理学相关问题的宇宙暴涨理论也“没有解释一开始的特殊状态”。

这个难题有解吗？彭罗斯说，到了最后，想要发展出统一的物理学理论，就要考虑全部的因素。的确，统一的理论或许一定要包含某种时间不对称性，结果就和目前已经发展出的物理学定律大相径庭。（彭罗斯说：“这句话我说了几十年了。”他脸上没有表情，也没有一丝厌倦，“别人觉得我说的有道理，甚至还会点点头，然后跟以前一样又回去钻研量子重力，根本没注意听”。）

当然，彭罗斯率先承认他自己的量子重力研究并非特别正统：他觉得目前的量子理论还不完整，所以只想把重力（爱因斯坦的广义相对论）“量子化”也行不通。彭罗斯没有答案，但如果能证明量子理论或类似的说法方向正确，他一定会很高兴。不过他也有怀疑的地方：如果量子力学中“波函数坍缩”的时间不对称性，居然和热力学第二定律固有的时间不对称性有关，他也觉得理所当然，意思是他怀疑量子的时间之箭跟热力学的箭互相关联。“我还有更激进一点点的说法，我相信这和我们察觉到的时间流动有关。”

心智与物质

彭罗斯这几年来产生了一些不怎么正统的想法，但他也很明白主流科学和非主流的分际。如果某个想法主要基于猜测，而不是已经确定的理论，他并不会加以否认。即使浑身干劲，要来处理棘手的人类意识问题，他也知道我们只能空想，找不出实证。“意识扮演什么样的角色？这是我有点脱离正统科学的地方，但是没错，或许真的跟意识有关系。”

他尤其怀疑热力学时间之箭和心理学之箭真的有关联。的确，记忆似乎和时间有很密切的关系。但箭似乎只有一个方向：我们记得过去，但只能想象未来。同时，热力学的第二定律似乎正好相反。如果你看到厨房里有一块冰块，你知道过几分钟就会看到一摊水。但如果有人过了几分钟才进来，就只看到一摊水，他们根本不知道水从哪里来。他们无法“逆推”刚才有冰块放在那里。

彭罗斯说：“一般来说，逆推很可怕；这就是第二定律告诉我们的事情。但人类有记忆，我们一天到晚都在用当下的情况推论过去的事态。”最后，他说对于我们心目中时间流动的概念，热力学仅能提供有限的解释，“并没有人能很清楚地说：‘好，这就是热力学第二定律。’那不算是答案。实际的情况更加微妙……跟察觉力有关，跟意识有关，牵涉的问题远远超出我们能够理解的范围”。

至于时间本身，彭罗斯无法给出定义。他说：“我真的不知道。我真的认为，时间跟我们想象的不一样。并非稳定前进的某种东西──绝对不是普遍的稳定前进。”

有一个说法很生动，物理学家知道时间不是什么，但说不出时间是什么。时间不光只是稳定的流动，不只是混乱状态的增强，不光是膨胀宇宙的反射。跟这么多科学家谈过话后，我觉得众人对于时间能够同意的唯一结论，就是时间跟我们想象中的完全不一样。

就算我们真能确定某种特殊的看法，例如爱丁顿八十多年前发现的“时间之箭”，仍可能再度陷入茫然。热力学似乎说明了时间之箭的某一面，但仅仅是那一面而已。我们现在知道有很多种“时间之箭”，连当代最聪明的人也说不出它们之间的确切关系。或许时间不像尼罗河只有一条河道，而像亚马孙河一样盘根错节，也有可能跟洛杉矶的高速公路立交道一样混乱。有可能我再怎么打比方，都抓不住时间的本质。

注解：

[1] 　关于弦论的详尽讨论，请参考《T恤上的宇宙》第七章。

[2] 　外行人可能会觉得很奇特，但物理学家常用想象的数字，结果证明特别适合用来解决电磁学和量子理论的问题。

[3] 　在物理学中非常实用，可用来描述一种叫作“准晶体”的结晶体。

第十一章
生命、宇宙和万物最终的命运

宗教经书早已出现预言，不同地区不同文明都充满了具有各自时代特色的预言。预测未来算是一种新近出现的休闲运动，网络上随便一找就可以找到很多，有负面的，也有乐观的。文明的崩溃向来是大家喜欢的主题，从圣经到核弹，再到全球气候改变，我们总能找到方法来想象人类的灭亡。

难道汝不见

时光能征服顽石？

亦不见高塔崩塌、

巨岩碎裂，

神殿和偶像同显旧态？

——卢克莱修《论事物之本质》（公元前1世纪）

永恒是一段很长久的时间，尤其是快到尽头的时候。

——伍迪·艾伦

英国牛津有很多知名的特色景观：某位诗人口中的“梦幻尖塔”、有名的方庭、蜜色围墙、雅致的拱门、成群涌入的游客。保存良好的学院建筑外观出色，装饰华丽，也非常古老。古老到旅游手册也提醒我们，“新学院”其实一点也不新，这所学院于1379年成立，而牛津大学那时已经有两百多年的历史。新学院内学生餐厅的木头屋顶有一个很精彩的故事。在19世纪中期，校方发现支撑屋顶的橡木大梁该换了。管理员立刻带着一队木匠去新学院名下的林地，砍下五百年前学院刚成立没几年就为了更换大梁而种下的橡树。

橡木通常过了一百五十年就可以砍伐，不需要等到五百年，故事或许有点夸张，却激发我们去想很少想到的事情，因为故事中为数百年后规划的概念在今日狂乱忙碌的世界中变得非常少见。听了之后深受感动的人不少，率先研究超级计算机的美国发明家兼科学家希利斯也一样。希利斯开始反省人类的短视，想出了几种方法来鼓励大家把眼光放得更远一些。最后他决定造一架机器──他立誓造出一座能运转一万年的时钟。希利斯曾在华特迪士尼幻想工程的研发部门担任主管，他召集了一群志趣相投的思想家，大家都和他一样憧憬“久远的时间”。小组内包括《联机》杂志的创刊编辑凯利和《全球目录》杂志的创办人布兰德，后者曾说过“文明正在加速冲进短到近乎病态的三分钟热度”。他们共同成立了“今日永存基金会”，按规划要制造的时钟就叫作“今日永存钟”。（这个名字来自英国的前卫音乐家伊诺，到纽约一游后他发明了“今日永存”的说法。《纽约客》“活在当下”的看法令他深受震撼，这跟欧洲人习惯的长远看法大相径庭。伊诺写道：“对我而言，这是‘短暂的现在’，也就是说相反的‘今日永存’也有可能。‘当下’绝对不是某个时刻。‘今日永存’就是承认你所在的某个时刻源自过去，也是未来的种子。”）

向永恒的现在张开双臂

希利斯的基金会在美国内华达州的沙漠买了75公顷的场地，长期计划是要在这里造出伟大的时计。在他们的想象中，这座钟就像一座塔，高度约25米，材质要耐久。该项计划仍在规划阶段，但他们已经造了一座30米高、更加平实的原型。工作人员在加州北部的工作室组装完成后，就把这座钟送到英国伦敦科学博物馆的时间展览廊，可说是适得其所。展览廊上层摆放了各个时代的钟表，令人叹为观止，有源自公元前9世纪的埃及影子钟复制品，也有1955年造出的第一座铯原子钟。但今日永存钟的外观完全不一样。

博物馆天文学和现代物理学的馆长波义耳说：“看起来跟大家心目中时钟的样子很不一样。”靠近玻璃展示箱，我们看到这座钟就像某种头重脚轻的独眼金属生物。钟面是一只巨大的黑色“眼睛”，直径约50厘米，上面的信息应有尽有，但是不显示几点几分。（希利斯说：“小时是我们的文化任意制定的产物。”）钟面上有不断旋转的星系，设计用来反映真实天体的移动，展现月亮的阴晴圆缺和太阳的位置，甚至也考虑到春分和秋分每两万六千年一次的岁差循环 [1] 。外侧的钟面用五位数字显示公历年，比方说2007年会用02007来表示。波义耳说：“一看就知道，因为这座钟要运转一万年，所以我们当然要避免‘万禧年’的问题。”

即使在博物馆微弱的光线中，整个装置仍发出微光，部件的材质包括黄铜、不锈钢、钨和一种叫作“蒙耐”的镍铜合金。但从某些方面来说，这座钟很老派：没有电子设备，动力来自落锤，就跟最早于13—14世纪出现在英格兰大教堂的机械钟一样。这座钟每天会“敲”两次，齿轮的动作由一个叫作“扭转钟摆”的装置调节。钟摆有三股分叉，撑住三颗巨大的钨球，在机器底部的平面上来回转动。钟摆上有一个看起来很复杂的装置称为“二进制机械式计算机”（也叫作“串行位加法器”），控制钟面上显示的信息。外形很像点唱机里堆起来的唱片，或者也可以形容为一摞金属煎饼，很适合当机器人的早点。波义耳说在博物馆的所有展品中，这座钟最像19世纪计算机先驱查尔斯·巴贝奇设计出来的装置。的确，今日永存钟被封为“全世界最慢的计算机”。事实上，很难说今日永存钟该属于哪个时代，可以想象是达尔文用星球大战里千年隼号的零件打造出这座钟的。

在内华达的基地里，原始尺寸的今日永存钟可以记录太阳在天空中的移动路径，自动和太阳时间保持一致，过了一千年也不会有误差。这个设计也很复古，就像几百年前的人会人工调整时钟，好跟日晷上的时间一致。但是今日永存钟无法持续靠自己运转：需要“上发条”。之所以刻意加入这个设计，是为了让管理人有积极参与的感觉，不光只是被动地在旁边观察。其中一个目标是要培养管理人的责任心。而且，钟内的零件也需要定期更换。

今日永存钟的原型。这座钟的设计要计时一万年，注意年份用五位数字表示

伦敦的原型已经“变成全新时间观感的象征”，波义耳说：“这座钟背后的概念除了计时外，也鼓励我们改变思考以及衡量时间的方式。”

今日永存钟的原型在1999年底前完工，该年12月31日午夜第一次“敲响”，引领我们走入新的千禧年 [2] 。等千年钟声响过两次，就会开始人类的第三个千禧年。根据今日永存小组成员的构想，全尺寸的大钟会附有图书馆，里面储存了上千种语言的数字数据──为了跟后代的人类沟通。

20世纪70年代，“先锋号”宇宙飞船载着铜碟穿越太阳系外围，成为第一个为了离开太阳系而制造出来的人工产物，从时间的角度来看，今日永存钟的目的也差不多。铜碟上刻了裸体的男人和女人、太阳系的数据以及查克·贝里和其他歌手的音乐，设计要用来跟远方的生命沟通。如果有一天被有智慧的外星人拦截到，他们就可以从铜碟上的数据来认识地球人（先假设他们的音响功能跟我们的一样，都是伴舞的好工具）。今日永存钟的设计则是要让沟通跨越时代，跟宇宙飞船的使命很像。事实上可以说大同小异，因为“先锋号”宇宙飞船移动的速度很慢，等到被发现的时候（成功的希望似乎很渺茫），很有可能已经过了数百万年。要运转一万年的钟让我们不得不问，未来的文明会是什么样子？我们能从相似之处认出几千年后的人类吗？他们思考和行动的方式是否和我们一样？也会看重我们在意的事物吗？

窥探未来，就像睁大了眼睛想看穿浓雾。靠近自己的东西还看得到，至少看得见模糊的轮廓，比较远的景色就消失在雾气中了。时间会让眼前的景象变得模糊。

在有形的范围中，马上要到来的时刻似乎够清楚了──掉落的槌子会砸到地上，暴风雨终将逐渐减弱。但每当我们对复杂的系统（其中必定涵盖了人事）做出具体的预测时，就会发现自己的前瞻力受到严重限制。我们知道未来会有死亡，会收到税单，但说不出谁什么时候会过世（死亡不一定总是坏事），也不知道几年后到底要付多少税金。

虽然小细节不确定，但大方向或许还能掌握。比方说，推估人口数目的专家可以研究出生率，预测到了2070年，世界人口会变成90亿，达到高峰，然后就开始滑落。我们也有把握新增的人口大多出现在发展中国家，世界上会有愈来愈多人住在城市里。（根据联合国的预测，到了2025年，住在城市里的人会超过60％。）

要臆测具体的事件就难多了。如果说2018年会举办世界职业棒球大赛和奥斯卡颁奖典礼，或许还算合理，但2518年呢？假设2040年美国应该会举行联邦选举，但公元3000年或10 000年呢？周刊杂志常用“2020年的人类生活”当作封面故事，模拟十年或更久之后的未来生活。但除了科幻小说的作家，谁会去思索一千年后的文明是什么样子？一百万年后又是什么样？看得愈远，景象愈阴暗不明。如果今日永存钟能流传到一万年后（差不多是从农业革命到现在的时间长度），凝望这座钟的人会是谁？

未来简史

预测未来算是一种新近出现的休闲活动。宗教经书上当然早已出现了预言，虽然旧约圣经的但以理书和新约圣经的启示录等作品其实是针对写作当时的世界提出警语。在16和17世纪时，开始有人想象乌托邦的世界，尤其是摩尔的《乌托邦》和培根的《新亚特兰蒂斯》。16世纪时，法国药剂师诺斯特拉德马斯出版了预言合集，预测形形色色的自然灾害以及战争和军事入侵，所有的预言都意义模糊、没有日期，可以有无限的诠释方法。到了18世纪，另一本搜集了许多长期预测的书也由法国剧作家梅西埃于1770年出版，书名叫作《2440》。书中的男主角是18世纪的法国人，他睡了一觉，七百年后才醒来。他发现25世纪时几乎已经没有战争，奴隶制度也遭到废除。法国仍采用君主政体，人口是原来的一倍半，巴黎也按照科学计划进行重建。苏伊士运河已经建造完成，人类用热气球快速地跨越大陆。

到了19世纪，这种预言更加流行（在19世纪结束前，现代人口中的科幻小说文体就开始盛行）。再举一个来自法国的例子，1900年市面上出现了一系列色彩缤纷的烟画（译注：旧日香烟包内所附赠的小画片）。当时法国全国各地都在举办19世纪末的庆典，制作烟画也是一项庆祝活动，上面画了“公元两千年”的生活。（1986年，阿西莫夫的《未来世界》出版时也重印了这些图画。）异想天开的画片上描绘了各式各样的飞船和轻量的木制飞行机器，这在现代人眼中似乎不堪一击。也有很多作品画了个人飞行装置，但看起来就像粘在人体上的帆布或其他布料，应该是利用拍打翅膀的力量产生上升力。

看来制作烟画的艺术家利用1900年的科技，想要推测未来的世界，却完全抓不住未来一百年内快速的科技发展。飞行技术当然发展得十分兴旺，不过飞机能载上许多乘客（通常数百名），还能飞越漫长的距离，则要归功于喷射引擎和轻量的铝合金。个人飞行装置到目前还没有实现，如果旅行距离不长，大多数人会开车走陆路。烟画艺术家也显然想象到未来的飞船会更大更好，但在1937年的猛烈爆炸摧毁兴登堡飞船前，飞船就已经不流行了。

很多人相信比空气还重的飞行机器绝不可能成功飞上天。1895年，当时英国皇家学会的开尔文爵士说机器“不可能”飞到空中。过了几年，在加拿大出生的天文学家和数学家纽科姆宣称：“用比空气还重的机器飞行不切实际且没有意义，但也非完全不可能。”（原文照录）过了十八个月，莱特兄弟就在美国的基蒂霍克小镇完成了第一次飞行。

到了20世纪，最有名的负面预言似乎跟计算机有关。在20世纪40年代，IBM的董事长指出，全球的计算机市场似乎用一只手的手指就能数得出来。1977年，数字设备公司的董事长奥尔森说：“谁会想要摆一台计算机在家里？没理由。”（就在那一年，个人电子处理器、坦迪公司的TRS-80微型计算机和苹果二号计算机纷纷上市，不论结果是好是坏，从此大家都离不开家里的计算机了。）几年后到了1981年，比尔·盖茨宣称：“六十四万位的内存应该对所有人来说都够了。”

“负面预言”的例子可以毫无止境地继续下去，网络上随便一找就可以找到很多。预测未来，尤其是未来的科技，是一项极不单纯的挑战。当新材质（塑料、铝、钢）出现时，我们通常看不出有多重要。有时候新的科技就算仍以原本就有的技术为基础，还是有可能看起来新奇得不得了（例如因特网）。即使新的发现或发明就快出现了，想象不到的结果还是有可能带来一种涟漪效应。福特在1908年组装好第一款量产车Model T时，谁能预测到未来会有高速公路、交通堵塞、郊区蔓延、购物中心的兴起（和“大街”的衰退）、严重的空气污染或全球暖化？有时候变化来得比我们想象的还快，有时候却慢多了。像空中飞车和机器人帮佣这些产品总让人觉得再过十年也该出来了，可是却一直无法实现。

未来学家的话

如果今日的未来学家能表现得更好，那就有意思了。2008年年初去世的科幻小说作家阿瑟·克拉克，就留下毁誉参半的记录。在1971年的短篇故事中，他说1994年就有载人宇宙飞船首度登陆火星，到了1999年他就比较小心，自己承认说“2010年能实现愿望就不错了”。本书于2008年写成，看来我们不可能在两年内实现目标。（现在大家认为2050年到2080年间比较有可能。）但阿瑟·克拉克也成功预测了不少重大事件：他预言通信卫星可以在跟地球同步的轨道上运作，以及所谓的千禧年错误（还好当计算机时钟转到2000年1月1日时，这个错误并不怎么严重）。

阿瑟·克拉克新近的一些预言相较之下比较平淡，例如说英国的哈利王子会成为第一个飞到外层空间的皇室成员，但有些预言就比较奇特。他期望在这个世纪结束前，人类会发明出新的火箭推进系统（“太空引擎”），人类探险家用这个系统前往附近的星系，在那之前，我们已经派出机器人勘探这些星系。他说，到了那时“历史才真正开始”。阿瑟·克拉克也预言人工智能到了2020年就能媲美人脑，之后“地球上就有两种有智慧的物种”，其中一种演化的速度比另一种快多了。

霍金似乎也同意，在面对不断加速的计算机科技时，必须秉持谨慎的态度。在2001年接受访问时，霍金说人类应该通过基因改造来改变基因的分子，才不会输给电子敌手，不让智能机器占上风。他说：“真的很危险，（计算机）智能会不断发展，然后占领世界。”

发明家兼未来学家库兹韦尔同意人类和计算机一定会“合并”。他预言在2019年以前，价值一千美元的计算机运算能力就跟人脑的能力差不多。到了2029，机器的意识能力也会提高。到了2099年，“人类和计算机之间已经没有明显的界限”。

再来看看美国物理学家和科学推广作家加来道雄的说法，他提供比较乐观的展望。在1997年出版的《财富、生命与智慧，在未来20年及之后的面貌》，他详细地向读者介绍科学和技术将如何在未来的一百年内改变社会。随着物理学、生物医药和计算机科技的进步，他预测我们“正要经历划时代的转变，从大自然被动的观察者变成主动的编舞师”。（强调语气是加来道雄自己加上的）他说，到了2020年，很多癌症不再是不治之症，计算机就跟啤酒一样便宜，到地球轨道上进行一日之旅的价格就跟飞越大西洋的机票一样。（然而，本书写于2008年，仅剩12年的时间，有些想法可能无法实现。）不过加来道雄也承认，整体而言他的想法太过乐观：“谁也说不准会不会发生核子战争、爆发致命的疾病或环境崩坏。”要真的发生这些情况，就很扫兴了，不是吗？

文明的终点

是的，文明的崩溃向来是学术分析和各界观察最喜欢的主题。盘算未来无穷无尽的时间时，自然也会想到人类会不会成为未来的一分子。我们的文明会继续向前，还是分崩离析？自从人类出现在地球上，打发时间最常见的方法就是担心世界末日来到。古代文化中关于末日毁灭的故事不胜枚举，我们也可以说科学革命只让人类愈来愈恐惧：与其等待天神消灭我们，人类更有可能自取灭亡。科学的进步延长了人类寿命和人口数目，但我们也第一次看到有些做法有可能消灭全人类。生态学家科克斯把我们的情况形容成：“在知识和灾难之间不断扩大的挣扎。”从圣经到炸弹，再到全球气候改变，我们总能找到方法来想象人类的灭亡。

过去二三十年来，又出现了不一样的焦虑。英国物理学家马丁·里斯2003年出版的著作《时终》一书激起不少争端，书中概述了几项他最关切的问题。他说，之前只有一个国家，或至少一个充满怒气的行政区或反叛团体，有力量掀起大规模的破坏。而随着科技进步（尤其是生物科技），马丁·里斯说新的时代又开始了，“只要极少数拥护异端邪教的人，甚至只要一个满心愤恨的人，就能发动攻击”。

马丁·里斯提醒我们，除了担心像基地组织这样激进的基本教义团体外，比较小的异教如“天堂之门”（1997年带领教众集体自杀）和奥姆真理教（1995年在日本东京地铁发动沙林毒气攻击），一样会带走人命，还有美国俄克拉荷马州的几名炸弹客跟“大学炸弹客”等充满怒气的人，都应该是我们恐惧的对象。他强调，不需要像教派这样有想法相同的教众，光是一个人就可以置很多人于死地。马丁·里斯警告我们：“到处都有满怀恨意的边缘人，每个人能散发出来的‘力量’也愈来愈强。”

马丁·里斯说，还有一件危险的事情，社会渐渐趋向一体化，互相依赖的程度愈来愈高。灾难不太可能真的只出现在“局部”，影响城市、州县或省份的事物也会自动影响到世界上所有人的态度和行为。2003年SARS（严重急性呼吸道症候群）暴发就是最好的例子：从亚洲开始的传染病一下子就传播到加拿大最大的城市里，电视上播出几名多伦多人戴着口罩的影像，马上就让这座城市臭名传千里。过了好几年的时间，当地的旅游产业才得到恢复。

但马丁·里斯又说，至少从长远的角度来看，这些危险或许都只是一时的。或许在这个世纪结束前，人类文明即将延伸到地球以外。那时，不管发生的灾难再严重，也不太可能完全毁灭人类。他认为，我们正站在时间的瓶颈上：今日的危险真的存在，而且危机四伏，但如果我们能撑到几十年后，或许就能永久远离危险。

忆哥白尼于柏林墙

要解释人类的长远期盼，美国普林斯顿大学的物理学家哥特提出的方法更加抽象，但一样耐人寻味。哥特用他口中的“哥白尼原则”预测人类的寿命，就此而论，也能预测所有东西的寿命。这项原则以哥白尼命名，因为这位伟大的天文学家证明了我们所在的地球一点也不“特别”，只是一颗行星，我们后来又发现，太阳也只是普通的恒星。哥特主张，同理可证，我们所在的时间也不算特别。更明确地说，如果你正好碰到某样实体（是什么东西不重要），你就能假设两件事没错：第一，或许这东西不是一存在就被你遇上的；第二，这样东西或许不会被你遇上后就消失了。（两者都是“特别”的时刻，根据哥白尼原则，发生的概率很低。）他认为，比较有可能发生的是，你在随便某个时间碰上这样东西，这样东西已经存在一阵子了，也不会马上消失。

1969年参观柏林墙时，哥特突然有了这个想法。墙在8年前盖好，很多人在猜测这面墙的存在能延续多久。哥白尼原则指出，要预测某样东西能延续多久，最好的预测方法就是看这样东西已经延续多久了。哥特的推论直截了当，听了会让人很惊讶：他假设在他参观柏林墙时，有50％的概率，这面墙正处于其寿命的中间一半，也就是说在墙的历史时间在线，介于25％到75％之间。稍微算一下，他就得出结论，这面墙未来的寿命有50％的机会延续下去，介于原本寿命的1/3到3倍之间 [3] 。由于当时墙才盖好8年，也就是说算出的期限是未来的2.7年到24年。哥特特别强调，他并未预言那面墙最终的结果，只算了何时有可能倒塌。20年后，柏林墙在1989年倒下，符合他的预言，所以他决定把自己的想法写出来。1993年，他的文章《预测人类未来展望的哥白尼原则有何意义》登载在《自然》期刊上。

哥特也把这个原则套用在人类身上。他把“信赖界限”从50％提高到科学家传统会用的标准95％。技巧一样：根据哥白尼原则，有95％的机会看到某样东西正在其寿命“中间的95％”，亦即介于该物体历史的时间线2.5％和97.5％的两个标记之间。再来算一下数学，你有95％的信心，你看到的物体能延续的寿命介于目前年龄的1/39和39倍之间。智人约于20万年前出现，所以人类有可能再延续5100年，但或许不会超过780万年。（哥特说，这些数字符合其他人类祖先的寿命期限：直立猿人延续了160万年，尼安德塔人则有10万年，哺乳类动物一般来说已经有两百多万年的历史。）

听起来全都有点抽象，但哥特也用这个方法预测更实际的东西（预测的难度可能一样高），就是纽约戏剧作品连续演出的时间长度。在1993年，哥特预测了44出百老汇和百老汇外上演剧作的停演日期，唯一的根据就是它们的开演日期。哥特告诉我，上次他检查名单时，发现44出中已经有40出停演了（包括音乐剧《猫》，大家都以为这出戏应该“永远不会落幕”），所有的日期都落在哥白尼原则信赖区域百分之九十五所算出的范围内。

并非所有人都相信哥特的论点。高等研究院的物理学家戴森说，用“抽象的数学模型描述真实世界”时一定要很谨慎，尤其是如果我们知道某件不太可能发生的事已经发生了，“那么所有相关事件的可能性，说不定会跟着产生剧烈变化”。看看很久以后的未来，他又提出另一个我们刚才已经听马丁·里斯说过的论点──事实上，我们可能活在非常特别的时代，也就是说人类可能刚好活在星际旅行变得很普遍的时间之前。根据他的解释，是否要利用这个机会又另当别论。光是知道在接下来的两百年内“规则可能会改变”，就会牵制哥白尼原则的作用。戴森的文章说：“知道不太可能发生的事，所有的先天概率也跟着变了，因为脱离了某个星球的生活，就改变了生活中的游戏规则。”

下注

要玩“决战末世代”的游戏，不需要拥有博士学位。20世纪接近尾声时，好莱坞推出一部又一部小行星造成地球毁灭的电影。而定位给高级知识分子阅读的杂志，最喜欢的题材就是关于末日的想法，其中有宗教的也有世俗的。（宇宙碰撞尤其骇人，因为我们见证过此类的事件。比方说，六千五百万年前，有一颗小行星或彗星撞入墨西哥的尤卡坦半岛，目前找到的证据十分令人信服。据说这次的冲击造成气候发生剧烈改变，导致恐龙和数百种其他生物灭亡。）

在公元两千年的前夕，英国的威廉希尔博彩公司开始接受下注，让顾客打赌世界结束的方式，总共有十几种广为流传的情节（但谁也不知道世界灭亡后该怎么领自己的彩金）。最受欢迎的是“战争”，赔率一比一千。气候变化的可能性比较低，赔率一比二十五万。更低的还有外星人入侵，赔率一比五十万。而造出万年钟的今日永存基金会也设立了一个网站（www.longbets.org），提供类似的长期下注。使用者可以衡量这里的预言，如“到了2030年，民航班机乘客已经习惯搭乘没有机长的飞机”或“在2000年活着的人至少有一个到了2150年还活着”。（下注无论输赢，所有的收益都捐给慈善机构。）人工智能专家利瓦伊最近提出的预言或许也会成为下注的目标，他在著作《与机器人谈性说爱》中预测，到了2050年，“和机器人谈恋爱就像跟其他人谈恋爱一样普遍，人类常用的性行为和性爱姿势会变得愈来愈多，因为全世界的性爱手册合在一起，都比不上机器人能教人类的”。

预言人类社会演化的方式一定会困难重重。光看有形的系统，会不会比较简单呢？我们在第六章讲过，牛顿的定律让我们可以预测接收力道的物体会怎么移动，这在太阳系中已经得到证明。我们也提过拉普拉斯的想法，如果我们知道有形系统怎么运作（所有组件粒子的确切运动），就可以准确地预言未来的方向。真能清楚掌握这些运动时，就能预测未来──太阳明天会升起，2017年8月21日会出现日食，以此类推。

但从两方面来看，大自然会阻挠我们的努力。我们已经提过，由于量子理论的阻碍，我们连单一粒子的速度都无法清楚得知，更别说复杂的系统了。第二，复杂系统演化的方式通常和原始的状态密不可分。（再想想看撞球比赛中的“连续得分”，在撞球出现后，有哪两次连续得分会一模一样？）把系统转回去，稍微改变某个物体的位置或速度，接下来的进展又会变得不一样。这种系统被形容成“无秩序地不稳定”。最有名的例子就是具警世意味的“蝴蝶效应”，蝴蝶在亚马孙的雨林里拍拍翅膀，几个月后中国的天气就会受到影响。（预报气象的人在预测某座城市的天气时，很有可能无法正确料到一个星期后的天气状况。）还有一个类似的说法，跟生物演化有关，古尔德认为，如果你“回放”过去数十亿年来生物在地球上活动的样子，应该根本不可能看到同样的生物（包括智人）以同样的方式出现。当我们思索地球的未来时，能更有信心吗？

地球的终曲

地球的命运和太阳息息相关，这是无法改变的。天文学家钻研恒星物理学几十年后，现在已经能很有信心地预测太阳的命运。太阳从50亿年前开始发光发热，或许还会继续照耀50多亿年。然而，当太阳用完自身的核燃料时，就会出现独特的扭曲状态。重力会先导致太阳缩小，但这又会导致太阳的核心变得更热，反而让外层明显膨胀。到了这个阶段，太阳会变成“红巨星”。再过几亿年（对太阳的寿命来说不算长），又会经历另一个发热和膨胀的阶段，蜕掉外层大部分的物质，最后崩坏成所谓的白矮星。到了这时，太阳的质量仍有现在的3/4，但已经压缩到跟地球一样大小。

美国密歇根大学的亚当斯和劳克林合著的《宇宙的五个阶段》于1999年出版，再没有人像他们这么仔细地探索地球（还有宇宙）很久之后的命运。《宇宙的五个阶段》出版前，我到亚当斯在安娜堡的办公室拜访他，他向我详细介绍太阳系的未来，听得我心惊肉跳。他说，太阳一开始在红巨星阶段膨胀时，就会带来灾难。在五十亿年内，地球“再也不适合人类居住”。那时，空中这颗不断逼近的大火球会“把地球整个烤焦”。太阳的半径从现在的114万公里膨胀到1.68亿公里。而地球轨道的半径只有1.5亿公里，听起来的确很可怕。然而，由于太阳的重力，地球的轨道到那时也会膨胀到1.85亿公里。所以胀大的太阳还不会吞噬地球。但是地球上留下来的东西都会被烧得面目全非，因为太阳光的强度会变成现在的三千倍。不过我们早在那之前就会碰到麻烦。亚当斯说：“在太阳这么靠近地球前的二三十亿年，太阳就已经够热了，无法控制的温室效应会让地球变得非常非常热。”气温不仅热到会让积极打击暖化的美国前副总统戈尔发疯，连海水也会沸腾，“所以在二十亿年内，就生活而言，地球本身的问题就够多了”。在最近发表的文章中，亚当斯的说法更冷酷：“根据目前的估计，我们的生物圈在三十五亿年内就会灭绝，所以过了这些年后，地球上的生命就会绝迹。”

到了那个时候，毫无生气的地球可能还会苟延残喘一阵子。虽然地球会移到更宽的轨道上，但亚当斯说当地球通过“星流”时，也会碰到更多阻力。阻力终将导致地球的轨道崩坏，让地球更靠近太阳，走向自己的末日。在同一篇论文中，亚当斯用两个简洁到令人害怕的句子描述地球的结局：“然后地球就蒸发了，残余的重元素进入太阳的光球层。这个时刻距今约莫还有70亿年，也就是地球下台一鞠躬的时候。”

幸好人类在地球上生存的时间仅有二十多万年，几千年前才开始使用科技，和几十亿年比起来真是小巫见大巫。所以，或许我们可以想象，人类在地球灭亡前能够旅行到银河系的另一端，或至少离开命数已尽的太阳系。现在，我们再来看看宇宙未来的命运。

宇宙的命运

如果我们住在牛顿的绝对空间和时间里，想象人类和很久之后的后代会一直延续下去，时间永远没有尽头，其实也很合理。但物理学家20世纪时的新发现改变了我们的想法。20世纪中，大爆炸模型奠定根基后，天文学教科书提到宇宙的命运时，通常有两种可能性。如果宇宙该有的命运很不错的话，宇宙就应该是“封闭的”：重力终究会让宇宙停止膨胀，然后开始收缩，最后则在所谓的“大崩坠”中坍塌，也就是反向的大爆炸。如果宇宙的命运比这更悲惨，宇宙应该是“开放的”：永远不停止膨胀，宇宙中的所有作用会慢慢按照热力学第二定律“衰减”。宇宙会变得更暗，更冷，更不适合生物生存。弗罗斯特有一首很有名的诗抓住了这两个可能性的精髓：“人言，世界将毁于火/或说，将灭于冰。”一直到了20世纪的最后几十年，我们也只能想到这么多，宇宙将承受其中一种命运，但我们不知道是哪一种。但宇宙一向充满了惊喜，在20世纪迈入尾声时，又给了我们一个大惊喜。

20世纪90年代即将结束时，天文学家正在研究遥远星系的特质，就像70年前哈勃的做法（除了其他的设备外，天文学家现在用的太空望远镜就命名为哈勃）。这一次，他们把注意力放在这些星系内的爆发恒星上，也就是超新星，并测量出它们的正确距离。独立从事调查的国际团队有两组。其中一组叫作“高红移超新星搜寻团队”，由澳洲国立大学的施密特和美国巴尔的摩太空望远镜科学研究院的里斯负责领导。另一个团队叫作“超新星宇宙论计划”，由美国加州劳伦斯柏克莱实验室的佩尔穆特带领。两个团队比较了远方星系的运动对靠近地球的星系的影响。结果令人十分意外。宇宙除了不断膨胀外，也在持续加速。

看来宇宙在70亿年前一直在减速，之后又进入了有史以来最为迅速的膨胀阶段。宇宙加速的可能因素为何？大爆炸的推力无物能够幸免，但重力的力量应该会减缓膨胀的速度，宇宙也应该慢下来。天文学家和物理学家的结论是一定有某种能量能抵消重力，这种力量真的会加大星系之间的距离。我们都不知道这到底是什么，现在只能称之为“暗能量”。早在1917年，爱因斯坦提出他的“宇宙常数”时，他说有一种能量和空间有关，很有可能就是这种暗能量。假设果真如此，那么他“毕生最大的错误”事实上反而是超乎想象的远见。

然而，即使暗能量就是爱因斯坦的宇宙常数，也还存在其他的问题。物理学家没有办法解释暗能量的确切来源，也不知道为什么这种能量有特殊的强度。（科学家根据目前所知小于原子的粒子和量子理论，努力推算暗能量的强度，得出的值大到无法想象。）暗能量的本质仍是当今物理学界最深奥的一个谜。

黑暗的能量，黑暗的未来

我们只知道暗能量有一个特质──传送出来的额外“推动力”确保开阔的宇宙会继续膨胀。今日的天文学家凝望宇宙的另一边，看到聚集成团的星系，这些星系团又组成超级星系团。超级星系团看起来就像串在巨大的弦状细丝上，这些丝线横跨宇宙中数亿光年的距离。重力打造出这些结构，暗能量却扰乱它们。

在命运的安排下，亚当斯出版了《宇宙的五个阶段》，然后施密特、里斯和佩尔穆特才公开他们的发现。暗能量的出现对亚当斯的预测有什么影响？

“或许最重要且最新的消息是我们现在‘知道’宇宙正在加速，”亚当斯用电子邮件告诉我（用引号来强调实际上在科学的领域中，绝对没有百分之百可靠的结果），“既然宇宙膨胀的速度不断加快，基本上就不会再形成新的宇宙结构。”换句话说，这些星系团和超级星系团以及弦状细丝就是宇宙演化的尽头。亚当斯说：“现在宇宙中所有的东西再也不会变多了，就这么多。”

由于暗能量的作用，这些巨大的结构会慢慢瓦解，宇宙最后也会变得跟现在完全不一样。在刚开始的几兆年内一切看起来还算正常，恒星继续发光，它们庇护的行星可能正好适合人类居住。亚当斯称之为“群星遍布”时期，正是我们当下所在的时期。

然而，到了最后，恒星的核燃料会耗尽（或许在过了一百兆年后），新星也无法形成。群星遍布时期步入尾声，我们会进入亚当斯口中的“衰退时期”：宇宙中最显眼的物体都会变成“衰星体”，基本上就是不再闪亮的恒星耗尽能量后的核心。普通的恒星都已经演化成白矮星，而比较重的恒星则会变成极度稠密的中子星或黑洞。（偶尔会有两颗白矮星相撞，导致超新星爆炸。亚当斯算出来，在残余的银河系中，每隔一兆年就会发生一次这样的事件。每颗超新星都会灿烂发光好几个星期，最后衰退成退化的核心，和其他类似恒星的物体一起留在宇宙中。）

亚当斯提醒我们，这些残余的星体终究也不值得留恋。过了一段漫长到令人麻木的日子后，白矮星和中子星会通过“质子衰变”的作用完全瓦解，所有的固体都屈服在辐射线之下。（我们仍无法推算质子的寿命，但最可靠的估计则介于10的30次方到10的40次方之间。 [4] ）衰退时期就此结束，之后，宇宙中留下的大型结构只有黑洞，我们也会进入名副其实的“黑洞时期”。

我们的宇宙和物理定律所能打造出的物体中，最持久的就是黑洞。宇宙不断膨胀，时间永无止境，但黑洞也必须屈服。黑洞最后会因霍金辐射（1974年，霍金率先提出这种量子力学的作用）而挥发消失。质量跟太阳一样大的黑洞能够持续10的65次方年；超级巨大的黑洞或许能持续10的100次方年（或许看了很眼熟，这个数字叫作“谷歌”（googol）：1后面跟了100个零，也是知名搜寻引擎公司Google命名的由来）。

等到最后一个黑洞在霍金辐射中灰飞烟灭，宇宙里几乎什么都没有。只留下一团团稀疏的基本粒子，在冰冷平凡的真空中无尽地漂流。亚当斯把这最终的时期称为“黑暗时期” [5] 。

如果我们能有办法把自己送到很久以后的“黑暗时期”去，我们会看到什么？“不多。宇宙会变得非常黑暗，非常模糊，”亚当斯说，“只剩下相当迷蒙的粒子‘汤’。主要是基本的粒子：电子、正电子、微中子和光子，或许还有其他超出我们知识范围的东西。”亚当斯解释，在物质如此稀薄的环境中，也不太可能发生什么作用。偶尔电子可能会跟正电子结合，形成“正子-电子偶”的原子，但连这种物质也终将瓦解。电子和正电子也可能直接毁灭彼此。亚当斯说：“除了这些微乎其微的毁灭活动，宇宙几乎没有能量，整个宇宙寂静无声……宛如黑暗的海洋。”

艾略特的形容或许比弗罗斯特更贴切：“世界就会如此终结/没有轰然巨响，只有一声悲鸣。”

天文学的结局

宇宙慢慢地衰退成永恒的黑暗，比这更令人沮丧的现象似乎不太可能。但是我们现在就要举个例子，由于暗能量的推力绝对不会让步，很久以后的未来，当人类仰望天空，就不会像现在看到这么多星星，那个时候的天文学家无从得知从前曾有这么广阔复杂的宇宙。

重力会把银河系和最靠近的邻居仙女座星系拉在一起，再加上稀稀落落的“矮星系”，组成所谓的“本星系群”。比本星系群更远的数十亿个星系并不靠着重力跟我们连在一起，暗能量驱动的宇宙膨胀最后会把这些星系推到我们的视线范围外。最远的物体会最先消失，正如亚当斯所说：“掩盖在宇宙地平线后方。”比较靠近的星系则会步其后尘，一个一个消失。

约莫再过1000亿年，就连室女座星系团（离我们最近的星系团），也会从宇宙的地平线消失。我们会跟宇宙的其余部分完全隔开，除了组成本星系群的几个星系，从望远镜看出去，只能看到一片黑暗。其他的星团也面临同样的命运，和最靠近的邻居完全分离。如果在这些地方也有天文学家，他们的望远镜看出去也是什么都没有。康德幻想的“宇宙孤岛”将会真正实现 [6] 。

从本星系群仍可看到一些活动，我们的银河系和仙女座星系目前正朝着彼此移动，预计过60亿年后就会结合在一起。（结合后大多数的恒星都不会直接受到影响，因为恒星彼此之间的距离远超个别恒星的直径，一般不会碰撞在一起。）过了很长的时间后，银河系、仙女座和其他本星系群的小星系就会结合成庞大的星团。

本星系群形成独立的宇宙后，天文学家可以把望远镜瞄准“本地”的目标，但无法察觉宇宙整体的结构。克劳斯及其同僚最近提出，等到了那个时代，天文学家得费尽千辛万苦，才能推论出曾经发生过像大爆炸这样的事件，遥远的星系红移到看不见的地方，哈勃在20世纪20年代的发现从此已成绝响。同时，宇宙微波背景辐射也会遭遇相似的命运：当宇宙微波背景辐射的波长被延伸到更长时，来自其他来源的辐射就无法接收到信号。克劳斯说那个时代的天文学家会被误导：“在观察宇宙的现象时，他们可能做出错误的结论。宇宙看似静态，其实这个想法大错特错，因为宇宙膨胀的速度快到让他们无法察觉。”

这会带来不少的麻烦。想到我们现在拥有的知识过了很久之后居然会消失，自然很令人气馁，或许因为这个缘故我们会为了保存知识而不计一切代价。这也会让我们思忖，人类对眼前景物的诠释可信度究竟有多高。另一方面，一定会有相关的科幻小说出现，故事还挺有说服力：甲文明宣称他们画出了全宇宙的地图，却遭到乙文明的挑战，乙文明流传下来的古老记录虽已蒙尘，但上面的夜空更加精彩，描绘出更无穷大的宇宙，可惜早已失传……

生命的尽头

我们看到了宇宙注定将如何在黑暗中结束，那么宇宙中的生命又将面对何种命运？热力学第二定律似乎也指明了我们的命运。在开放的宇宙中，所有的实体、生物、想法都必须走到尽头。哲学家罗素曾说：“世世代代的努力、奉献、鼓励、最光辉灿烂的人类天赋，最终的命运都是灭绝……人类成就的殿堂最后必定会埋葬在宇宙废墟的破瓦残砾下。”

然而，在20世纪70年代末期，戴森提出一个解决之道：他用更简单的说法把“生命”形容成能够处理信息的生物。由于处理信息需要能量，也会产生热能，不断膨胀的宇宙要让这种系统保持运作，提供的有用能量似乎会愈来愈少。戴森认为生命实际上可以无止境地“休眠”。他主张，只要能延长休眠期，也就是降低生物的“新陈代谢”，生命或许就能永远延续。

但是发现了暗能量后，戴森的策略或许就失效了。物理学家克劳斯和斯达克曼在1990年研究这个问题时，发现生命的确有问题。他们推论说，生命需要能量，在不断加速的宇宙中，集中和控制那股能量就会变得愈来愈困难。我们各自的“宇宙孤岛”和宇宙的其余部分愈隔愈远，能用的资源也受到严格的限制。根据两位科学家的理论，在资源有限的情况下，任何生物（或对等的机器）都只有有限的记忆，“最后会遗忘旧有的想法，以便增加新的想法”。他们认为，有限的知识就表示有限的想法。到了最后，能够思考的生物除了不断产生同样的想法，似乎别无选择。“永恒会变成监狱，而不是范围无限扩张的创造探索空间”。到了最后，“就有形的化身而言，生命必须走向尽头”。

生命、宇宙和万物的展望果真如此，让人感觉并不怎么美满，但或许我们可以从中领走一些正面的想法。首先，眼前还有几十亿年的时间，可以做很多善事，我记得萨根在他的电视节目《宇宙》快播完时也说过类似的话。此外，人类有限的大脑竟然也能想到这么久以后的事情，还有那么一点信心，也实在令人佩服。我也不懂，我们怎么能看得见未来过了数十亿年又数十亿年后的宇宙命运，却看不清楚几个世纪后的人类文明。

或许后代子孙会聚集到内华达的沙漠中，满心敬畏地站在今日永存钟前，就像现代的游客站在埃及的金字塔前，感到自己的渺小。或许不然。这项充满野心的计划成果能延续多少代，谁也说不准。物理学家兼作家本福德就是一个例子，他怀疑伟大的万年钟不到一万年就会宣告死亡。他觉得这座钟的原型“太漂亮”，他希望要放在沙漠里的正品没这么闪亮。他说：“第一批经过的飞车族就会把这座钟毁了。如果造得没那么漂亮，应该能更耐久。 [7] ”作家海斯更不以为然，如果我们竟然假设万年后的文明仍跟我们有同样的价值观，甚至一样想要记录时间，等于犯了一个叫作“时间殖民主义的毛病，限制后代子孙要维护我们流传下去的系统”。海斯承认，考虑对后世子孙最有益的做法的确很高尚，但我们怎么能猜得到几代之后的人到底想要什么。他写道：“假设我们这一代的价值观体现了永恒的真理和美德，这很愚蠢也很自大。据我所知，未来的人类会感谢我们烧光了有害的汽油，又咒骂我们根除了天花病毒。”为了避免到了公元9999年的最后一天人类会面临“一万年”危机而用五个数字编年，海斯认为这个想法也很偏执。他说四个数字就够了。“如果我们养成习惯，造出的机器都要用到一万年以后，或者把计算机程序编写成可以容纳五位数字的年份，我们根本没帮到后代子孙的忙，只是在满足自己的狂想”。

没错，海斯指出在过去几百年，人类也怀抱着崇高的希望造了其他的钟，希望它们能运作跟一万年一样漫长的时间。原本于公元14世纪打造的斯特拉斯堡大教堂内的大天文钟就是一个例子。过了两百年，有一组人受雇修复这座钟的机械装置，可是他们却造了一座新钟。到了18世纪再次大修时，匠人也并未修复旧有的机器，反而装了新的机芯进去。今日永存钟虽然展现了无比的雄心，但海斯怀疑还不到一万年，就会有人进行类似的改头换面工作。全尺寸的正品和原型至少会有一个很重要的差异。我前面说过原型钟“每天敲两次”，有三股分叉的钟摆“来回转动”，但我应该说，这座钟会运转，钟摆也会晃动，仿佛真在运作。

很明显，今日永存钟从美国加州运到英国时就已经停下来，放在科学博物馆后也并未恢复运作。我去参观时这座钟整个停住了，在2008年年初也一样。今日永存基金会的发言人说，包住钟的玻璃箱也是一个原因，很难帮机芯上发条。他说：“我们的目标是要装有马达的上发条和驱动装置，就不用打开玻璃箱了。”我不清楚这个目标什么时候才能达到。

在达到目标之前，那座要诉说万年故事的钟只能默不吭声。

注解：

[1] 　在第一章此处曾简短提过。

[2] 　有些人认为新的千禧年随2000年开始，而不是2001年。

[3] 　假设那样东西已经存在x年了。如果你觉得它在寿命时间线标记25％的地方，从现在算起，未来的寿命就是过去寿命的3倍，也就是3乘以x。然而，如果你已经在75％的标记位置，那未来的寿命只有过去的1/3，也就是x除以3。所以50％的信赖区域（75％-25％=50％）是从长度为x 的未来延伸到长度为3x的未来。（信赖区域为95％的论证亦同。）

[4] 　这几个数字都很大，别忘了宇宙现在的年龄也只有10的10次方。

[5] 　亚当斯的书名是《宇宙的五个阶段》，我讲了其中的四个。我们现在的“群星遍布”是第二个阶段，第一个阶段是“太初时期”，大约涵盖宇宙历史刚开始的一百万年，从大爆炸到恒星最初开始成形。

[6] 　有一个说法可以解释这种消失的现象，这些星系彼此远离的速度比光穿过其间距离的速度更快。（听起来似乎违反狭义相对论，其实不然，太空本身的膨胀会拉开星系之间的距离。）同理可证，说星系的光线红移程度太严重，以致无法侦测也是成立的。

[7] 　本福德在著作《深邃时间》（1999年出版）中用另一个令人称奇的例子，说明我们无法和后代沟通：有些好心人为了后世的利益，封了很多“时光胶囊”，里面放了具有时代特征的物品，通常也会埋在地下，结果现在都找不到了，不是没设立“记号”，就是忘了胶囊埋在哪里。他指出，美国加州可乐纳市的居民过去五十年来共埋了十七个时光胶囊，后来全部不知所终。

第十二章
最后，哲学家说……

所有过去和未来的你都跟现在正在读这本书的你一样真实，曾经活过的人现在仍然“活着”，恺撒活着，希特勒活着，斯大林活着。“现在，他比我早一步离开这个古怪的世界，”爱因斯坦如此描述好友的去世，“这不代表什么。我们是有信念的物理学家，过去、现在和未来的差别只是挥之不去的幻觉。”

时间宛若携我前行的长河，但我就是河；好似吞噬我的老虎，但我就是虎；亦如烧干我的烈火，但我就是火。

——博格斯

时间是幻觉。午餐时间更是双倍的幻觉。

——道格拉斯·亚当斯

时间之旅进行到现在，我们从不同的角度窥探时间。有些人认为时间是绝对的，有些人认为是相对的。有人觉得时间是一条线，有人则觉得是一大块。还有人想把时间折回原点，绕着圈圈在时间中旅行。我们也设想过最早感受到时间流动的人过着怎样的生活，还有人学到了把一秒钟切割成数十亿份。在现代科学能够涵盖的范围内，我们看到了时间的起点和终点。

但关于时间的本质，还有最基本的问题尚未得到解答。首先，时间“流动”这个麻烦的问题还没解决。时间真的以有形的方式“流逝”吗？这个古老的问题不是开玩笑，它始于巴门尼德和赫拉克利特彼此冲突的看法，伟大的思想家奥古斯丁、牛顿、康德和爱因斯坦都百思不得其解。时间难道是变化的同义词吗？会不会是更基本的东西呢？难道有了神秘的时间，才可能有变化，宇宙才有可能奠定根基？还是正好相反──我们再怎么爱说“时间的长河”，河道也有可能是干的，流动也只是幻觉？（如果说讨论流速没有意义，这条河又怎么能流动呢？）如果流动只是想象，“过去”和“未来”随之干涸，只留下一连串的“现在”，就像巴伯和其他大胆的思想家所说，那么每个“现在”的立足点都一样吗？

或许几百万年来的生物演化，加上数千年的文化和语言演进，引导我们想象出这种实际上不存在的流动。这个问题只能让心理学家和哲学家来提供答案。或许就和心理学及哲学的其他伟大问题一样复杂和艰难，比方说“自我是什么”和“意识是什么”。

心智和头脑

时间流动是不是我们的大脑从一团感官数据中组合成形，然后当成真实物品呈现给我们的东西？这样的组合作用是否非常有效，让我们以为成品一直“就在那儿”？对某些思想家来说，“自我”本身就是这么建造出来的，如果还有其他这么丰富的认知结构，时间或许只是其中的一小部分。

美国加州大学圣地亚哥分校的哲学家丘奇兰认为：“在本质上，自我是大脑构造出来的东西。”自我是“仰赖大脑的真实组织网络，用来监督身体的状态、设定优先级，并在大脑内建立区隔，分开内心世界和外在世界”，她说一个很简单的例子就是视觉感知。我们“看见”二维的世界（一只眼睛看到一个二维影像），但大脑会收集数据，打造出三维的影像，这就是我们感知到的。丘奇兰写道：“大脑会建造一系列‘了解外在世界意义’的神经工具。一个就是未来，一个是过去，还有一个是自我。”她强调，自我（以及过去或现在）并未因此失去真实性，但她认为这些东西都是我们使用的“工具”，而不属于外在的世界。

物理学家和作家戴维斯的想法也差不多。我最近和他在美国凤凰城见面，他在亚利桑那州立大学校园内新成立的“远方”研究中心当主任。（7月的纽约就够热了，9月的凤凰城更像火炉。他们在书店前装了高空洒水器，下课时提供片刻的清凉，这还是我第一次在校园里看到这种景象。）1995年，戴维斯写了一本关于时间物理学的书，书名叫作《关于时间》，内容详尽且充满真知灼见。他在这本书跟无数的论文和文章里都主张时间的流动只是幻觉，接受访问的时候，他也坚持同样的立场。

“时间的流动、时间的移动、过去现在和未来，或者当下，都没有对等物，”他告诉我，“这些都不在物理学里。”因此，“很容易相信这只是心理学和语言的产物，跟实体世界的本质其实没什么关系”。

我们觉得时间的流动属于“常识”，但戴维斯说，我们的常识跟直觉都是生物演化的产物。“演化除了塑造形体，也塑造心智。所以我们常用某些方法来诠释世界，某些概念也让我们觉得比较自在”。看来我们早已习惯这种想法，认为时间是一种会流动的东西。因此他说，像时间流动之类的观念，即使没有物理学的基础，也会“干涉我们对世界的看法”。

我不知道公元前5世纪的奥古斯丁那时在想什么，他说时间流动并非来自外在世界的感知，而是心中的想法：“衡量时间，就在我的心里……有事发生，就在心里留下印象……我衡量的，就是这些印象。因此，这东西本身就是时间，否则，我根本无法衡量时间。”过了一千三百多年，康德的想法也差不多：“时间的想法并非来自感官，而是感官作用的前提。”这就是他的主张，“时间并非客观之物，不是物质，也不是机遇或关联，而是一种主观的条件，必须归因于人类心智的天性”。

如果时间的流动纯属幻觉，大脑也对心智玩了其他的花招。戴维斯用坐在办公椅上的小孩当作例子：他转啊转，转了一会儿才停下来，却觉得房间好像仍在绕着他转。但小孩知道事实并非如此：这是幻觉，过几分钟就会消散了。戴维斯说时间的流动或许也是同样的幻觉，只是更为根深蒂固。

但我们仍想知道“流动”的概念从何而来。戴维斯说：“这个幻觉需要立刻找到解释。”他认为，合理的解释“可能来自心理学、神经生理学以及语言学或文化研究”。

时间的演化

当然有人根据专业知识做出猜测。前面提过彭罗斯努力钻研不同时间之箭的关联。美国麻省理工学院的物理学家贾菲怀疑，热力学的时间之箭和心理学的时间之箭有关系。他最近跟我说：“我觉得人类对时间的体验基本上来自热力学。我们察觉到的记忆和经验，以及对未来的期望，都来自大脑这种物理化学环境中的信息贮存、处理、衰退和熵生成。”

大脑的确会把信息搬来搬去，但是否和计算机移动信息的方式类似，一直是大家争论不休的问题（彭罗斯属于强烈反对这个说法的一派）。最近也有很多人提出论据，认为信息论总有一天会帮助我们了解物理学定律以及意识的本质 [1] 。虽然还无法证明，但如果这个论据能解释时间表象流动的来源，就很值得钻研。

也有人从演化的观点探讨这个问题。面对时间的流动，老祖宗跟现代人的想法相去甚远，随着时间的流逝，我们的世界观跟着演进。在大脑发展时，世界观也一起发展。每时每刻，来自四面八方的新信息不断地轰炸（形状和颜色、不同层次的光影、声音和气味等等），我们的大脑亦有方法整合所有的信息，锻造出合理的生活写照。如果失去这种能力，源源流入的数据所造成的混乱会让人无所适从。相反，我们就能建构出“场景”。生存价值当然是主因──我们不会看见一双露出凶光的眼睛以及黑黄相间的条纹，我们会看到“一只老虎”，当然拔腿就跑。

时间流动也是类似的构造吗？愈来愈多的思想家提出类似的结论，和霍金合作“宇宙无边界”说法的物理学家哈特尔（第十章）也是其中一名。他写道：“我们强烈地感觉到有‘现在’以及时间从过去‘流过’现在通往未来，都跟生存价值有关。”他也希望，如果能确定演化对人类感知设下的约束，就能帮我们了解时间的真正本质，或许也需要借助信息论。很简略地说，他认为会收集和使用信息的实体（包括人类的大脑）刚开始都把信息放在“输入暂存区域”，然后传送到“记忆暂存区域”，释放输入区域内的空间。暂存区域之间的信息传送不知为何“感觉”就像是时间。哈特尔说：“信息从一个暂存区域流动到另一个，人脑内也会出现类似的作用，最后就带给我们时间流动的感觉。 [2] ”

此外，贾菲说，我们还不知道实际的机制有哪些细节，“或许是种复杂到难以置信的一体化流程”，我们对时间流动的感觉，“是根深蒂固、与生俱来适应演化的结果，带有基因的生物（我们人类的老祖宗）处在毫无秩序的环境中，人类一开始面对物竞天择就已经继承了这个结果”。

眼见可否为凭

大自然呈现的幻觉不止一种。早在数千年前，就有人凝望猎户座的众星，看到威风凛凛的猎人。到了今日，我们可以品味那景象代表的神话，同时在冬季的傍晚观赏灿烂恒星的壮丽景色，但我们现在明白了，猎人只活在我们的想象里。我们也打破了很多相关的错误观念，比方说地球是平的、天空是个大圆顶，以及太阳绕着地球转。除此之外，许多类似的错误观念会出现，只是因为我们从有利的特定位置观察宇宙，可以称之为“看法的幻觉”。

也有一些看法可以称为“诠释的幻觉”。数百年来，周遭的动物和植物总让我们啧啧称奇，觉得设计非常精巧，动植物的活动会让我们想到制造精细的机器（比方说时钟），这让人想象一切都来自神圣的钟表匠。但达尔文的理论出现后，我们才发现自然作用有多么复杂，也明白了其实不需要一位看不见的钟表匠。

第三种看法可以叫作“萌现的幻觉”。再回到我们前面提过的水的“湿度”。我们现在知道要有几百万个水分子聚集在一起，湿的感觉才会萌现，单独的水分子没有这种特质。（你也可以说，有知觉的人才能体验湿的特质。）物质的“硬度”也是类似的幻觉，原子物理学告诉我们，石头大部分是真空，但我们浑然不觉原子核之间的大片空白。从宏观的角度碰触石头，就会感觉到石头的硬度。

我们或多或少都学会了活在这些幻觉下。我们花了好几百年（或好几千年）的时间学习，现在我们能辨别出幻觉，继续日常生活。我们仍会教小孩辨认天上的星座（如果自己能认出来，也很幸运地正好在没有光害的地方），但现代的小孩知道天上的猎户不是真人。我们可以用比喻的方法讨论人眼的“设计”，但内心也明白这跟车子的设计不一样。不湿的水也不太可能构成问题，去掉湿的特质，仍留下彼此推挤的水分子。就我们对水的了解，这没什么大不了，它只是拐弯抹角地提醒我们，人类对“湿”的感知要视很多条件而定（最重要的是，那只是一种感觉）。

如果时间的流动是幻觉，那这种幻觉似乎比其他的幻觉更加深刻。物理学家可以告诉我们时间在大爆炸的那一刻“萌现”，但时间的萌发似乎比水的湿度或石头的硬度更令人困惑。去掉水的湿度虽然没问题，但去掉时间的“流动”却让人无所适从。如果时间不流动，那我们到底还有什么？还能认得出时间就是时间吗？

如果说时间不是宇宙的基础，这个概念很难让人接受。但从20世纪初，我们不得不放弃牛顿的绝对时间和空间理论，而采纳相对论和量子理论，接下来这一百年来的科学研究也提出了很多让人难以接受的说法。四维的时空很难想象（不管是什么，只要是四维就很难想象），当下死活状态不分的猫咪，以及特质和遥远的粒子具有神秘关联的粒子，都落入难以想象的范围。时间不是大自然的基本要素，这一点算是非常难以想象。格林恩哀叹：“每次我坐下来合上眼睛，想要描绘某个东西不会占用空间，也不想感觉到时间的流动，但总是无法达成期望，甚至跟期望差得远了。和环境有关的空间，或和变化有关的时间，总是能渗进来。”我又想起2300年前亚里士多德讲的话也有异曲同工之妙：“即使四周一片黑暗，我们的肉体也不受干扰，但一旦心里想到什么事情，我们就会马上觉得时间也悄悄地流逝了。”

哲学插曲三

这个特别的维度最耐人玩味的特质是我们不太明白哪一门学科“负责”研究第四维。我们已经看过，要努力厘清时间的意义，除了物理学，还牵涉心理学、语言学、人类学、神经科学和认知科学，当然少不了哲学。就连这些学科也彼此牵连，没有清楚的分界。我们也看到了，像记忆的演化这么特别的问题，自然涵盖了不止一门学科。

在本书中我主要从物理学的角度来讨论，但哲学的分支叫作形上学，偶尔也会违反传统的物理学（或有些说法会彼此重叠）。讨论到现实的终极本质、心智的本质和宇宙的起源时，我们多半把这些问题形容成形上学的问题。但是我们看过，科学家也会钻研这些问题，也有不错的成果（像我们在第十章看到的），尤其在讨论宇宙起源的时候。

看来不论什么学科，学者都可以钻研时间的问题。或许物理学家的进展最为实在，但每个人都可以提出意见。在哲学界，关于时间的辩论仍跟以往一样激烈。只要有心，人人都可以探索“时间之箭”、感觉得到的时间“流动”和时间特有的本质。

在哲学期刊中，一篇又一篇的论文讨论的问题可追溯到亚里士多德的时代（有时候还更早），但搭配了新的科技素材或惑人的修辞之后，就连最古老的问题都让人耳目一新，觉得再不正视就糟了。比起物理学期刊中呆板的写作风格，哲学期刊通常会给人热烈激昂的感受。

过去几年来，素负盛名的英国期刊《哲学》刊登了不少当今重要思想家有关时间本质的论文，一般都很难懂，满篇争论，甚至语气也不太友善。牛津大学的达米特和东安格里亚大学的里德最近的意见交流就十分火爆。达米特写了一篇文章《时间等于连续不断的顷刻吗？》，正式掀起战火，他讨论的问题从亚里士多德和奥古斯丁以来就一直困扰着思想家。里德回应时宣称：“我们不清楚人类怎么能把不占时段的顷刻累进成连续体。这个概念就像用没有维度的点构成一条线。”（他的论文标题很精彩：“时间是什么？”是个好问题吗？）达米特猛烈抨击里德，说他“看来不明白”连续体的意思，并举出一组实数当作反例 [3] 。过了几页后他说：“里德博士似乎发狂了，到处乱挥拳，不知道他的对手站在哪里。”在另一次提出抗辩时，里德说达米特，“面对无可避免的观念不够认真，时间是概念性的，不单是我们能在宇宙（组织）中找到的东西”。谁知道哲学居然会跟剑术这么相像？

物理学家对这种争论有没有兴趣又是另一回事。过去几年来跟无数的物理学家谈过话后，我的结论是他们大多没有特殊的兴趣去探讨辩论的哲学层面（在自己高度专业的领域中要阅读众多的文献已经够花时间了）。里德这位哲学家也勉强承认：“在物理学中，‘时间’就是时间，哲学永远无法成功预测物理学的走向，根据我的猜想，甚至一点用也没有。”

但哲学家或许在某个方面超越了物理学家，他们懂得向后退一步，努力地总揽全局。哲学家卢卡斯在其著作《时间和空间的论文》（1973年出版）中竭尽全力想要解决形成时间问题的所有的复杂因素。他完全了解当我们思索像时间这么难懂的谜题时心中会浮现哪些固有的矛盾说法。跟奥古斯丁一样，我们认为我们知道时间是什么，但想用言语表达时，心理和语言却都陷入狂乱。卢卡斯写道，当我们听说时间是永恒的动态影像、心理的延伸、事件的顺序、钟表上的数字或第四个维度时，我们“礼貌地聆听”。“但虽然礼貌地聆听，我们却无法全心赞同”，他说，上面的定义都无法捕捉时间的精髓。“我们说不出时间是什么，”卢卡斯觉得很沮丧，“因为我们早就知道了，而人类语言却永远追不上我们已经知道的东西。”

恺撒还活着？

对大多数人来说，要把时间的流动归类为纯粹的幻觉，需要违反直觉，培养出全新的思考方式。我们看过其中几个最令人困扰的问题，比方说自由意愿会遭到否定。如果在宇宙中，每个“现在”都具有同样的地位，或许也有积极的一面。根据某些思想家的说法（包括我们在第六章提过的巴伯），这个想法蕴含了永垂不朽的信念。

亲人朋友过世，为什么会觉得难过？这个问题有很多答案，但究其原因，想到死去的人从此不存在，就会令人忧伤，他们的功绩和悲剧都变成过去式，未来没有他们的一席之地。正如哲学家洛克伍德说，我们会有这种感觉，“因为我们本能地认为存在──充满精力的存在，就等于当下的存在，就在现在这个时刻”。

在现代物理学不分时制、没有“现在”的区块宇宙中，可以用悲惨程度大幅降低的新观点来看待死亡。过去的事件就跟现在的事件一样真实，所以已经“结束”的生命就某种意义而言，只是换了位置，换到“区块”上比较遥远的区域。（从这个观点来看，生命的“结束”的确就像亚利桑那州的领域在新墨西哥州的边界上“结束”，但亚利桑那州并没有“去”其他地方。）洛克伍德写道：“从这个观点看来，不活在现在但活在过去或未来的人，感觉就像不活在这里但活在其他地方的人一样真实存在……在这个观点中，死亡并非删除某人的存在，而仅仅是一次事件，标记此人朝着一个（类时间的）时空方向延伸的最终界限，就像人的皮肤标记其他（类空间的）方向的最终界限。”如果我们认真地从这个观点来思考，所爱的人即使已经去世，也应该把他当成“依然”活着，就像住在遥远国度的朋友也还活着，只是联络不到（在没有电话和电子邮件等工具的情况下）。洛克伍德说：“爱因斯坦鼓励我们像对待活在远方的人一样来看待活在过去的人，他们存在于时空中，跟我们一样有血有肉。只是他们跟我们住在连续体的不同地带内。”

我们前面看过巴伯带着他的“柏拉图尼亚”概念，张开双臂拥抱这种类型的“永生不死”（如果可以用这四个字形容的话），用“柏拉图尼亚”这种新观念来描绘时间，每个“现在”都独立存在。到英国的南纽英顿拜访他时，我问他恺撒大帝是否就跟我们两人一样还活在这个世界上，他给我肯定的答案。我告诉他我不同意，恺撒已经死了，他的肉体早就化为尘土，结束了。有宗教信仰的人或许会说他的“灵”还在云云，但他并不像我们说的“活着”一样活在世界上。

巴伯不为所动。

我怀疑我们只是字面上出现歧义，我问他是否相信恺撒大帝“真的活着”。我活着，因为我具备某些特质，那恺撒也有这些特质吗？巴伯回答：“我认为没错。我也会说，你跟我在生命的早期阶段就跟现在的你我一样，都活着。”

我很想相信他的话。

我费力想象，十二岁的我依然“存在”，满腔热情地把玩他的（我的）第一台相机，那是慷慨的祖父给的一台柯达胶卷机……或是二十岁的我苦苦挣扎读懂第四年的量子物理学，一大堆晦涩的等式……但我做不到，“他们”都消失了，“我”却还在这里。要想象五十岁或六十岁的我也“存在”，更是难上加难，他们的时代会来临（我希望会），但似乎只有“我”存在于“现在”。

别忘了，如果我们采纳巴伯的见解──所有过去和未来的“你”都跟现在正在读这个句子的“你”一样真实──那么曾经活过的人现在仍“活着”。根据这个看法，希特勒和斯大林也跟其他人一样“活着”。这让人感觉利弊难断，想到所爱的人仍活着（在时空或柏拉图尼亚的某处，就是“没有现在”的场所中），似乎就能得到安慰，但想到带来苦难不公的情况仍在进行中，一定会让我们觉得痛苦。巴伯不喜欢说某件事“仍在进行中”“正在发生”或“正在继续”这样的说法，因为这么说就会给人时间正在流动的错觉。他比较喜欢说这些事件“存在”。

这个关于存在的观点很值得注意，也实在很难懂。我想我懂了，但是不一定会赞同。巴伯呢？当然他一定也跟其他人一样，感觉得到时间流动和流逝，不是吗？

没错，他承认在这方面他跟其他人一样。巴伯说：“我的生活跟其他人没什么两样。”尽管如此，怀有这些脱离正统的时间观点，或许也对他有益。“我觉得我的理论让我比很多人更珍惜每一个刹那”，他告诉我，他不在乎要跟别人斗个你死我活。的确，很难找到像南纽英顿这样远离都市尘嚣的地方。如果（起码在英格兰）要找个避开现代社会压力的住所，这里就是最好的选择。巴伯补充道：“我真的认为世界太美了，太有意思了。我要尽我所能品味一切。”

在加拿大多伦多谈时间

巴伯的想法脱离了主流，但他也有自己的追随者。至少他启发了新一代的物理学家，他们很敬佩巴伯能用新的方法思考古老的问题。

物理学家施莫林

位于多伦多滑铁卢的圆周研究所主要研究理论物理学，在这里工作的物理学家施莫林也是巴伯的追随者（我们在第六章简短地提过）。圆周研究所是独立的研究机构，离多伦多市区有一个小时的车程，施莫林就住在这里。他和其他人创造的“循环量子重力理论”，应该是他最出名的成就，他们提出这个理论来取代想要联合相对论和量子理论的弦论。循环量子重力理论指出，空间和时间必须量子化（跟彭罗斯的扭子理论一样）。根据施莫林的说法，“循环”这个词“源自理论中的一些计算结果牵涉到时空中标出的小循环”。我们甚至可以把空间（跟时间）当成这些循环组成的结果，这些循环小到几乎无法想象，直径约为10的负35次方 [4] 。

在那之后，大家都知道施莫林写了一本争议性很强的书《物理学的困惑》（2006年出版），很多人认为这本书在攻击弦论。施莫林在书中主张，弦论虽然感觉很有希望，但大肆宣传了几十年后，却无法提出成果。他也说，太多才华横溢的年轻物理学家放弃了其他的方法，纷纷走上弦论的道路。弦理论家听了当然不高兴了。（施莫林强调，他并不想用这本书攻击某些弦理论家。）

施莫林从哈佛大学取得博士学位，在耶鲁大学和宾州州立大学任教后，定居在加拿大的安大略省。他住在多伦多宁静的住宅区里，正好在皇后西街热闹的那一带和新兴的西皇后西街（找不到更好的名字给这个地带）中间。

施莫林告诉我，他非常敬重彭罗斯和巴伯。过去他曾说过，巴伯尤其是他心目中的“哲学导师”。他特别崇拜巴伯处理量子重力理论的方式。施莫林说，很多处理这个问题的人都给人“思绪松散”的感觉，而巴伯却“真的想得很透彻”。

但施莫林并没有全盘采纳这位英国学者“时间无干”的结论。施莫林不愿意承认所有的“现在”都具有同等的地位。这种做法完全地抽掉了时间的本质，剩下来的就不是我们所知的“时间”了。施莫林告诉我：“从哲学的角度来看，我相信时间真的是基本要素，这个想法挥之不去。时间是自然体验的基本要素，怎么可能不是宇宙的基础呢？”

52岁的施莫林顶着一头乱发，蓄着发白的胡须，戴着金属框眼镜，黑色羊毛衣袖子卷得高高的。我们坐在他家的大餐桌旁谈话，周围不断有人经过（也有动物），包括管家、施莫林15个月大的儿子小凯、名叫埃米莉的黑色大狗、偶尔帮忙遛狗的人（他的妻子是律师，这时正好不在家）。施莫林说：“我就待在这里，旁边有人来来去去。”

既然有人来来去去，又怎么能否决时间的流动呢？

我们啜饮热茶，配上巧克力碎屑饼干，施莫林说：“我们体验到的真实有如连续不断的时刻，很难归纳出特征，但不论在什么情况下，很清楚地都有‘现在’──虽然说起来会让人觉得很混淆，也有‘过去’和‘未来’。”

听起来还算合理，不久以前，这样的说法对我而言就是不证自明的真理，甚至可用显而易见来形容，现在听起来仍给我很真实的感觉。

“坐在这里聊天时，‘现在’一直更新，曾是‘现在’的东西就不再存在，”施莫林继续说，“这一定是最基本的。在体验真实时，也是最难磨灭的特征。”

换句话说，施莫林跟彭罗斯和巴伯一样，相信物理学对时间的钻研还不够。我们的理论虽然不错，却无法抓住时间本质的精华。

施莫林认为，时间（包括令人头痛的“流动”）太真实了，不能用幻觉来带过。因此巴伯“时间无干”世界的见解并不在他认同的范围内。

我告诉他我跟巴伯讨论过恺撒大帝究竟是死是活。施莫林说：“我不同意巴伯的说法。恺撒已经不存在了。”

有些物理学家把时间只定义成时钟测量的对象，再没有其他含义了，这听起来十分刺耳，也让施莫林很不满。或许就实证性定义而言也够了，但他说这也是“一种实证性借口。我在这方面并非实证主义者”。这种定义一来没考虑到因果关系，更不用说大家常提到的流动 [5] 。

施莫林在《宇宙的生命》（1997年出版）这本书中表达了类似的关切：“就个人而言，面对一个没有变化和时间的世界，我的想象力就消散了。我不知道人类心智所能想象的事物有没有真正的限制，但光想这个问题就会让我更靠近自己的心智中能用语言或其他方法来设想的界限。”

我提出另一个建议，时间的流动是心智的属性，不是宇宙的特质。要解释时间的流动，最后仍将走上哲学的道路。

他说：“这一点也让我想了很久。我想不出来要用什么方法解释。”

早在爱因斯坦出现前，时间“流动”的概念就快要消失了。或许可以说伽利略、笛卡儿和牛顿的研究成果让这个概念开始腐坏。这三位科学革命的伟人踏出第一步，用几何学的方法描绘时间（但是牛顿在他著名的定义中也提到了“流动”）。从此以后，我们就很习惯时间是一条线的说法，可以画在图表上，表示空间中的方向。如果时间和空间放在不同的轴上并形成正确的角度，我们就可以画另一条线来表示两者之间的关系。例如，我们可以绘图表示正在加速的车子已经通过的距离和用掉的时间 [6] 。把这个问题交给小学生，大多数人都画得出来。不过这种表现方式虽然有帮助，但学生画的线自然不会“流动”，也无法帮助我们了解这种流动。

在第六章我们已经看过这种思考方式会带我们走向何方──我们可以想象宇宙是“块状”，里面有很多同样重要的“现在”。没有“流动”把“现在”从未来运送到现在，或从现在运送到过去。当然也没有包罗一切的“现在”能够联合所有人。

这确实就像爱因斯坦用狭义和广义相对论引领我们的方向，显示出空间和时间实际上的联系有多么密切。正如前面说过的，在相对论中，普遍的“现在”消失了。相反，每个人都有自己的“现在”，而且我的就像你的一样好。相对论摧毁了我们对“宇宙时钟”的期望，也有可能让“过去”和“未来”变得四分五裂。“过去”和“未来”这两个词也变得跟“现在”一样主观吗？

很多物理学家会给出肯定的答案，情况就是这样。我们在第八章提过的物理学家多伊奇属于这一派。他跟彭罗斯及巴伯都坚定地相信时间“流动”只发生在人类的脑袋里。他在1997年出版的《现实的结构》中写道：“我们无法体验时间的流动或流逝。我们只体验到现在的感知和现在所记得的过去的感知之间有什么差异。我们把这些差异诠释成宇宙随着时间变化的证据，这也没错。但我们也把这些差异诠释成我们的意识或现在或某物在时间中移动的证据，这就不对了。”

去掉时间的“流动”后，多伊奇坚持，“现在”的想法就跟“这里”的想法一样主观。在我和他对谈时，我提议我们画一条“时间线”，在上面标出年份……2006、2007、2008……都没有问题。然后我问他（我们见面时是2007年），我们不能画个箭头指向“2007”，然后贴上“现在”的标签吗？他说要加上警告才行：把某个点标成“现在”就像拿张地图把上面的某个点标成“这里”。根据他的解释，“这里”和“现在”等标签都只是参考，是相对的，不是绝对的。“如果拿一张世界地图，我可以在上面标一个‘这里’，就跟你（在时间在线上）标出‘现在’一模一样。但没有人会相信‘这里’真的属于这个世界，在世界上没有一个地方可以从客观的角度称之为‘这里’。”他补充说，“这不是什么秘密，只是语言的怪癖。”

他的逻辑没有破绽，但仍觉得有点怪。（虽然从2008年的立场回头看，2007年当然再也不是“现在”，但曾经是！我推测他的论点就是这样。）尽管如此，在你读到这句话时，难道不觉得当下这个时刻很特别吗？是否感觉比“这里”这个地点更特别呢？你目前在空间中的位置当然跟往东十米或往西十米不一样，虽然十米的差别很细微。如果想要的话，你可以坐到十米以外的地方。但讲到在时间中的位置时，感觉就别无选择了，你自然而然就在我们口中的“现在”这个时刻。

这些论点多伊奇都听过很多次，仍不为所动。他说：“‘这里’和‘现在’连提都不用提，你还是可以丝毫不漏地描述宇宙。”（如果我是《星际旅行》中的麦科伊博士，多伊奇是史波克先生，这时候我就该告诉他：“你的逻辑要更混乱点！”）

那么，为什么我们会有这种时间流动的感觉呢？多伊奇说：“我不觉得我们有这种感觉。我觉得时间流动的想法不是人类的感觉，而是我们从小就学会的说法。实际上这不是我们的世界观，只是我们说人类会有这种感觉。”

在离开前，我当然要问他恺撒到底是死是活。我告诉他，我觉得我才活着，恺撒已经死了。

他说：“好吧，你现在是这样没错。”

时间的风景

很多哲学家和物理学家（尤其是爱因斯坦之后的），似乎对现状都很满意，他们愿意接受比较静态的时间说法。1951年，美国哲学家威廉姆斯发表了影响深远的论文《时间推移之谜》，他讨论时间的方式就仿佛时间跟空间真的很类似。在时间中移动，就等于在空间中移动，反之亦然，他坚持两者都可以很简单地当作“有序的扩展”。我们感受到的“流动”就只是感觉，不是真实“存在”的某物。

城里来的游客问：“这条路不通往其他地方吗？”乡民说：“不，这条路就在这儿。”要说一条线会流动或景色“向西退去”，才能说时间会“流动”。也就是指有序地扩展。每个人通过时间就像篱笆前进通过农场：也就是说我们的存在和篱笆的存在分别会占据连续不断的顷刻和点。这就是推移，不是什么额外的东西。

哲学家帕特南也很满意现状：“我不相信时间还有其他的哲学问题，只有物理学的问题，要决定我们所在的四维连续体有什么样的物理几何。”德国数学家韦尔也说：“客观的世界就这么存在，不需要从无到有。只有当我的意念定睛凝望，在随着时间不断变化的空间中，世界的某一块如飞逝的幻象般苏醒过来，顺着肉体的生命线往上爬。”

好吧，这个解释够清楚了吗？时间不会流动，反而是“有序地扩展”、属于四维的连续体、某人的“意念定睛凝望”的产物。我必须遏止冲动，免得讽刺的话脱口而出，毕竟这是目前物理学和哲学的主流立场。不论时间是什么，并不是会流动的东西。可以说这是我们无中生有的特质，并非原本就“存在”的东西。

但我仍想要抗拒。时间就像风景“向西退去”般流动？根本不是！风景会待在原处，时间的表现却不一样，它会把我带着走，或者从我身旁匆匆通过。时间这片风景实在很奇特，强迫所有人紧紧跟在后面，不准停下来也不准回头。在我的想象中，时间几乎就等同于一片风景。

伽利略的名言是，大自然就写在数学的语言里。但施莫林指出，数字和线条等数学的实体习惯上就静止不动，似乎冻结住了。最近在纽约的物理学研讨会上，他说：“我们体验到的时间中的世界就像一连串的时刻。但当我们用数学表示世界时，这些时刻就消失了。”在《物理学的困惑》中，他断言：“我们必须找到解冻时间的方法来表示时间，但不会把时间变成空间。我不知道该怎么做。我无法想出用来表达世界的数学运算，而那世界并非冻结在永恒中。”

他也指出，这个问题经过好几个世纪才形成，一有新的理论出来（包括20世纪的重大突破），我们反而更加贴近本质上就大错特错的时间概念。他写道：“我的感觉愈来愈强烈，量子理论和广义相对论都把时间的本质弄错了，错得很离谱。把这两个理论结合还不够。还有更深的问题，或许要回归到物理学的源头。”

施莫林并不孤单。比方说，兰德尔也提过她的疑虑，最近她说：“我希望时间是幻觉，但不巧的是感觉非常真实。”就连戴维斯也有不确定的时候。虽然写了很多论文支持没有时制的时间观点（他用旋转椅子的说法当作比拟），他也不确定我们形容时间的方法是否少了什么。在《关于时间》的结尾，他说：

身为物理学家，我自然明白直觉很有可能引领我们偏离正道……但我也是人，我发现自己没办法放弃我感觉到的时间流动，和不断移动的现在。这是我最基本的现实经验，要说只是幻觉或错觉，反而让我心生厌恶。我觉得时间的某个面向非常重要，但到目前为止，我们在描述有形的宇宙时都忽略了这一面。

关于时间的本质我们有很多急欲解答的问题，或许再过几十年就会有更满意的答案出现。物理学家认为我们所认识的“时间”来自量子泡沫，或振动的弦，或鼓动的膜，或当大爆炸发生时的某物。好吧，但别忘了，我们需要更详细的信息。时间到底如何出现，又如何拥有我们所认定的这些特质？我也要问心理学家和哲学家：如果时间的确是幻觉，是心智和大脑产生的构想，也请告诉我们，这幻觉从何而来？

漫步普林斯顿

在一个世纪前掀起旋风、颠覆人类时间看法的爱因斯坦去美国度假兼工作时，纳粹取得了德国的政权。那时他已经是举世公认的当代最杰出的科学家。他的血统和命运也让他成为全世界最出名的犹太人。纳粹来不及阻止他逃脱，只得搜查他在柏林郊外的住所，查封他的财产。之后，支持纳粹的人还公开焚毁他的著作。爱因斯坦的照片也列在纳粹的头号通缉犯名单里，下面写了“尚未处以绞刑”的字样。

爱因斯坦立刻宣布放弃德国的公民身份，从此再也没踏上祖国的土地一步。他写了无数的书信帮助其他还在德国的犹太裔科学家顺利取得签证，救了不少人的命。1933年，美国新泽西州的普林斯顿大学成立了高等研究院，爱因斯坦应聘到这里工作。他定居在默塞街一栋古老的木制房屋里，在充满乡村风味的普林斯顿享受隐居的生活。他去世前在这里住了22年。

普林斯顿在美国算是高档的大学城，自爱因斯坦去世后过了五十多年，小镇风貌依旧（有可能多了一两家星巴克咖啡店）。但跟爱因斯坦年少时居住的波恩相比，为这位举世闻名的居民举办的庆祝活动实在很少。爱因斯坦的房子如他所愿并未改建成纪念馆，目前依然是私人住所。（这栋房子仍散发出天才的味道，住在此处的经济学家最近拿到了诺贝尔奖。）当地的历史学会在纳苏街经营一家小小的博物馆，陈列了不少跟爱因斯坦有关的收藏物，在2005年──爱因斯坦奇迹年的百年纪念日，当地的公民团体在市政厅前竖立了这位科学家的半身铜像。

爱因斯坦的相对论带给世人全新的时间观和空间观，他虽然清楚这一点，却也觉得有些不自在。也有人跟他陷入同样的挣扎，到了晚年，他常跟杰出的奥地利逻辑学家哥德尔（1906—1978年）对话，这对他的想法有很重要的影响。哥德尔跟爱因斯坦一样逃离了纳粹的魔掌，搭乘火车穿越西伯利亚后，他乘船到达美国，1940年跟爱因斯坦一起在高等研究院工作。他们两人很快就变成了好朋友。在每天来回研究院的路上，他们缓步而行，穿过普林斯顿住宅区覆盖着茂密树荫的街道，用德语讨论宇宙的奥秘，不知道这是否会引起路人的注意，抑或根本没人注意到？

哲学家尤格拉的最新著作《没有时间的世界》（2005年出版）以两人的友谊为主题，引起了学界的广泛关注。在数学界，哥德尔最出名的理论就是“不完备定理”。这个定理是他在20世纪30年代早期发展出来的一组证据，为数学系统可及的范围设下了基本的限制。但尤格拉指出，哥德尔也想过物理问题，比如说爱因斯坦的广义相对论有什么含义。他仔细考虑过广义相对论描述的“旋转宇宙”，也率先对“封闭式类时间曲线”和时光旅行带来的问题提出疑虑。受到相对论影响的时间概念似乎最让他觉得困扰。哥德尔和爱因斯坦都不明白主观的“现在”是什么意思──假设“现在”只是另一个“这里”。但哥德尔比爱因斯坦更钻牛角尖，他跟巴门尼德和哲学家麦克塔加特一样，得出的结论是时间本身属于幻觉。

爱因斯坦从未完全摒除时间的真实性，但他仍无法接受时间不会“流动”的观念。去掉了“宇宙时钟”，不能用清楚明确的方法标出每一个“现在”。宇宙中所有的事件都有过去和未来，但没有“绝对的”过去和未来。在描述20世纪中这一对伟大的思想家时，字里行间看得出尤格拉的忧虑。过去和未来真能和现在一样真实吗？

现在正在思索明天早餐要吃什么的同时，我应该继续想昨天的早餐该点什么吗？还是两次点餐都该取消，因为餐点早就来了？由于现在跟过去一样不真实，我现在正躺在我去年去过的沙滩上，为什么我只能认同现在在寒风中颤抖的“我”？……时间中有无数的时刻，也有无数的我，果真如此，他们都是我，还只是不完整的我？

难题来了——在相对论中，所有的时刻都有同等的地位，但人性却认为所有的时刻并不平等。笛卡儿说“我思故我在”，他其实也可以说：“我思，故我现在在。”跟人类经验有关的事物都让我们不得不特别在意当下这个时刻。

去掉“现在”的特殊地位，时间的长河就会变成块状，每一个部分看起来都一样。或许这时我们会想到巴伯无穷无尽的现在，还有无穷无尽的巴伯。还有麦克塔加特的“B系列”，其中有很多事件，但没有事件“发生”。“再来”则是多伊奇的主张，“现在”只是主观的标签。爱因斯坦革命性的理论就把我们带到这里吗？如果答案是肯定的，为什么我们觉得自己只占据了独一无二的现在？如果彭罗斯的说法没错，能了解人类的意识时，我们就有答案了吗？难怪尤格拉衷心盼望能够知道五十年前，爱因斯坦和哥德尔傍晚时分在空气清新的普林斯顿漫步时究竟聊了什么。他写道：“当大众（或许不包含所有的人）的心理坚持一个信念，也就是从时间的角度来说，相信宇宙和爱因斯坦博士之间一切都很顺利，等于是把自信心寄托在错误的地方。一切其实都不顺利。”

来听听爱因斯坦自己关于这些问题有什么说法，应该很有趣。很可惜虽然爱因斯坦著作等身，题材广泛，不限于物理学，也涵盖了政治、人权、宗教等等，但他对于时间灭绝的想法却只能看到蛛丝马迹。我们在第七章看过，爱因斯坦提到“简单而主观地感觉到”时间的流动，这种感觉“让我们能够整理印象，判断某件事比较早发生，另一件事则比较晚”。另一个或许非常重要的线索来自生于德国的哲学家卡纳普（1891—1970年）。纳粹掌权后，卡纳普设法离开德国，在高等研究院与爱因斯坦短暂共事，然后移居到加州，接受加州大学洛杉矶分校的职位。在一篇自传性的论文中，卡纳普提到20世纪50年代早期他跟爱因斯坦的一次对话：

爱因斯坦曾说过，“现在”的问题令他非常困扰。他解释说，“现在”的经验是人类特有的，实质上跟过去及未来不一样，但这一重大的差异不属于物理学，也不可能用物理学解释。无法用科学来领会这种经验，他只得痛苦地放弃。

卡纳普接着说，物理学当然能够解释自然界中一切事件的结果，但要靠心理学才能解释“和时间有关的人类经验有何特别之处，包括他对过去、现在和未来的不同态度”。爱因斯坦听了表示接受，最后他对卡纳普说：“不落入科学领域的‘现在’才是重要的精华所在。”

内心充满怀疑的爱因斯坦如是说，至少他是这么反应的──理应全力支持自己所有理论的爱因斯坦，或许仍犹豫他的理论是否还有未尽之处。但作家和传记作者喜欢引述另外一段话，在每本跟爱因斯坦有关的书里，几乎都会出现这三句话。字字切中主题，感觉就像另一个人的声音，这个人出力创造了一个奇异的世界，或许出人意料的是，他听起来比真正的爱因斯坦对这个世界更有自信。这三句话来自爱因斯坦晚年写的一封信。之前和他在专利局一起工作的好友贝索过世了，爱因斯坦写了慰问信给他的家人，日期是1955年3月21日，不到一个月后爱因斯坦也离开了这个世界。

“现在，他比我早一步离开这个古怪的世界。”爱因斯坦如此描述好友的去世，“这不代表什么。我们是有信念的物理学家，过去、现在和未来的差别只是挥之不去的幻觉。”

注解：

[1] 　有两本趣味盎然的书在2006年出版，都探讨这个想法，分别是塞费的《解读宇宙密码》和劳埃德的《宇宙的设计》。

[2] 　哈特尔点出言外之意，我们碰到的外星人或许会有跟人类一样的时间观念，“也有过去、现在和未来的概念，以及时间流动的想法”。

[3] 　实数不光是整数，还有整数之间无限多的分数，包括像圆周率π这种“无理”数。

[4] 　在《宇宙的构造》中，格林恩总结与之对抗的理论如下：“一言以蔽之，弦理论家从小（量子理论）到大（重力理论），循环量子重力理论的支持者则从大（重力理论）到小（量子理论）。”比较这两种方法时，他说弦论的进展超前了。

[5] 　所谓的“实证主义”这种哲学立场提供了另一条“逃生通道”，实证主义以测量和观察的结果为焦点，并不想辨明“真实”。霍金就曾说过：“如果像我一样采取实证主义的立场，你就说不出时间到底是什么。你只能描述某种已经证明还不错的时间数学模型，指出这个模型能预测的东西。”

[6] 　一般标绘的方法是让图表的线向右上方走。也就是说，距离随着时间一起增加。如果车速固定，就会画出一条直线。

参考书目

我特别推荐标记*的文献，这些文献探讨关于时间本质的特定面向。我也推荐标记*（T）的文献，不过这些文献包含一些技术性内容，可能较适合有物理科学背景的读者。

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目录

1　邂逅

2　有个人可以倚靠

3　载重之牲畜

4　仔细考虑

5　直言说出

6　数字审判

7　上市场去

8　极乐之境

9　命中注定

10　一鸟在手

11　除此之外

12　循环论证

13　友谊无边

14　一个永恒的事实

15　整齐收好

16　策划方针

17　苹果与蚂蚁

18　危险珍珠

19　针鱼/水手的抉择

20　十的力量

21　出现在墙上的预兆

22　一半又一半

23　都有关系

24　我找到了！

25　面试开始

26　值得一书

27　历史正在创造进行中

28　错谬的希望

29　独力成功

30　三物以类聚

31　白纸黑字

32　妥协斡旋

33　看法完全一致

34　生命与爱的题目

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1 　邂逅

从撒马拉赴巴格达途中，我与一位陌生旅人的有趣邂逅。

奉普慈特慈安拉之名！

我的名字是哈拿克·塔德·马伊阿。有一回，我从底格里斯河岸边的名城撒马拉出游归来，正随着胯下骆驼的缓慢步伐，一步步返回巴格达，却看见路旁有位旅人，衣衫简朴，坐在一块粗糙的大石上。他显然是因为旅途劳顿，在那里稍作休息。

我正要开口问安，略尽旅人路上相遇应有的礼貌形式，没想到对方竟站起身来，还恭谨有礼地吐出一串数字，令我大吃一惊：“一百四十二万三千七百四十五。”然后他便迅速坐下，陷入静默，两只手扶着头，似乎完全沉浸在深思冥想之中。我在一段距离外停住骆驼的脚步，站在那里盯着他看，仿佛注目一座见证遥远传奇年代的历史巨碑。

过了片刻，那人又站起来，用清晰、慎重的声音，再喊出另一串同样不可思议的巨大数字：“两百三十二万一千八百六十六。”

这位奇异的陌生旅人，就这样突然起立、大声喊出百万之数、猛地坐下，来回重复了好几次。我实在按捺不住自己的好奇心，走上前去，以真主之名向他道了安，然后便问他：这些稀奇巨大的数目到底代表什么意思。

数数的人答道：“陌生人啊，你的好奇心虽然打断了我的安静思绪与计数，但是我并不介意。而且，既然你问得如此彬彬有礼，那么我也乐意满足你的期待。不过，还是先让我把自己的故事说给你听吧。”

于是，他便说出下面这个故事；而我，也忠实记录所听到的每一个字，好让您听得高兴。

2 　有个人可以倚靠

在这一章里，巴睿弥智·撒米尔，我们这位数数的人，述说了他自身的故事。本章也记述我如何亲眼目睹他的运算奇才，我们又如何成为同行旅伴。

“我名叫巴睿弥智·撒米尔，生于波斯。我的家乡是一处小村落库依，长年笼罩在亚拉腊山巨大的山影之下。小小年纪我就开始工作，为喀马他一位富家老爷放羊。

“每天第一道日光绽放，我就得带着大批羊群出去吃草，夜幕降临之前，又必须把它们赶回羊圈。我最怕的就是小羊走失，自己会受到严厉责罚。所以一天当中，常常把羊只来回数上好几遍。

“数来数去，我越数越好，有时只消瞥上一眼，就可以把一整批羊数得一只不差。为了练习，我又开始去数天上阵阵飞过的鸟儿。渐渐的，我培养出非常好的数数能力。于是我不断练习，翻新花样练习，数蚂蚁、数虫子、东数西数练习之下，几个月后我更神乎其技，竟然可以数出密密一窝蜂来。听起来很了不起，但比起我后来练成的其他更多本事，这根本只是小技。

“我那慷慨大度的主人，在两三处远地拥有庞大的绿洲枣子林。一听说我在数字上拥有这等异能，便命令我负责他名下枣实的买卖。我以堆为单位，一堆堆地细数；于是在枣树叶下，一数便几乎数了十年。我的好主人对我为他带来的丰厚进账很感满意，准了我四个月的假期。我现在就是正要前往巴格达探望亲友，同时也想一览这座名城壮丽的清真寺与豪华的宫殿。一路上，为避免浪费宝贵的光阴，我边走边练功，数着这一带的林木，还有树上芬芳的花朵，以及穿梭在林叶树丛间的飞鸟。”

说着，他指向近旁一株老无花果树，继续说道：“比方那棵树吧，共有284根枝丫。每根枝丫上平均有347片叶子，所以总数就很容易了：那棵树上，总共长了98548片叶子。如何，我的朋友？”

“太神奇了！”我惊奇不已，大叫：“简直难以置信！一个人竟能只看一眼，就可以数出树上有几根枝丫，园中有多少花朵。这本事，可以令任何人都发大财呢！！”

“你真这么认为？”撒米尔也惊呼道：“我从来没这么想过：数它几百万片叶子、几百万只蜜蜂，就可以数出很多钱来？但这株树上到底长了几根枝丫，或那群倏忽飞过天际的鸟儿全部共有几只，谁可能会对这些感兴趣呢？”

我解释给他听：“你这神奇的技能，可以施展到几万种不同的用途上去。比方在君士坦丁堡这种大帝都里，甚至在巴格达，你都可以为政府提供无价的功能。你可以帮他们数人口、数军队、数牲口。不论是国家资源、收成、税捐、日用商品、全国总资产，这些事物的数目的计算对你来说，一定都轻而易举。透过我的人脉关系——因为我正是巴格达人——我保证你不难在朝中找到个上好职位，为我们的哈里发穆他辛姆效力。或许，你甚至可以担任司库，或是为穆斯林君王当内务总官呢。”

数数的人答道：“如果真能如此，那我打定主意了，一定要上巴格达去。”

于是不再多说，他立刻爬上骆驼，坐到我的背后——因为我们总共就只有这么一头坐骑——然后我们便出发往那座灿烂辉煌的城池去了。就从这一刻起，乡间小路上偶然结识的两名陌生人，不但成为朋友，也变成无法分离的同行旅伴。

撒米尔个性开朗，相当健谈，年纪还很轻（不到26岁），聪慧灵活，对数字这门科学极具天分。即使是最小、最不起眼的事物，他也能从中推出一般人难以想象的模拟关系，充分展现他在数学上的敏锐能力。他也很会说故事，各种趣闻、轶事，配上他本来就很奇特、生动的谈话，越发多彩多姿。

可是有时候，他却一连几小时都不开口，深陷在完全无法穿透的静默之中，思索天文数字级的运算。遇到这种情况，我就尽量地抑制自己，努力不去打扰他，让他可以安静思考，使用他那无与伦比的聪明脑袋，沉潜在数学那晦涩幽深的奥秘之中，进行奇妙迷人的新发现。而数学，正是经由我们阿拉伯民族极力的开发、拓展，才达到如此境地。

3 　载重之牲畜

35头骆驼，如何才能平分给阿拉伯三兄弟呢？数数的人巴睿弥智·撒米尔展现惊人功力，解决了这个显然无解的除法分配问题，不但令三名原本争执不下的三兄弟大为满意，更为我们俩人带来意想不到的收获。

我们走了好几个钟头，都不曾停下来休息。然后就在这个时候，遇上了一件有趣的事，非常值得一述。我的旅伴撒米尔不负其“代数高手”盛名，在这件事上好好地发挥了他的奇才。

在一家破旧半倒的客栈附近，我们看见三名男子，正站在一批骆驼旁激烈争执。三人不断做出狂乱的动作与手势，彼此叫嚣、激辩，愤怒的叫声传入我们耳中：

“哪有这种事！”

“这简直是抢劫！”

“我绝对没办法同意！”

聪敏的撒米尔问他们到底在吵什么。

最年长的那位回答：“我们是三兄弟，继承了35头骆驼。父亲的遗嘱明白指示：半数给我，⅓给大弟哈米德，给小弟哈林姆。可是我们不晓得如何作成这项除法的分配，任何一个人提出的建议，另外两人都有意见。我们试想了很多分法，却没有一种方式令大家都能接受。你想想看，35的一半是17½，而⅓和呢，同样也是无论怎么除，都没法除得整数。我们怎么可能照父亲的遗愿而分呢？”

“非常简单，”数数的人答道，“我保证可以帮你们公平地分配妥当。可是首先，请让我将我和我友人骑的这头骆驼，加进你们的35头里去。多亏有这头优秀牲畜，在这个节骨眼上刚好把我们带到这里来。”

我一听，马上开口拦阻。

“这简直开玩笑，我决不能答应这种疯狂的事。没了骆驼，怎么继续走完我们的行程？”

撒米尔低声回我：“别担心，我的巴格达友人。我很清楚自己在做什么。来，把你的骆驼给我，你就等着看结果吧。”

他的语气带着如此自信，因此我毫不犹疑，立刻把我那头漂亮的阿美交了出去。三兄弟待分的骆驼群里，于是又多加了一头。

撒米尔宣布：“各位，我现在要进行一场公平又正确无误的分配。你们大家都瞧见了，现在一共有36头骆驼。”

他转向三兄弟中的老大，说：“你本来应该得到35头的一半——也就是17½。现在你却会得到36的半数——也就是18头。你应该没有什么抱怨了吧。因为这种分法，你还多得了呢。”

接着他又转向老二，说：“你呢，哈米德，本来该得到⅓——也就是11头又带点零头。好，现在你却可以有36的三分之一——也就是12头。你也不能抗议不公了吧，因为这样一分，你反而多得了呢。”

最后他对老幺说：“至于你，小哈林姆，根据你父亲的遗愿，你本来该继承35的，也就是3头加上另外不到1头的骆驼。现在我反而要分给你35的，也就是4头。你大大得了好处，因此该感激我呢。”

然后，他极具信心地做出结论：“这个皆大欢喜的分法，人人得利，老大得了18头，老二得12头，老幺4头。18加12加4，合起来是34。因此36头骆驼剩下2头。其中一只，你们也知道，原本就属于我这位巴格达的友人。而另一头呢，理所当然应该归给在下，因为我为你们解决了这么复杂的遗产分配难题，令大家都很满意。”“陌生客啊，你真是最聪慧的人！”三兄弟中的老大惊叹道，“我们接纳你的解决方式，我们完全相信，这个法子既公正又公平。”

聪敏的撒米尔，我们这位数数的人，便从那批极好的牲畜当中牵出一头，又把我原本的那头骆驼交还给我，说道：“好啦，我亲爱的朋友，现在你可以舒服又满意地骑着你的骆驼继续上路。我呢，也有自家的坐骑驮着我呢。”

于是我们便重拾旅程，向巴格达进发。

题解说明

◎35头骆驼

关于这35头骆驼，其实很简单。

根据题目规定，35头骆驼的遗产，必须以下列方式分给三个儿子：

老大继承一半，也就是17½头。

老二继承⅓，也就是12⅔头。

老幺继承，也就是3 头。

所以遵照立遗嘱人的这个心意分配，最后会剩下骆驼没分完，因为：

请注意老大、老二、老幺所得的三部分，总和加起来并不等于35，而是33⅛。

因此，会有余额。

而余额呢，则等于1 头骆驼。

这个分数：，等于½、⅓、三个分数之和，亦即先前三个除式所得的分数部分：½、⅔、，总数不足一。

也就是说，如果可以再多给老大½头骆驼，他就总共可得18头。再多给老二⅓头骆驼，他就总共可得12头。再多给老幺头骆驼，他就总共可得4头。每人都分得一个整数。

但是再请注意，即使三兄弟都再多得到不满一头的骆驼，最后还是会剩下一整头骆驼没分出去。

所以，怎样做才能达到这个皆大欢喜的目的呢？

上面这个增加持分的做法，前提是总数必须是36而非35头骆驼（也就是说，被除数要多加上1）。

但如果被除数真是36，最后会剩下2头、而不是1 头骆驼。

因此结论就出来了：立遗嘱人当初想错了。

一个整数的一半，再加上它的⅓，再加上它的，并不会等于原本的整数。

请看：

要令原本的整数变为完整，还差了。

这道题整数，原本是35头骆驼。35的，等于。也就是说，这个分数值等于1 。

因此以上除式，依照立遗嘱人的遗愿，会剩下一个余数1 。

我们的撒米尔发挥他的天才智慧，将未满一头的分配给三位继承人（于是每人都多得到一些），而多出来的那个整数，就留给他自己了。

4 　仔细考虑

我们在路上遇到一位负伤、饥饿的富有老爷。我们给了他8条面包，他也答应回报我们8枚金币。而这八枚金币，又是用何种令人称奇的方式分配的呢？撒米尔指出了三种分法：简单式、精确式、完美式。穆斯林大帝国的一名显赫高官，大大地称赞我们这位数数的人。

三天后的途中，接近一处小村庄斯巴，一片废墟中，我们看见地上趴着一名可怜的旅人，衣衫褴褛，而且一看就知道身受重伤，状况非常凄惨。我们连忙上前救起这个不幸的家伙，然后他也把自己的悲惨遭遇说给我们听。

他的名字是纳瑟耳，是巴格达城最富有的商贾之一。几天之前，他的大队商旅正从巴斯拉回程，准备前往赫列，却在半途遭到袭击，来者是一批波斯族沙漠牧民。车队众人几乎都惨死在这伙强盗手下，身为商队领队的纳瑟耳，躲在自家奴仆尸身之间的沙地逃得不死，奇迹般地保住了性命。

说完这段悲惨遭遇，他用颤抖的声音问我们：“请问两位，身上可带有什么吃食？我已经快饿死了。”

“我有3条面包。”我说。

“我有5条。”数数的人说。

“好极了，”富商老爷说，“我恳求二位把面包分给我吃。我会公平合理地回报。我答应一等我回到巴格达，就回赠8枚金币。”

我们答应了他的请求。

第二天黄昏时分，我们抵达了那座号称东方之珠的名城巴格达。正要穿越熙来攘往的热闹广场，我们的去路却被一支华丽的队伍挡住。只见众多随员之前，一骑当先，高踞漂亮的栗色马儿背上的，正是本朝高官玛勒夫大人。他一看见与我们同行的纳瑟耳老爷，立刻命令身后那支耀目的队伍停步，大声唤他：“发生了什么事，我的朋友？怎么你一身褴褛地到了巴格达城，还同两名陌生人走在一起？”

可怜的纳瑟耳老爷把事情原原本本地告诉了他，并热情地赞颂我们。

“立刻把酬金付给那两位陌生人。”玛勒夫大人吩咐，从钱囊中取出8枚金币交给纳瑟耳，又说：“我要立刻带你进宫。因为我们的哈里发，众虔信者的捍卫者，一定想得知这个消息：这群强盗贝都人，竟然又做出这等伤天害理的事。而且就在堂堂哈里发辖地之内，攻击我们的友人，洗劫我们的商队。”

于是纳瑟耳对我们说：“在此向二位道别了，我的朋友。不过我要再次向你们表示感谢，并如先前承诺，回报你们的慷慨相助。”

他向数数的人说：“这是5枚金币，谢谢您拿出的5条面包。”

然后又对我说：“这是3枚，给您，我的巴格达友人，谢谢您的3条面包。”

非常出乎我意料之外，数数的人却恭敬地表示异议：“阁下！对不起，请容我说一句，这样的分配看来似乎简单明了，在数学上却不尽正确。我拿出5条面包，所以该分得7枚金币。我的朋友提供3条，所以只应得1枚。”

“以穆罕默德之名！”大人惊呼起来，显然对这状况非常感兴趣：“请问这位陌生客，怎么会提出这等可笑的分法？”

数数的人不慌不忙上前，向这位朝廷要员报告如下：

“且让在下为大人您说个分明：我的建议在数学上绝对无误。您瞧，旅途之中，每当我们感到肚子饿了，我便拿出一条面包，平分成3等份，我们每人各吃了1份。所以我的5条面包，总共分成了15份，对吧？我朋友的3条，又是9份，加起来一共是24份。我的15份中，我自己吃了8份，所以实际上我等于只贡献了7份。我朋友提供9份，但是他本身也吃了8份，因此他只贡献了1份。我提供的7份，加上我朋友的1份，一共8份，都给了纳瑟耳。所以我该得7枚金币，我朋友只得1枚，如此分配方属合理。”

玛勒夫大人盛赞数数的人，然后便下令该给他7枚金币，给我1枚。因为我们这位数学家提出的证明既合逻辑又极完美，全然无懈可击。

然而这个分法再公正，撒米尔显然还是不能满意。他转身向惊诧不已的大人阁下，继续又说：“这个分法，我7他1，虽然正如我所证明，在数学上可谓完美，但是在我们全能主的眼中却欠完美。”

说着，他又把金币收在一起，平均分成两堆，给我4枚，自己留下4枚。

“此人实在太不寻常！”大人宣布：“起先，他不肯接受五三的分配。然后提出证明，显示他自己有权利得到7枚，伙伴只得1枚。但是接下来，他竟然又把这些金币重新平分，将其中一半分给了他的伙伴。”

大人越说越热情：“以全能者之名！这位年轻人不但在算学上聪明敏捷，同时也是一位最美好又慷慨的友人。我要任命他担任我的秘书，今天就生效。”

数数的人答道：“大人，我注意到您刚才一共说了30个词语、125个字母，说出了我这辈子所听到的最高美誉。愿安拉永远祝福保佑您！”

吾友撒米尔的运算奇才，甚至及于对方所用的词语、字母。我们全体都对他的天资啧啧称奇。

5 　直言说出

我们前往金鹅旅舍投宿。途中，撒米尔进行天文数字级的运算，算出我们这一路行程到底说了多少个字，平均每分钟又说了几个字。并请看我们数数的人，如何解决另一难题。

与纳瑟耳与玛勒夫两位大人作别之后，我们便到苏莱曼清真寺区内一家小客栈金鹅旅舍投宿，并把坐骑卖给附近一位认识已久的骆驼夫。

前往客栈途中，我对撒米尔说：“你看，我的朋友，我说得没错吧。我先前不是说过吗，像你这么有才能的运算好手，轻而易举就可以在巴格达找到一份理想工作。瞧！你才刚到这里，就被聘为大人的秘书。现在你不用再回库依那个石头地里的可怜小村子了。”

数数的人答道：“虽然在此地我可能会发达又发财。但是有朝一日，我还是希望可以重返波斯，再见到我的家乡。一个人如果在外地寻得好运飞黄腾达，却忘了自己的祖国与儿时玩伴，就是个不知感恩的人。”

说着，他挽起我的手臂，又说：“我们一路同行，正好整整走了8天。这8天里，为了厘清想法或思索疑点，我总共说了414720个字。而八天时间，总加起来有11520分钟，所以我们可以算出全程之中，平均每分钟我说了36个字——也就是一小时说了2160个字。这表示我话说得很少，也意味着我很周到谨慎，不曾用无意义的言谈浪费你的时间。一个人如果过分安静、寡言少语，往往不讨人喜欢。但反之如果太过聒噪、废话连篇，也同样会引起同伴的厌烦不快。所以我们应该避免无谓的闲谈，但同时也不要惜言如金，因此而怠慢了彼此，反而不美。所以接下来，我要说一桩奇妙有趣的事儿给你听。”

略略停顿一下，数数的人便开始讲述：

“从前在波斯的德黑兰城，有位年老商人，他有三个儿子。一天，老先生把孩子都叫到身边，告诉他们说：‘谁能一整天不说一个无谓的字，我就奖赏他23枚金币。’

“夜幕来临，三个儿子回到年迈的父亲面前报到。老大说：‘父亲啊，我今天省却了很多无谓的字句。因此我想，可以配得父亲您答应的奖赏。您记得的，就是一共23枚金币。’

“接下来是老二，也走到父亲身边，亲吻他的双手，然后只说了‘晚安，父亲’，便不再多言。

“老幺呢，一个字也没说。就只走上前去，伸手摊掌向父亲索取奖赏。老商人观察了三个儿子的表现，开口说道：‘老大，一边向我走来，一边说着各种废话，打掉了我的注意力。老幺呢，又太简略。因此这个奖只归老二。老二说话合宜，又不啰唆；简单，却不做作。’”

故事说完了，撒米尔问我：“你觉得老先生对三个儿子的评断，公不公平？”

我没有回答。我想，最好还是不要和他讨论这23枚金币为妙。他老兄行事总是出人意表，能把任何事情都化为数字，成天就在那里计算平均值、解难破题。

一会儿，我们抵达了金鹅旅舍。客栈主人名叫老撒，以前曾为我父亲工作过。一见我，他就满面笑容地开心大叫：“安拉与你同在，小爷。老撒永远随时为您效劳。”

我请他给我开一间房，我的朋友巴睿弥智·撒米尔，大运算家、朝廷大官玛勒夫大人的秘书，也需要一间。

“这位先生是个数学家？”老撒问道，“那来得正是时候，可以帮我解脱伤脑筋的困境。我和一位珠宝商人起了争执，我们两人辩了很久，但就是解决不了问题。”

一听说店内有位大数学家光临，几个好奇的人聚拢过来。那位珠宝商也被请了出来，他表示，自己也非常想知道如何可以解决这个难题。

“争执起因为何？”撒米尔问。

“此人，”老撒说，指着珠宝商人，“是从叙利亚来的，到我们巴格达这里卖宝石。他承诺我，如果他可以用100个第纳尔（通行于某些中东、北非伊斯兰国家的货币单位）的价钱把宝石全部卖掉，就付我20个第纳尔的房钱。如果能卖到200，就付我35个第纳尔。结果兜售了几天之后，一共卖了140个第纳尔。根据我们的约定，他到底该欠我多少钱呢？”

“24½个第纳尔！”叙利亚商人喊道：“如果卖了两百，要付你35个第纳尔，以此类推，如果只卖了20个第纳尔——只有两百的十分之一——自然就只欠你3½个第纳尔了。可是你也很清楚，结果我把宝石一共卖了140个第纳尔。若我没算错，140是20的7倍。所以，如果我的宝石卖了20个第纳尔，我必须付你3½，那么现在卖了140个第纳尔，我欠你的数字不正是3½的7倍，也就是24½个第纳尔吗！”

珠宝商主张的比例：

200:35=140:x

x=（35×140）/200=24½

“不对不对！”老撒恼火地说：“照我的算法，应该是28个第纳尔。听好！如果卖了100个第纳尔，我可以得20，那么卖了140，自然该给我28个第纳尔了！！再清楚也不过！我算给你看！”

于是老撒开始说他的道理：“如果100个第纳尔，我该得20，那么每10个第纳尔——也就是100的 ——我该得20的，也就是2个第纳尔。因此，每一个10，该给我2，140总共是多少个10？14个。所以既然卖了140个第纳尔，14乘以2，该给我28个第纳尔才是，就像我刚才已经说过的。”

老撒主张的比例：

100:20=140:x

x=（20×140）/100=28

老撒算毕，中气十足地喊道：“我应该得到28个第纳尔！这个数才对！”

“冷静一下，冷静一下，各位朋友，”数数的人插嘴道，“大家应该安静地解决问题，稍微讲些礼数。仓促行事，只会引发怒气，造成错误。两位建议的解法都不对，我算给你们看。”

他对叙利亚商人说：“依照你们的约定，如果你的宝石可以卖到100个第纳尔，你，必须付20个第纳尔作为房钱。但如果卖到200，就要付35个第纳尔。因此，我们可以得等式如下：

“注意到了吗？售价差100，对应的房钱却只差15。这一点很清楚很透彻？”

“和骆驼奶一样清楚透彻。”两人都表同意。

我们的数学家继续说道：“售价增加100，房钱则增加15，那我问你们：‘现在售价只增40，房钱应增多少？’先假定相差20，也就是100的，那么房钱应提高3个第纳尔，因为15的是3。既然现在相差40，是20的两倍，那么房钱就应该多加6个第纳尔。因此，全部宝石卖了140个第纳尔，房钱的账单是26个第纳尔。”

撒米尔提出的比例：

100:15=40:x

x=（15×40）/100=6

“各位朋友，即使是表面最简单的数目，也能令最智慧的人眼花缭乱。甚至连那些看来完美无瑕的除法，有时其中也难免暗藏谬误。但是正由于运算这件事莫测难定，数学家的学术威望才如此不容否定。总之根据双方约定，这位先生必须付26个第纳尔，而不是他原先以为的24½。此外，这个问题虽然最后获得解决，却仍剩下一点小异，不能随便略过。这个小异的大小，我无法用数目加以表达。”

“这位先生说得对，”叙利亚商人爽快地同意，“我看出我的算法错了。”

然后他毫不迟疑，立刻从袋中掏出26个第纳尔交给老撒，同时还送给撒米尔一只嵌了深色宝石的美丽金指环，向他表示由衷感谢。客栈中所有在场的人，也都非常钦佩我们这位数数人的智慧。

题解说明

◎珠宝商与房钱

这个题目的难处，在于下列本质，其实不难了解：

——在旅舍房钱与珠宝进账之间，并没有一定比例。请看：

如果珠宝商的珠宝卖得100，就得付20块房钱。如果卖了200，房钱却是35而非40。

显然，这题目的因子之间缺乏一定的固定比例。

照理，依合理的逻辑思路，比例应该是这样的：

卖到100——房钱20

卖到200——房钱40

但是两人的约定却不是这样，而是：

卖到100——房钱20

卖到200——房钱35

遵照这个比例关系，现在卖价为140，房钱到底应付多少，就得使用一种称为“插代递补”（interpolation）的方式计算。

6 　数字审判

本章记述我们前去拜望玛勒夫大人时，在他府邸发生的状况。在那里我们遇见一位诗人，他不相信数字运算的神奇力量。数数的人当场示范，以独具创意的方式算出一支大型商队的骆驼总数。而未婚妻的年纪，又和骆驼的耳朵有什么关系呢？撒米尔发现了“二次方友谊”，又谈讲所罗门王之事。

第二次祈祷的时辰过后，我们便从金鹅旅舍出门，匆匆赶到哈里发朝中大员玛勒夫大人府上。一走进他的府邸，富丽的景象就令我目瞪口呆。

我们通过沉重的大铁门，由一名身材高大、两臂箍着金环的奴隶领路，走下一条狭窄的廊道，进入金碧辉煌的内花园。园子陈设高雅，两行橘子树密叶遮荫。园四周设有多道门，想来其中几扇必定通往后宫女眷所居的闺室。几名异教外邦女奴正在花圃丛间采花，一看见我们，便立刻飞奔逃开，躲藏到柱子后面。从这处优雅园林，我们又通过一堵高墙窄门，来到了户外大露台，一座瓷砖铺砌的精美喷泉矗立中央，三个喷口溅涌出三道弧形水花，在阳光下闪烁跳跃。

我们继续跟在戴着金臂环的奴隶身后，穿过露台，这才进入正邸。然后又走过一系列各式厅堂，墙上悬挂着银线流苏壁毯，布置得富丽堂皇。最后终于抵达玛拉夫大人所在的厅堂，只见大人阁下倚在几张舒适的大垫上，正和两位友人交谈。

我认出其中一位，正是与我们一同走过沙漠的旅伴纳瑟耳老爷。另一人是个圆脸小个子，神情和善，一络胡须稍带灰白，衣着讲究，佩着一枚半边金黄、半边色如暗铜的矩形大奖章。

玛勒夫大人非常亲切地接见了我们，然后便转身向那位佩戴饰章的友人笑着说：“亲爱的大诗人，这就是那位大运算家，他身旁的年轻人则是我们巴格达的公民。他两人是在路上巧遇，当时他正在安拉的道路上漫步。”

我们向众位尊贵的老爷们深深致意问安。原来他身旁的贵客是有名的诗人爱以兹德·阿布都·哈密德，也是我们哈里发穆他辛姆的密友。诗人身上佩戴的奇特奖章，正是由哈里发亲自颁发，奖赏他写的一首长篇诗，全诗三万零两百句，不曾用到半个阿拉伯喉音字母：kaf、lam、ayn。

“玛勒夫吾友，对于这位波斯运算家的奇技，我还真有些不能置信呢。”诗人大笑道：“其实只要是数字组合，里面都会有点诡，可称作代数之巧吧。我记得有位智者曾去见玛达德之子哈勒特王，自称可以从沙中看出命数来。王却这样反问他：‘你会做精确的数字运算吗？’智者听了一惊，还来不及恢复镇定，王又点头说：‘如果你不懂得精确运算，你所谓的法眼根本不值一文。但如果你的法眼全只是从运算得来，那也更没什么好信的。’我在印度也听过一句谚语：‘七倍地不要信任运算，百倍地不要信任数学家。’”

“既然如此，为消除这种不信任感，”大人建议，“我们不妨好好测验一下我们这位客人。”

边说，他边从垫上起身，轻轻拉起撒米尔的手臂，领他到大厅一处阳台。推开窗扇，户外又是个开放露台，此时一地站满了骆驼，上好的骆驼，全都是非常优良的品种。我注意到其中有两三只是蒙古来的白毛骆驼，还有一些是毛色洁净的卡利种。

大人说：“这是我昨天刚买下的一批上好骆驼，打算当作礼物送给我未婚妻的父亲。我想知道到底总共有几只。你能告诉我吗？”

为了让这场测试更为有趣，大人还低声把答案说给他的诗人朋友听。我可吓坏了，这么多骆驼！而且一直在场中走来走去绕动不停。要是我朋友算错了一两只，那我们这一趟拜访就要倒霉，倒大霉了。

可是撒米尔把眼睛一瞥，望向那群挪动不安的牲畜，就立刻答道：“根据我的计算，大人哪，场中一共有257头骆驼。”

“正是！完全正确！”大人惊呼肯定，“257头骆驼！我的安拉！”

“你怎么办到的？怎么能这么迅速，又这么精确地算出来？”诗人惊异若狂，简直不敢相信，充满了好奇地问他。

“简单，”撒米尔向他解释，“若是一只只地去数，对我来说那太无趣了。所以我换了方法：先数蹄子，再算耳朵。加起来共是1541。然后再把这数字加上个1，除以6。所得的商数正是整数：257。”

“老天！”大人欣喜地惊叹，“真是太不同凡响了！谁能想到他竟会用耳朵和蹄子来算，只是为了有趣！”

“我得这么向您报告，”撒米尔又开口道，“计算之所以似乎很难，有时候是因为计算者不够小心，或者能力不足。我在库依的时候，有次正看守着主人家的羊群，忽然一整队蝴蝶漫天如云飞过。旁边有个牧羊人问我能不能数出共有几只。我回答：‘856。’他惊叫：‘856？’好像觉得这个数字太夸张了。那一刻我忽然察觉自己的确算错了，原来我数的不是蝴蝶，却是它们的翅膀。所以赶快除以2，才是正确答案。”

大人听了放声大笑，在我耳中听来犹如音乐一般美妙。

“这整件事，却有一点我怎么也想不通，”诗人又问，态度非常正经严肃，“我知道为什么除以6——4条腿，2只耳朵——可以得出骆驼的数目。但是我不懂，他为什么要把被除数1541再加上个1，然后才去除呢。”

“很简单，”撒米尔答道，“刚才数耳朵的时候，我注意到有只骆驼有个小缺陷：它少了1只耳朵。所以为了求得整数，必须加上个1。”

说完，他又转身问大人：“不知这样问是否太过冒昧，敢问大人您的未婚夫人今年贵庚？”

大人笑着回答：“没关系，没关系，爱丝达儿今年16岁。”接着又说，声音里带了一丝怀疑不解，“可是她的年纪，和我要致赠未来岳父的礼物，两者之间又有何关系？我一点也看不出来。”

“我只是想做个小小建议，”撒米尔答道，“如果您把那只有缺陷的骆驼拿掉，总数就变成256，正好是16的平方：16乘16。如此一来，您要送给未来岳父的这份礼物，在数学上就完满无比了：骆驼的数目，恰恰是您心爱人儿的年纪。而256这个数字，则是二次方的结果——古圣先贤认为具有象征意义——257却是质数。对相爱的人来说，二次平方具有的内涵关系正是一个吉兆。关于平方数字，还有个很有趣的传说。您愿意听听吗？”

“乐意之至，”大人回答，“故事好，又说得好，听起来是一大享受。我向来都等不及倾听这样好听的故事。”

这番赞美令数数的人很感荣幸，他优雅地微微侧头，开始说他的故事了：“这是一则关于所罗门王的故事，听说他为了表示自己的礼貌与智慧，特地送给未婚妻一盒珍珠，也就是示巴女王，美丽的贝尔金丝。总共是529颗珍珠，为什么是529呢？因为是23的平方——23乘23得529——女王芳龄23岁。而年轻少女爱丝达儿的256，又更胜过529。”

众人都有些吃惊地望着数数的人，他不慌不忙地继续说下去：“256这个3位数，若把2、5、6三个数字加起来，总合是13，13的平方是169。169的三个数字加起来又是16。因此13、16之间存在了一个奇妙的关系，我们称作二次方友数。如果数字会开口说话，我们可能会听到以下这样的对话：

“16对13说：‘我想向您聊表敬意，歌颂我们的友谊。我的平方是256，2、5、6，三个数字加起来正是13。’

“13则回复：‘多谢您的美意，亲爱的友人。我也要以同样的方式回答。您瞧我的平方呢，则是169，1、6、9，三个数字加起来刚好是16。’我想我已充分证明，256这个数字确是上上之选，远胜原先的257。”

“您这点子真是稀有，”大人答道，“我一定照办，虽然有人可能会说，我是从伟大的所罗门王那儿偷抄来的呢。”又转向诗人说，“我看此人的智慧，实在不下于他的比喻及编故事的能力。我当初决定聘他为秘书，实在是高明之举。”

“很抱歉，可是在下不得不诚实禀报，”撒米尔却突然说，“除非我朋友哈拿克·塔德·马伊阿也能出任职位，我才能恭敬地接受您的聘用。他现在没有工作，也没有资产。”

我吓了一大跳，同时却又因数数人的好心感到非常快慰。他竟以如此方式为我寻求大人阁下的有力荫庇。

“你的要求很公允，”大人答应了，“你的朋友可以担任书记，按级叙薪。”

我立刻接受这项任命，并向大人及好人儿撒米尔深表谢意。

7 　上市场去

我们到市场去。撒米尔与蓝色缠头巾。“4个4”一案。50个第纳尔的难题。撒米尔破解难题，获得一件非常美丽的礼物作为酬谢。

几天后的一日，我们在大人邸内办完当天公事，便结伴到巴格达市集和几处花园散心。那天下午市面特别热闹，因为几小时之前，好几批满载货物的商队刚从大马士革来到。商队抵达向来是当地一大盛事，因为只有趁这个机会才能见到其他国家生产的百货，并与异国商贾会面交谈。因此全城都异常活络，闹哄哄一片生气蓬勃。

比方说，鞋店大街就挤得根本进不去；街面、库房到处都堆满了一袋袋、一箱箱的新到商品。从大马士革来的外邦人士，在市集上随意闲逛，漫不经心地打量着一个个摊位。空气中充斥着熏香、麻叶、香料的浓郁气味。菜商争执不下，几乎动手开打，彼此叫嚣怒骂。

有个摩苏尔来的年轻吉他乐师，坐在一堆麻布袋上，哼唱一首悲哀、低吟的曲儿：

人生有什么好计较，
如果或好或坏，
尽量简简单单过活。
我的歌唱完了。

又见店主站在店门口，大声推销他们的商品，大肆发挥阿拉伯人丰沛的想象力，天花乱坠，吆喝吹嘘：

“看看这件衣裳！王公苏丹级的美衣！”

“来来来！香喷喷的香水，唤回你老婆的爱意！”

“快瞧，大爷啊，这鞋，这美丽的长袖大袍，精灵都推荐给天使穿呢！”

撒米尔看上一顶优雅鲜亮的蓝缠头巾，要价4个第纳尔。卖东西的是个驼子，叙利亚人。这家店铺也很特别，因为店内每件商品的价格都是4个第纳尔——不论是缠头巾、箱盒、短刃、手镯……一律同价。还挂了个牌子，上写：四个四。看到撒米尔想买这条缠头巾，我说：“这么大手笔买条头巾，我觉得太浪费了。我们手上只有一点钱，而且房钱还没付呢。”

“我感兴趣的并不是头巾，”撒米尔回道，“你没注意这家店名叫‘4个4’吗？巧合得不寻常，意义非凡。”

“巧合？为什么巧合？”

“这家店的名字，令我想起微积分里有个很奇妙的法则：利用4个4，可以得出任何数字。”

我还来不及问这是什么神秘法则，撒米尔就已经在地面散布的细沙上写了起来，一面解释给我听：

“你想要数字0吗？再简单也不过。就只要写：

44-44

你看这个算式里面有4个4，得数是0。

那数字1呢？最简单的方式是：

44除以44，商数为1。

你想看2？只要用4个4，写成：

两个分数的和，加起来正是2。3？更简单了。只要写：

请看被除数的和为12，除以4得3。所以数字3也可以由4个4求得。”

“那你怎么求出数字4呢？”我问。

“没有比这个更容易的了，”撒米尔解释道，“可以用好几种不同方式。比方下面这个算式：

你可以看出右半边的值为0，左半边是4。所以整个算式的和是4加0，就是你要的4。”

我看见那个叙利亚商人也在注意聆听撒米尔的说明，“4个4”的各种组合仿佛令他着迷了。

撒米尔继续说：“如果我要得到数字5——没问题。我们只要写：

这个分数的分子是20，下面的分母是4，除得的商是5。我们又用4个4写出了一个5。

接下来再向6出发，这个算式漂亮极了：

同样算式稍改一下，就给了我们一个7：

想得8也很容易：

4+4+4-4

9也很有意思：

现在我要写一个最优美的算式给你看：

等于10，也是用4个4组成。”

此时，一直在旁边毕恭毕敬安静聆听的驼背店主开口插话了：“这一路听下来，我知道您一定是位卓越的数学家。两年前我自己也遇到一道数学难题，如果您能为我解谜，我愿意免费奉送您想买的那条蓝色缠头巾。”

然后他开始陈述：“有一次，我借出去100个第纳尔，其中50个借给麦地那某位老爷，另外50个借给开罗来的一个商人。”

“大人分了四期还我的钱，分别如下：20、15、10、5，也就是

请看，这位朋友，已还的与尚欠的，两栏加起来都分别各为50。

开罗那位商人也分四次还钱，分别如下：

“请留意第一栏总数是50——和前一个情况相同——可是另一栏的和却是51了。显然不对，不可能会这样。可是我不晓得怎么解释，为什么第二种还钱法会出现这种差异。我知道自己并没有被骗，因为借出去的钱全收回来了。可是为什么第一个例子的总和是50，第二个例子的总和却变成51，怎么解释这个不同呢？”

“我的朋友，”撒米尔开口道，“我只需要用几句话就可以解释这个现象。因为债务的余额，其实和整笔债的数字没有任何关系。我们不妨先假定50个第纳尔是分三期偿还——第一期还10，第二期还5，第三期35。因此账单如下，连同余额：

这个例子里的第一栏总和仍是50，可是债务余额栏总和却如你所见，变成75了。其实，还可以是80、99、100、260、800，任何数字都有可能。完全只是出于巧合，才刚好也是50，就像第一位老爷的例子那样。或是像第二位商人那样，变成51。”

店主听懂了撒米尔的解释，两年来的困惑现在终于获得解决。满意的他也信守承诺，把那条售价4个第纳尔的蓝色缠头巾，送给我们这位数数的人。

题解说明

◎4个4

“4个4”题的定义如下：”利用4个4，加上数学符号，写成数学式以表示一特定的整数值。不可使用4之外的任何数字、字母，或内含字母的代数符号，如log、lim等等。”

在多位演算者的耐心努力之下，已经证实的确可依上述定义，写出从0到100的所有整数值。

有时必须用到阶乘符号（！），或开根号。可是立方根就无法使用，因为是3。

阶乘：一数之阶乘，系指由数字1开始，一直乘到此数本身的所有自然数相乘之积。

因此，4的阶乘表示法为4！，等于1乘以2乘以3再乘以4，也就是24。

利用四的阶乘，很容易就可以写出如下数学式：

4!+4!+(4/4)

其值为49，因为演算值等于24加24加1。

再看：

4!×4+(4/4)

值为97。

某些数学家的解法，多少有些勉强。比方其中一个法子就动用到两个平方根，一个除式，再加上一个加式，才表示出数值24。在此我们却另有一个比较简单的解法，只需使用阶乘即可：

4!+4(4-4)

有了24，再求25就很简单了：

25=4!+44-4

简直是漂亮到不行！这里出现了零这个幂数。我们知道：每个数值的零次方都等于1，因此这个数式的第二个部分值为1。

接下来26也就不难了：

26=4!+(4+4)/4

8 　极乐之境

撒米尔大谈各种几何图形。我们幸会纳瑟耳老爷，以及他的几位绵羊大户好友。撒米尔解决了21桶酒的问题。不见了的那枚第纳尔原来如此。

撒米尔收下叙利亚店主送的礼物，非常开心，把缠头巾翻来覆去仔细端详：“做得真是非常精致。可惜，只有一个瑕疵。其实可以很简单就避免了：这头巾的形状不完全合乎几何。”

我看着他，无法掩饰自己的惊讶。这人真是太特别了，任何普普通通的事物到了他的手里，都可以转变成和数学有关，甚至到了连缠头巾都可以由几何形状来考虑的地步。

“我想，你应该不会大惊小怪吧，吾友，”我聪明睿智的波斯友人说，“看到我竟然连缠头巾的形状，都希望可以合乎几何。事实上，这世界处处皆几何。想想看，各种寻常却完美的形体：花朵、树叶、无数动物，都展露美不胜收的对称之美，令人心灵愉悦。我再说一次，几何，无处不在：在太阳的圆盘里，在叶子里，在彩虹里，在蝴蝶、钻石、海星里，在最细小的沙粒之中。大自然内，充满了道不尽、说不完的几何模样。乌鸦缓缓飞过，漆黑的躯体在天际画出美妙线条。骆驼的血液在血管内循环流动，也服从严格的几何规则。哺乳动物之中，唯独骆驼背上有峰，而且是独特的椭圆形。掷石吓退入侵的胡狼，石子在空中描绘的那尾完美弧度，称作拋物线。蜂室是六角形的棱柱晶体，蜂儿充分利用这个几何形状，以最经济省料的方式筑巢。

“几何啊几何，无处不在。但是却要用眼去看，用头脑去了解，用心灵去欣赏。粗野的贝都人虽然看得到几何形状，却不了解几何；逊尼教派人了解几何，却不会欣赏几何。只有艺术家，才能看出这些形状的完美，体会到它们的美丽，更对它们的秩序、和谐称奇不已。真主是最伟大的几何家。他以几何排列天地。波斯有一种植物，是骆驼、绵羊最爱找来吃的食物，它的种子形状……”

于是如此这般，撒米尔热情迸发、滔滔不绝地谈着各形几何之美，从市集商场走到胜利桥，长长一段路，一路讲个不停，我静静地走在他身旁，听得入神，完全被他这篇奇妙畅论的开启迷住了。

穿过慕阿真方场（这里也叫作骆驼夫歇脚区），进入眼帘的是那间美丽的七苦客栈（典出天主教传统：圣母玛利亚为爱子有七个痛苦），天气炎热的时候，不论是贝都人或大马士革、摩苏尔等地来的旅人，都最爱光顾此店。这家店最出色的地方是它的内部中庭，夏天凉荫蔽日，四墙爬满五颜六色的利比亚山间植物，令人感到幽静恬适。

老旧的木头招牌上，写着“七苦”两个大字，贝都人的骆驼便系在一旁。撒米尔喃喃道：“好奇特！你有没有可能刚好认识这家客栈的老板呢？”

“我跟他很熟，”我答道，“这老板以前是从的黎波里来的绳子商人，他父亲曾在哈里发奎汶底下做事。大家叫他的黎波里人，都对他印象不错，因为他性子单纯开朗，心地又好。听说他曾随大队雇佣兵跨越沙漠去过苏丹国，后来从非洲带回五名奴隶，忠心耿耿地服侍他。回来之后，他就不再做绳索生意，带着五个奴隶改开了这家客栈。”

“不管有没有奴隶帮忙，”撒米尔答道，“这个人，这位的黎波里人士，都一定是个很有创意的人。他在店名里用上7这个数字，而7呢，不论对穆罕默德的门徒、基督的信徒、犹太人、拜偶像者、异教徒，或甚至不信者来说，都是一个圣数——由3和4这两个数字加成所得。3具有属天神性，4则象征属地的物质世界。其他有许多总和是7的事物，也因这层关系而有奇异联系：

地狱有7门，

一周有7天，

希腊有7贤，

地面有7海，

天上有7星，

世间有7奇。

他正滔滔不绝数说着他对这个圣数的奇特观察心得，我们的好友纳瑟耳在店门口出现，挥手示意我们上前。

“啊数数的人，刚好碰上你，真是太高兴了，”我们走上前去，纳瑟耳老爷笑着说道，“你来得真正凑巧，真是上天保佑，正好可以帮我也帮店里这三位朋友一个忙。”然后又语气带同情，却更兴致勃勃地说：“请进快请进！这事实在棘手。”

他领我们走下一道阴暗潮湿的走廊，来到光亮宜人的中庭，庭内摆了五六张圆桌。其中一张坐着三位旅人。

纳瑟耳老爷和数数的人走上前去，桌上三人抬起头来，向他们招呼问安。其中一位看来非常年轻，个子高挑修长，眼光清澈，头戴镶白边的鲜黄缠头巾，巾沿嵌了一颗美丽异常的祖母绿。另两位则矮壮结实，宽肩阔背，典型的非洲贝都人黝黑肤色。衣着、外貌，立刻显出三人的不同。他们正在密切讨论着什么事情，从手势看来，问题显然很令他们头痛，正是碰上难题时会有的姿态神情。

纳瑟耳老爷对他们说：“这就是那位知名的运算大师。”又对撒米尔说：“这三位是我的友人，都是大马士革的绵羊大户。他们现在面对一个问题，我从来没遇到过这种奇事。事情是这样的：他们合卖了一小批绵羊，在巴格达这里收到21桶好酒作为货款，桶子的大小、形状完全一样，但是：

7桶全满

7桶半满

7桶全空

“现在他们要平分这个货款，每人分到的桶数、酒量都要相同。桶子好分——每人七桶就成。但是我知道这酒却难分，因为不能把桶子打开，必须保留原状原封。现在就看你的了，数数的人，有没有可能为这问题找到满意的答案？”

撒米尔思索了两三分钟，答道：“要分这21桶酒，纳瑟耳老爷，其实用不着太复杂。我想建议一种最简单的分法。第一位分到：

3满桶

1半桶

3空桶

加起来一共是7桶。第二位分到：

2满桶

3半桶

2空桶

也是总共7桶。第三位也同样分到7桶，分配方式和第二位一样。所以根据在下的分配方式，三方都各分到七个桶子，分得的酒量也完全相同。假定一满桶的酒算两份，一个半桶的酒则是一份。那么根据以上分法，第一位可得：

2+2+2+1

总共是7个单位，其他两位则各得：

2+2+1+1+1

加起来也是7个单位。证明我刚才建议的分法既精确又公正。这问题看似复杂，其实用数字解决一点不难。”

大家听了都满心欢喜地接纳，不但大人如此，那三位大马士革人士也是如此。

如图以最简单的形式，如何平分21桶酒

“啊以安拉之名！”那位头饰祖母绿宝石的年轻人惊呼，“这位运算家简直太惊人了！一下子就解决了我们觉得难到不行的问题。”然后转身向店主和气地问：“的黎波里人，我们这桌的账是多少？”

“各位的账单，连同用餐，一共是30第纳尔。”店主答道。纳瑟耳想请客，可是大马士革来的三位哪里能肯，于是又起了一场小讨论，加上彼此恭维互相感谢的言辞，每个人都在同时发话。最后终于决定：纳瑟耳是客，一毛都不该付；那三位则每人出10个第纳尔。于是30个第纳尔便递给店主手下一名苏丹奴隶交付他的主人。一会儿之后，只见奴隶返回说道：“敝主人说他算错了。账单应该是25个第纳尔，所以吩咐我将这5第纳尔还给各位。”

“那位的黎波里人真是正直可敬。”纳瑟耳不禁赞道。同时拿回五个第纳尔，还给三人每人一枚。剩下两枚，他和大马士革三人迅速交换了个眼神，便将那两枚赏给服侍他们上菜的苏丹黑奴。

此时，那位头饰绿宝石的年轻人站起身，严肃地望向他的友人，说道：“拿出30第纳尔付账这件事，现在使我们面对了一个严重问题。”

“问题？我看不出有什么问题？”大人惊异地问。

“哦，很有问题，”大马士革人回道，“问题大着呢，虽然看来似乎可笑，其实很严肃：因为一个第纳尔就这么凭空消失了。想想看，我们每人付了9个第纳尔，所以九三二十七。再加上大人赏给黑奴的2枚，一共是29个第纳尔。可是我们原先一共付了30个第纳尔给的黎波里人，现在却只算出29枚的下落。那么，还有1个怎么不见了？那个第纳尔跑到哪儿去了？”

纳瑟耳思索了一会儿：“你说得没错，我的朋友。的确有问题。如果你们每人付了9个第纳尔，黑奴又拿去2个，加起来确实是29。原先的30个第纳尔有1个失踪了。怎么会这样？”

一直没作声的撒米尔，此时开口插嘴对大人说：“您弄错了，大人。这账不是这样算的。各位拿了30个第纳尔付账，其中25枚给了的黎波里人，找回3枚，2枚当了小费。没有任何一个第纳尔失踪，清清楚楚，毫无问题。付出去的27枚里面，的黎波里人拿到25，黑奴是2。”

大马士革人一听撒米尔的解释，立刻哄然大笑。“以先知大贤之名！”最年长的那位惊叹道：“这位数数的人果然解决了失踪的第纳尔之谜，也挽救了这家客栈的信誉。感谢归于安拉！”

题解说明

◎21个酒桶

这个题目另有一个解法，和书中提出的那个同样高明，解法如下：

第一位合伙人分得：1个整桶，5个半桶，1个空桶。

第二位合伙人分得：3个整桶，1个半桶，3个空桶。

第三位合伙人分得：3个整桶，1个半桶，3个空桶，和第二人同。

9 　命中注定

大诗人爱以兹德老爷亲自来见我们。星相家预言的奇异结果。女人与数学。撒米尔受邀教导一位少女学习数学。这位少女的奇特处境。撒米尔告诉我们他那位亦师亦友的师父：智者诺以林。

穆哈兰姆圣月（正月）最后一日，日落之时，知名的大诗人爱以兹德·阿布都·哈密德来客栈找我们。

“又有新问题需要解决吗，大人？”撒米尔笑问。

“你猜得没错，朋友！”我们的访客回道，“我面对着一个天大的难题。我有个女儿名叫泰拉辛蜜，非常聪慧又好学。小女出生的时候，我请教过一位有名的星相家，此人擅长观云占星预卜未来。他告诉我说，小女这一生，头18年会很幸福快乐，但一过18岁，就会遭遇一连串不幸打击。不过他也有个法子为她解厄。他说，泰拉辛蜜必须学习数字之道，以及其中各种运作。可是要精通数字与运算，就必须懂得大数学家花剌子模之学，也就是数学。所以我决定让小女学习微积分与几何，以保障她来日幸福。”

亲切和蔼的大人停顿一下，又继续说：“我在朝中寻过无数学者，可是没有一人能教导一个17岁的年轻姑娘学习几何。其中一位天资异禀的智者还劝我打消这个念头，甚至问我：‘你想教长颈鹿唱歌？’这位智慧的圣者更说：‘长颈鹿的声带根本没法发出任何声音。那只会浪费时间，白耗力气。长颈鹿永远都唱不出歌。女人的脑袋呢，同样也无法领会几何要义。这门独特的科学，乃是借助逻辑与比例之力，建立在理性推理、等式运用以及明确法则的应用之上。一个女孩子家，整天关在她爹爹的内宅里，怎么可能学会代数公式或几何原理呢？永远都没有可能！女人去学数学？还不如叫头大鲸鱼游到麦加去朝圣还更容易些呢！完全不可能的事，何必去尝试呢？如果厄运非临到不可，那也是安拉的旨意。’”

大人神情焦虑严肃，从垫上起身，在房中来回踱步，然后面色更凝重了：“听到这番话，我十分沮丧，心情非常低落。可是有天我去拜访吾友大商人纳瑟耳，却听见他不断热情赞誉某位新从波斯来到巴格达的运算家。我听到了那8条面包的故事，包括所有细节，留下极为深刻鲜明的印象。所以我四下去找这位数数的人，又特地前往玛勒夫府上去会他。在那里，我看见他别具一格地解快了257头骆驼的问题，把它们减成256头，简直叹为观止！您还记得吗？”

说着，大人举头严肃地望向我们数数的人，又说：“你，我阿拉伯的弟兄，能够教导小女，学会运算之道的精微吗？我愿意付任何数目的酬劳，只要你说出来。你也可以继续在玛勒夫大人手下任职，担任他的秘书。”

“最慷慨的大人啊，”撒米尔立刻应道，“我看不出有任何理由回绝您高贵的邀聘。不出几个月，我就能教会令千金有关代数的运作与几何的奥秘。那些大哲人实在错上加错，完全误估了女性的智力。只要在好好引导之下，女性的智慧绝对可以掌握科学的优美与奥秘。那些圣人智者不公平的看法，可以很容易被推翻。史上有太多例子证明，女人一样能在数学上有出色的表现。比方亚历山德拉就有过一位女子海巴夏，不但教导数以百计的人学习运算之道，还写了一篇文章评论代数鼻祖希腊人丢番图的著作，又分析那位与欧几里得、阿基米德并称的希腊数学家阿波罗尼奥斯难以解读的文本，更纠正了当时所使用的天文运算表。大人，不要怕也不要犹疑。令千金一定可以轻易理解毕达哥拉斯的学问，赞美安拉！接下来，就只需要把第一堂课的日期、时间排定就可以了。”

高贵的爱以兹德回道：“越快越好！泰拉辛蜜已经17岁了，我非常着急，想赶快把她从星相家预言的不幸中解脱出来。”又说：“不过，我要先向你提醒一声，有件细节虽是小事，却很要紧。小女自幼生长在内宅，从未见过家人之外的男子。上课时她只能在厚帘幔后学习，脸也必须遮着，另外还会有两名家奴陪伴。这样的条件，你还愿意接受吗？”

“欣然从命。”撒米尔回答，“年轻姑娘家的端庄稳重，远比代数的公式更为重要。大哲柏拉图在他开办的学校门口，挂上这样一面牌子：

不谙几何者一律不得进入

一日，有个行为向来放荡的年轻人跑来，非常热切地想进柏拉图学院。大师却断然拒绝，宣示‘几何之学纯粹而简单。你这伤风败俗之徒，有辱这门清明纯正的科学’。所以大哲苏格拉底的这位最出名的徒弟，就是以这个方式，突显出数学绝对不可以和堕落失德同行，以免有辱它的清名。我很乐意指导令千金，虽然并不认识她，也永远不会有幸亲见她的容貌。如果安拉允许，我明天就可以开始上课。”

大人说：“太好了。二次祈祷时刻之后，我就派仆人来接你。明日再会了。”

爱以兹德大人走后，我提醒数数的人，这个职责可能超出他的能力。“有件事我不懂，撒米尔，你自己从没从书本学过一天数学，也没上过一天那些智士贤人开讲的课，怎么能教一个年轻女孩数学呢？你的演算能力这么出色，运用得如此美妙又合时，到底是怎么学来的？我知道你明明是在担任牧人的时节，从绵羊、无花果树、飞鸟身上，解开了运算的奥秘……”

“你弄错了，我的朋友，”撒米尔宁静安详地回答，“我还在波斯替主人看羊的时候，认识了一位苦行老僧，名叫诺以林。有一回起了严重沙暴，我救了他一命。从那时起，他就是我最亲近的友人。他是有学问的智者，教导我许多有用又奇妙的事。拜过这样一位老师，我当然可以把几何从头教起，一直教到亚历山德拉那位令人难忘的大师欧几里得所写的最后一本著作。”

10 　一鸟在手

我们来到爱以兹德的府邸。脾气暴躁的塔那提耳质疑撒米尔的运算。笼中的鸟儿与完美的数字。数数的人颂赞大人的仁慈。我们听到一曲轻柔迷人的歌。

四点过后不久，我们离开客栈，前往大诗人爱以兹德老爷的府邸。一名讨喜又认真勤快的黑奴为我们带路，很快便穿过穆山街坊的蜿蜒巷弄，来到一所宏伟的宫室，宫室坐落在一处优美雅致的大园林中央。

如此不凡的气象，令撒米尔称奇赞叹。园子中央矗立着一座巨塔，散发出银色光泽，艳阳在上面洒下霞光万道。从广大的露台进去，穿过精雕细镂极尽艺术之美的铁栅门，便是爱以兹德府邸的正宅。然后是第二道中庭露台，中央是精心安排配置井然的花园，从中将房子分成两翼。一翼是主人家成员的卧室，另一翼是公共活动空间，包括会客用的沙龙间，大人经常在那里接待哲学家、诗人与高官大员。

虽然布置得很讲究，整座府邸却流露出一种低迷阴郁的感觉。从外面看去，那些横杠深锁的窗户，很难令人想象室内陈设的艺术精品。建筑两翼由一道长廊衔接，十根修长耸立的白色大理石柱撑起廊顶，柱间错落穿插着马蹄形拱门，基座砌着浮雕壁砖，地面是马赛克拼花。两道壮观的扶梯，也是白色大理石砌成，连向另一座花园，园中大水塘的四周种满各色香花异草。还有一大笼鸟儿，笼子也用马赛克装点，似乎是园子的中心摆饰。笼内各式稀有珍禽，有的鸣声奇特，有的羽翅鲜艳，还有一些我完全不认识的品种更是美得出奇。

我们的主人从园中走过来，非常热诚地接待我们。在场还有一位黝黑、高瘦、宽肩的年轻人，举止之间，可以看出有些傲慢无礼。他腰间佩着一把装饰富丽、象牙剑柄的短刃。这年轻人目光锐利，眼神富有攻击意味，唐突又激动的语气，令人非常不舒服。

“噢，这就是你说的那个运算人？”他不屑地哼了一声，说话用字里全是鄙视，“你真是太容易相信人了，爱以兹德。就这么随随便便，让一个路过的乞丐接近我们美丽的泰拉辛蜜，还跟她说话？再怎么说你也不能做这样的事！以安拉之名，你真是太天真了！”然后邪恶地大笑。

这等恶劣无礼的态度可把我气坏了，真想用拳头教训这个浑球儿，撒米尔却一派安详，依然保持沉着。即使这样的场面、侮辱的言辞，或许我们这位数数的人，只不过从中又看见一个有待解决的题目而已。

诗人为那家伙的唐突感到不安，忙说道：“大数学家，请原谅我表亲塔那提耳急躁莽撞的评断。他不了解你高明的数学技能，因此还不能正确地判别欣赏。他实在只是因为太关心泰拉辛蜜的未来了。”

“没错！我不知道这个陌生人的数学高不高明。我管它有多少骆驼经过巴格达，寻找粮食或蔽身的地方？”年轻人高声大叫，然后又连珠炮似的说下去，舌头不时打结，“阿兄，用不上几分钟，我就可以向你证明，你完全被这个冒险分子的所谓才能给骗了。如果你不介意，我马上就可以叫这家伙的所谓科学完蛋。我从摩苏尔一位大师那儿曾经学来几招，你看着吧。”

“是是，真厉害，请出招吧，”爱以兹德答应他，“你现在就可以问这位运算家，任何难题都可以。”

“难题？有这个必要吗？谁会把智者的科学，拿来和笼中骗子的所谓科学做比较？”他粗鲁地回嘴反驳，“我跟你保证，不需要使出任何难题，就可以揭穿这个无知的神秘教派骗子。根本不必麻烦用到我的记忆，就能得到我要的结果，快到你想都想不到。”

说完，他冷冷地死盯着撒米尔，手指向大鸟笼，问：“告诉我，‘数鸟的家伙’，笼中共有几只鸟？”

巴睿弥智·撒米尔双臂交叉，非常专注凝神地研究起那一大笼鲜羽亮彩的飞禽。我心想，这简直疯狂，哪有人还真的想去数出笼中到底有几只鸟儿？那些片刻不息、四处乱飞，从这个栖枝飞到那头落处的一大堆鸟儿？

空气中充满了屏息期待的静默。几秒钟后，数数的人转身向仁慈高雅的爱以兹德说道：“恳请阁下同意，大人，立刻从笼中放出三只鸟儿；这样才可以更简单也令大家更赏心悦目地宣布答案。”

这项要求听起来还真蠢。照逻辑看，任何人若能数出一个特定数目，再多数三个又有何难呢？这项出乎意料的要求，令爱以兹德大感蹊跷，他命令管鸟人按照撒米尔的意见去做。只见三只美丽的蜂鸟一从笼中释放，便一飞冲天，如箭蹿入云霄。

“好，现在笼子里面，”撒米尔慎重其事地宣布，“一共有496只鸟。”

“太棒了！”爱以兹德兴奋地惊呼，“正是此数！塔那提耳也很清楚！我告诉过他，我总共收集了500只鸟。其中1只夜莺送到摩苏尔去了，现在我们又放走3只，正是剩下496只。”

“凑巧猜中罢了。”塔那提耳不快地咕哝着，手一挥，表情万分嫌恶。

爱以兹德非常好奇，忍不住问撒米尔：“可否请你告诉我，为什么特别青睐496这个数目呢，496加上3等于499，不也一样很好算吗？”

“请容在下说明，大人，”撒米尔得意地回答，“我们数学家，总是偏好一些特别出色的数字，却避开那些无趣、平凡的数目。496、499这两个数字摆在一起，再明显也没有，肯定是496占上风，这是一个完美数，因此特别值得我们青睐。”

“完美数？这是什么意思呢？”诗人问，“怎样的数字是完美的数字？”

“一个完美的数字，”撒米尔解释，“等于它所有整除数的总和，但不包括它本身在内。所以，比方以28这个数字来说，一共有五个整除数：

1，2，4，7，14

这些数字都可以整除28，而它们加起来则等于：

1+2+4+7+14

正好又28，丝毫不差。因此28也属于完美数一族。

数字6也很完美。6有三个整除数，分别是：

1，2，3

加起来也等于6。

而496和6、28一样，就像我刚才说的，也是一个完美数。”

那个坏脾气的塔那提耳，此时已无法再忍受撒米尔进一步解释下去，他找了个理由向大人告辞，气呼呼地离开了，口中还咕哝不停。我们数学大师的高才，看来把他打击得不轻，只见他经过我身旁时，还狠狠射来一个极度轻视的眼神。

“我恳请你噢运算家，”爱以兹德大人再度致歉，“千万不要被我表亲塔那提耳的言辞冒犯。他是个暴躁性子，自从接手德伊得地方的盐矿后，脾气就变得更加易怒和凶暴了。他已经遇上好几次攻击，还遭奴隶行刺了五次。”

聪慧的撒米尔显然不想令大人烦心，仁爱而大度地回道：“如果我们想与邻人和平相处，一定要克制自己的怒气，培养我们的善意。遇到他人侮辱，我都会尽力遵循所罗门的教诲：‘愚妄人的恼怒立时显露，通达人能忍辱藏羞。（箴言12:16）’我也永远忘不了我那心地仁慈的父亲的教导。每次他若见我激动想要报复，就劝我说：‘凡对人谦卑的，真主眼中则被高举。’”

稍停了一下，他又说：“但是呢，我其实非常感谢无礼侮慢的塔那提耳，我心中对他毫无怨恨。因为他蛮横的性子，我才有这机会做出新的爱心善行。”

“新的爱心善行？”大人讶异地回应，“又是指什么呢？”

“每当我们放出一只笼中鸟，”撒米尔解释，“就等于做了三件爱心善行。第一件是对那只小小鸟儿，使它回归当初被攫之前的自由。第二件是对我们自己的良心。第三件是对真主……”

“你的意思是，如果我把笼里的鸟全部放掉……”

“我向你保证，大人啊，那你就做出了1488件不得了的爱心善行！”撒米尔脱口而呼，仿佛他心里早就已经很清楚496乘以3是多少。

撒米尔这番话令宽宏大度的爱以兹德深受感动，决定将那巨大笼中的鸟儿全数放走。仆人、奴隶听见他的命令都惊呆了。要知道这整笼珍禽，是耗费无数耐心、努力，好不容易才搜罗而来的，实可谓价值连城，包括了鹧鸪、蜂鸟、鲜羽雉、黑鸥、马达加斯加鸭、高加索猫头鹰，还有中国、印度来的各型天鹅，尤其珍贵。

“把鸟全都放了！”爱以兹德又高声大喝，一挥他那只戴着璀璨指环的手。

宽阔的笼门大开，被擒的鸟儿飞涌而出，逃离原本困住它们的牢笼，布满了园中树顶的天际。

然后撒米尔又说：“每一只双翼张开的鸟儿，都是一本书，它的书页开向天，它们是真主的藏书。若夺走或破坏真主的这些藏书，是一桩丑恶罪行。”

此时，我们忽然听见有歌声绽放，悠悠传来。如此轻柔美妙，与满天小燕子的啭啼、鸽儿的柔声咕鸣糅成一曲。一开始曲调迷醉忧伤，充满无限哀思、渴求，犹如一只孤寂的夜莺悲鸣叹息。接下来却渐次增强，拔向繁复的快节奏、轻盈明亮的颤音，以及迟疑羞怯的爱情呼唤，一声又一声，与这个午后的宁静形成强烈对比。歌如风中飞叶，在空中回绕不去，然后又回返先前那忧伤惋叹的氛围，犹如低声的耳语，飒飒在花园上空盘旋。

我若能说万人的方言，
并天使的话语，
却没有爱心，
我就成了鸣的锣，
响的钹一般。
　　我就算不得什么。
　　我就算不得什么。
我若有先知讲道之能，
也明白各样的奥秘，各样的知识，
而且能够移山，
却没有爱心，
　　我就算不得什么。
　　我就算不得什么。
我若将所有的，
赒济穷人，
又舍己身叫人焚烧，
却没有爱心，
　　我就算不得什么。
　　我就算不得什么。

（原文典出《新约圣经·哥林多前书》十三章开篇。其后几节便是有名的“爱是永不止息”段落。哥林多前、后书是基督教圣徒保罗写给希腊哥林多教会众信徒的书信，书成时间约在第一世纪中期。）

歌声令人沉醉，犹如一股无可言喻的欣喜，席卷了整个所在，连空气都似乎变得轻盈起来。

看见我们都在专心倾听，完全被这奇异的声音迷醉，大人说：“这是泰拉辛蜜在唱歌。”

鸟儿一只只飞走了，空中充满着它们愉悦的自由之歌。一共只有496只，却好像数以千计。

撒米尔完全沉浸在静默之中。美妙的乐符，穿透了他的心灵，与他为鸟儿重获自由而感到的喜悦结为一体。然后他抬起眼，寻找那歌声所来的地方。

“那些美丽的歌词，又是谁作的呢？”

大人回道：“我不知道。是一个基督徒奴隶教给泰拉辛蜜唱的。现在她已经完全忘不了这首歌了。一定是某位拿撒勒诗人所作。我妻子，泰拉辛蜜的母亲，是这么告诉我的。”

11 　除此之外

本章记述撒米尔如何展开第一堂数学课。柏拉图的名言。真主的合一。何谓衡量？数学的各个成分。算学与数字。代数与关系。几何与形状。机械与星相。卡利布王做了个梦。“隐身的学生”向安拉献上祈祷。

撒米尔上课的房间很宽敞，屋子中央悬隔了一幅红色厚绒幔，自天花板直垂地面。天花板绘彩色斑斓，黄金梁柱金碧灿然。地毯上散放着大型的丝质坐垫、靠垫，垫缘铭绣了可兰经经文。房中四壁都以鲜丽的蓝色图案髹饰，交织以沙漠诗人安塔耳的美丽诗文。正中央两根大柱之间，更有金色字体衬着蓝色背景，是安塔耳欢乐颂的两句歌词：

真主钟爱的信徒
真主带领他获得灵启

薄暮渐垂，屋中弥漫着一缕馨柔的熏香与玫瑰的气息。晶亮光洁的大理石窗开向花园，可以看见屋外成排茂密的苹果树，一直延伸到汹涌暗蒙的河水。一名女黑奴侍立门边，没有蒙面，指甲染着鲜艳的蔻丹。

“令千金在屋内吗？”撒米尔问大人。

“当然在此，”爱以兹德答道，“我吩咐小女坐在房中的另一头，就在帘幔后面，她可以听到也可以看到我们。不过我们这一边的人却完全看不到她。”

果然如此。整个房间的安排，没有任何人可以清楚看到撒米尔的这名年轻女学生，甚至连身影也瞧不见。或许，她是从厚绒幕幔的小孔中窥见我们吧，我们却完全感觉不到。

“我想，我们可以开始了，”大人吩咐，然后又以疼爱的口气说，“泰拉辛蜜，女儿，要专心哦。”

“遵命，父亲。”房中另一边传来一个教养良好的女声响应。

撒米尔准备开始讲课：他合腿坐下，坐在房间中央的一个大坐垫上。我谨慎地在一角找个位置落座，尽可能让自己坐得越舒适越好。于是撒米尔开始授课，首先以祈祷开场：“以安拉之名，普慈特慈的主，颂赞归于无所不在的宇宙创造者！真主的怜悯是我们最高的恩赐！我们敬爱你，噢主，恳求你的恩典。领导我们走正直的路，走在那些被你手所祝福者的道路。”

祷告完毕，撒米尔说：“我们若在晴澄无风的夜晚举目看天，往往会油然而生一股渺小无能的感觉，我们无法理解真主之手的奇妙创作。我们充满惊奇的视线，望向那满天熠熠星辰，它们如同一列发光的车旅，纵队行过漫漫无垠的沙漠，环绕着巨大的星云与行星，遵循着永恒的天律法则，发自于天地空间最深之处。在此同时，却又向我们提示一项最精确的概念：也就是‘数字’的观念。

“从前，在希腊人犹是异教徒的年代，那里有一位哲学家名叫毕达哥拉斯——啊真主是何等智慧！毕达哥拉斯的门徒问他：就人世的事来说，最首要的力量为何？这位智者答道：‘数字，统摄一切。’

“没错。即使是最简单的思绪，也都无法不包括最根本的数字观念，就许多层面来说均是如此。沙漠中的贝都人俯首祈祷，喃喃念诵真主之名，这个时候他的灵里就充满着一个数字：‘一，合一’。是的，根据圣书记载，又有穆罕默德大先知一再教导的真理告诉我们：真主是‘一’、是永恒、是永远不变！因此，‘一’这个数目字，在人的智能架构之内，正是真主的象征。

“数字，是所有理性与理解的基础；从数字之中，产生了另一项斩钉截铁绝对重要的概念：也就是‘衡量’的概念。

“所谓衡量，其实就是去比较对照。不过，必须含有可以作为比较基准的元素，这样的数字才能够用来衡量。比方说，天地之大，可以测量吗？当然不能。空间是无限的、无边的，因此没有可以比较对照的基准。永恒，可以衡量吗？永远没有可能。以人类的尺度而言，时间也始终无限、无穷。如果要计算永恒，怎可能用如此瞬息短暂之物来衡量呢？

“不过在此之外，世间确有许多事物是可以衡量的，也就是说，或许我们可以使用一种计算起来更有把握的度量，去衡量那些原本并不符合我们体系尺度的事物。这项交换的目的，是为了使衡量的过程变得精简，构成了我们称为数学这门科学的主要研究对象。

“数学家为达成他的目的，必须研究数字、数字的质性、以及数字的排列。这项层面，称作算学。一旦对数字有了认识，就可以用它们去估算，并以算式或等式的符号表示，以求得不定维度或未知面向之值。这种方式，我们叫它作代数。我们对实物所做的衡量，则是由具体对象或象征符号表示。但是不论使用哪一种形式，这些具体对象或象征符号都具有三项属性：也就是形状、尺寸、位置。因此我们也必须研究这些属性，亦即几何探讨的对象。

“此外，数学处理的对象，还包括种种规范了运动作用与运动力的法则，也就是令人肃然起敬的又一门科学：力学中所谓的律。这还不止，数学又将它所有这些奇妙资源，交给另一门科学使用。这门科学提升心灵，拔高激励了我们人类，也就是天文学。

“有些人以为，在数学的架构范畴之下，算术、代数、几何，是三门完全不同的学问，这是个严重的误解。这三门学问一起作用，彼此相帮相衬，有时候甚至可以互换。

“数学，教人学会简单、谦卑，是一切艺术与科学的根基。

“请让我转述一位也门王的遭遇给你听：这位闻名的也门王卡利布，一日正在他宫中宽敞的阳台上歇息，梦见自己瞧见七名少女沿着一条路在行走。少女们走了好一会儿，又累又渴，在灼热的沙漠烈日下停住脚步。就在这个时候，突然出现了一位美丽公主，拿了壶清水给这一行少女喝。好心的公主消解了她们的干渴，少女们精神一振，继续前行。

“阿塞德王醒来，不可解的梦中印象如此深刻，决定召来那位有名的占星家撒尼泊为他解梦。他想知道，自己身为一位公正且强大的世间统治者，却在图象、奇幻的梦境世界见到这个异象，到底代表什么意思呢。占星家撒尼泊答道：‘吾主，七名少女沿路而走，代表神圣艺术与人世科学：绘画、音乐、雕塑、建筑、雄辞、辩正、哲学。而前来济助她们的那位仁慈公主，则是奇妙伟大的数学。’这位智者又说：‘没有数学，艺术就无法晋进，所有科学也将萎灭。’王被这番话感动，决定在国境内所有城镇、绿洲组成数学中心，专门研究数学。于是在王的敕令之下，能人、智者、善辞之士，前往各地市集、酒馆、旅栈，到处传讲算术之学，教导各方贸易商人与游牧众民。不出几个月，全国变得更为繁荣。科学增进的同时，国家的真实财富也在增长：校中挤满学生、商业快速扩张、艺术作品增多、碑塔建筑矗立；奇珍异宝充溢城中，美不胜收。也门国将它自己大大敞开，朝向进步与财富，可是接下来却撞见了不幸！——天命注定啊！百花盛放的丰沛创作与繁华盛景，也一下子凋萎结束了。卡利布王合上双眼离开人世，被不信的异教徒阿色列送上天回返真主那里去了。君王驾崩，地上开了两道墓穴，一个穴迎来了这位彪炳王者的遗躯，一个穴则埋葬了其子民的艺术科学文化盛世。接位者是一个虚荣自负、好逸恶劳的新主子，脑袋空空，乏善可陈。新王把时间多花在无谓的享乐追逐上，却不肯关注国政问题。没有几个月，公务混乱失序，学校关门，艺术家与智者受坏人、盗贼威胁，纷纷被迫出亡走避。国库公帑遭违法挥霍，肆意浪费在无谓的庆典与滥奢的宴会。管理不善之下，国家崩解，最后终于被见猎心喜的敌人攻溃征服。也门国破家亡，沦入敌人之手。

“卡利布王的故事显示，一国之民的进步，与他们数学能力的开展有所关联。全宇宙天地之间，数学是数字与衡量之结合。而‘一’正是万物之始，是造物主的象征。但是若无众数目字之间恒常不变的比例与关系，一切都将不复存在。生命的种种大奥秘，都可以还原、简约成我们可以解决的简单组合式，由变量素或常数素、已知或未知组成。

“为了解这门科学，我们必须由数字开始。我们将会看见如何检视这些数字，借由普慈特慈的安拉之助！

“平安！再会！”

数数的人便以这几句话，结束了第一堂课。紧接着我们却惊喜听见，那位隐身在帘幔之后的女学生发出下面的祈祷：

“噢，无所不在的真主，天地的创造者，请宽恕我们贫穷、狭小、无知的心。不要听我们的声音，却请倾听我们难以言喻、激动模糊的呐喊；不要顾念我们的欲求，却请恩慰我们的需要发出的呼求。多少时候，我们往往只会妄求那些永远不能成为我们所拥有的事物！

“真主是伟大的！

“哦，真主！我们为这个世界感谢你，为我们伟大的家园、为它的辽阔、它的富裕感谢你，我们为自己竟能身为其中一分子的世间感谢你，为它的包罗万有、为它的多彩多姿感谢你。我们赞美你，为蓝天的壮丽、为晚风的和煦、为天际的云彩与星子赞美你。我们称颂你，主，为汪洋的大海、为溪川的流水、为永恒的山峦、为茂密的绿林、为慰藉我们双足的鲜草地毡称颂你。

“真主是慈悲怜悯的！

“我们感戴你，主，为这许多令我们灵里感受生命与爱之美的众多欣喜事物……

“哦，真主，普慈特慈的全怜悯者！求你原谅我们贫穷、狭小、无知的心。”

12 　循环论证

撒米尔表露他对跳绳一事的迷醉。马拉赞弧形与蜘蛛。毕达哥拉斯与圆圈。我们与哈林姆再度相逢。60个瓜的问题。官员如何输了赌注。盲眼的报告祷告时刻者召唤信者进行落日晚祷。

我们辞了诗人的豪华府邸出来，时间已近黄昏晚祷时分。行经拉敏神坛，我们听见一株老无花果树的枝头有鸟儿啁啾。“看！这里面一定有些是今天白日释放的鸟儿！”我对撒米尔说：“听到它们重获自由的喜悦转成为歌声悠扬，真是令人高兴！”此时的撒米尔，却对鸟儿的歌唱全然不感兴趣，他的注意力全被附近街头嬉戏的孩童攫住了。只见一群小孩在玩跳绳游戏，其中两位各握一根长约四五肘长的细绳两端，配合跳者的技巧能力，将绳子旋在空中悠高荡低。

“快看那根跳绳，我的巴格达友人！”我们的运算家拉着我的手臂，说，“你看那个完美的弧度。不觉得很值得研究研究吗？”

“你在说什么啊？那根绳子？”我叫起来，“我看不出有什么稀奇地方，不过就是小孩子赶在天黑之前嬉戏一下罢了，有什么特别之处？”

“那么，我的朋友啊，你还真是视而不见，看不出自然的美与奇妙。孩子们抓住绳的两端，举起，然后又让绳子被自身的重量带着自由落下。这个时候，由于自然力运作的缘故，绳子就自然形成一个弧形。同样的弧形，我也在船帆或某些单峰骆驼背上见过，我师父智者诺以林把它们叫作马拉赞弧形。我不知道这个弧形，是否和抛物线相类似？如若安拉允许，有朝一日，几何学家一定会找到方法描绘出这个弧形，一个点又一个点地绘出，而且他们也必会严密地研究它的质性。”

他继续说道：“可是，另外还有许多更重要的弧形形状。首先就是正圆。希腊哲学家暨数学家毕达哥拉斯认为正圆形是最完美的弧形，因此正圆与完美概念从此结为一体。而且作为所有弧形中最完美的弧形，它也是最容易画的弧形。”

说到这里，撒米尔却打断自己对弧形方才展开不久的滔滔演说，指着不远处一名年轻人大喊：“哈林姆！”

年轻人倏然转身，向我们走来，脸上笑容可掬。我这才看出，原来他正是我们在沙漠中偶遇的三兄弟中的一位。那时他们正为父亲留下的35头骆驼遗产争执不下——实在很不好分，还外加⅓、的难题，结果却被撒米尔轻松解决，方法如此巧妙，我先前已经叙述过了。

“啊，天注定又再度带领我们遇上伟大的运算家。我哥哥哈米德正绞尽脑汁，想要解决一项没人能够破解的60个瓜的难题。”于是哈林姆带我们走到一处房舍，他哥哥哈米德正和其他七名商人在那里讨论。

哈米德见到撒米尔非常高兴，转身向商人们说：“这位刚进来的仁兄是位大数学家。先前多亏他的相助，我们才能解决一个看似无解的死结：也就是如何把35头骆驼分给三人。我肯定同样用不了几分钟，他一定也能帮我们解开我们的分歧：到底该如何计算这60个瓜的进账。”

于是其中一位商人，仔细地向撒米尔说分明：“哈林姆、哈米德两兄弟拿了两批瓜给我到市场去卖。哈林姆拿来三十个，预备在市场上叫价3个1第纳尔；哈米德也给我30个，可是价钱比较高，要卖2个1第纳尔。照逻辑来说，只要瓜一卖掉，哈林姆就可以得到10个第纳尔，他兄弟得到15个第纳尔。两批总价加起来会是25个第纳尔。

“可是等我到了市集，心里却开始起了犹疑。如果我先叫卖价钱比较贵的一批瓜，就会失去顾客。但如果反过来先卖便宜的，然后再卖比较贵的，就很难卖得出去。唯一的法子，就是两批合起来卖。

“决定之后，我把所有的瓜放在一起，开始5个瓜2第纳尔地卖了起来。道理很清楚：如果我先卖3个瓜1个第纳尔，然后再2个瓜卖1个第纳尔，还不如干脆5个瓜一起卖2个第纳尔比较容易。

“于是就这样5个一组，卖了12组60个瓜，一共卖得24第纳尔。可是如此一来，我怎么付钱给两兄弟呢？如果依照原议，一位本该有10个第纳尔，另一位该有15个第纳尔，可是现在却差了一个第纳尔。我不知道该怎么解释这个差额，因为就像先前说过，这事明明办得很谨慎，再小心翼翼不过。先后分开去卖，3个瓜卖1个第纳尔，然后2个瓜1个第纳尔，和5个瓜一起卖2个第纳尔，不是同一回事吗？”

“其实事情本来不会这么严重，”哈米德插嘴道，“都是那个主管市场的官儿多事，可笑地乱插手。他听说了这件事，又不知道该怎么解释这个差额，却硬赌了5个第纳尔，坚持说卖瓜时一定有个瓜被偷了。”

“那个官儿弄错了，”撒米尔说，“他铁定得拿出5个第纳尔来。之所以有这个差额，是因为这个缘故：

“哈林姆那批瓜3个一组共10组。每组原本该卖一个第纳尔。总价是10个第纳尔。

“哈米德那批瓜则两个一组15组，每组一第纳尔，所以一共该有15个第纳尔。

上图厘清了60个瓜的问题。“A”代表3个1第纳尔的30个瓜。“B”代表2个1第纳尔的30个瓜。虚线显示5瓜1组共12组，每组2第纳尔。

“请注意两批瓜的组数并不相同。如果5个5个地卖，两组搭配起来一共只能得10组，每组2个第纳尔。这10组卖了之后，另外还剩下10个瓜，却都只属于哈米德那一批，而这些瓜呢，既然比较贵，原本应该2个瓜卖1第纳尔。

“现在却差了一个第纳尔，原因就出在这最后10个瓜，也是每5个瓜只卖2个第纳尔。因此，并没有瓜被偷。这一个第纳尔的差额是两批瓜不同定价的结果。”

说到这里，我们必须散了，因为报告祷告时刻的人在呼唤，唤拜词的呼声在空中回荡，提醒信者前去进行傍晚的祈祷。

“快来礼拜！准备祈祷！（Hai al el-salah! Hai al el-salah）”

片刻不能耽搁，我们每人都开始依照圣书规定分别做起祷告仪式的准备。太阳已降到地平线，正是薄暮祈祷的昏礼时分。从奥玛清真寺的塔顶，盲眼的唤拜者以深沉的噪音，拉长声调呼喊着信者进行祈祷：

“真主至大，穆罕默德是真主唯一的使者。穆斯林众人，快来礼拜吧！快来礼拜吧！要记得除真主以外，凡事皆是尘土！”

几位商人随同着撒米尔，各自解开自己的鲜丽小跪毡，除去脚上的带子鞋，面向圣城方向大声呼喊：

“安拉，贤智又慈悲者！颂赞归于无所不在的天地世间创造者！领导我们走正直的路，走在那些被你手所祝福者的道路。”

13 　友谊无边

本章记述我们到哈里发的王宫，蒙哈里发亲切接见。也谈及诗人，还有友谊——人与人之间、以及数字与数字之间的友谊。数数的人得到巴格达的哈里发大大称赞。

四天后的早晨，我们接获通知：哈里发阿布·阿巴斯·阿米德·穆他辛姆·比拉——那位掌管所有虔信者的哈里发、安拉在地上的代行者——将要庄严隆重地接见我们。这项消息对任何穆斯林都是一大喜悦的荣宠。不单是我，撒米尔也同样热切地期待着它的到来。

事情可能是这样的：哈里发从爱以兹德大人那里，听到这位声名鹊起的数学高才展示的几项奇招，或许因此表示有兴趣认识我们这位数数的人。否则没有其他任何理由可以解释：为什么我们会受召上朝，面对巴格达最显赫的一群人士。

走进哈里发富丽的宫殿，我简直眼花缭乱目眩神迷。巨大的拱廊协调地蜿蜒迤逦，高大修长的廊柱两两成对，环绕基座装饰着精美的马赛克镶嵌细工拼花。可以看出这些马赛克花样是由红、白两色的细小砖片嵌在粉刷灰泥中拼成。主要厅室内的天花板以蓝金两色髹饰，所有房间墙面都砌有浮雕突饰的壁砖，走道也覆以马赛克拼花。格子窗花、地毯、软卧长椅——其实宫中所有家饰——无一处不显示出一种印度王公传奇般的无上尊贵华丽。

大大小小的户外花园之内，也都流露同样的尊贵华丽，更有大自然之手增色，一千种不同香气熏染，一片绿油油厚毡覆盖；又有溪流浸润滋浴，无数白色大理石水泉带来清凉。万般美景之旁，还有数以千计的奴仆忙碌干活。

我们一到，便被玛勒夫大人的助理引至谒见厅中。我们看见那位无上权力的君王，坐在象牙与丝绒的富丽宝座之上。这间大厅的华美令人透不过气来，使我一时分神不知所措。全室壁面都有精美细密的铭文装饰，出自充满灵感启发的高妙书法家之手，我也注意到这些铭文都引自我们最出色的诗人作品。室中处处花卉：瓶中、瓮内、垫上绣的、地毯上编织的、还有金色大浅盘内精雕细绘的花卉。

屋中多根豪华画柱也吸引了我的视线，柱头、柱身，都是摩尔艺匠最细腻雅致的斧凿成果，他们是雕饰大师，擅长各式花叶图案的几何变化：郁金香、百合花，千姿百态，数不尽的各式花草，都奇妙地协调搭配，无法形容地美丽。

随侍在厅上的有七位高官、两名法官、几位贤人智者，还有各方知名显贵。

玛勒夫大人负责引见我们。只见大人两肘在腰，修长的两掌伸出，掌心向上，如此说道：“谨遵玉旨，圣殿之王啊，今日特别引见我的现任秘书巴睿弥智·撒米尔，以及他的友人哈拿克·塔德·马伊阿，现任宫中文书，进宫前来觐见。”

“欢迎两位穆斯林兄弟！”哈里发答道，声音亲切温暖，“我最敬佩贤智之人。在吾土的天空下，任何人善于数字之学，都保证能得到我的支持，诚然，都保证能得到我坚定的保护。”

“愿安拉引导您，吾主！”撒米尔呼道，躬身。

我一动也不敢动，俯下头，双臂交叉合胸。因为王不是对我发话，所以不敢冒昧搭腔。

这位一手掌握全阿拉伯人命运的人物，似乎既开朗又宽厚。他的五官秀朗精致，被沙漠阳光晒成棕褐色，未老就先有了皱纹。脸上时时带笑，露出洁白的牙齿。腰间系一条丝质腰带，佩一把精美优雅的匕首，剑鞘嵌满宝石。绿色缠头巾间夹以细白条纹；绿这个颜色，大家都知道，是神圣先知穆罕默德后裔的专属色，一切荣光与和平归于他！

“今日接见，我有许多事需要讨论，”哈里发宣布，“但是首先，我想先证实我的诗人朋友爱以兹德推荐的这位波斯数学家，确乎是位杰出优秀的运算家。在此事达成之前，我没有意愿进行严肃的政事讨论。”

听到卓越的君王如此发话，撒米尔感到有必要为爱以兹德对自己的信心提出佐证。于是他向哈里发恭敬表示：“世间虔信人的统治者啊，我只不过是个单纯的牧羊人，竟能蒙您恩准召见。”

短暂停顿一下，他又继续说道：“即使如此卑微，我慷慨的友人们还是觉得可以让我跻身数学人的行列，真是万分荣幸。然而我认为，一般来说大家都颇为善算。所以战场上一眼就能估出远方距离，这样的战士是优秀的运算者。细数音节、推敲节拍、讲究句子的抑扬顿挫，这样的诗人是优秀的运算者。将完美协调的音律运用于作乐编曲，这样的音乐家是优秀的运算者。胸中怀抱各式不变的透视比例作画绘图，如此的画家是运算者。辛勤安排一根根绒线经纬的地毯织工，虽卑微也是优秀的运算者。所有这些人，王啊，都是优秀熟练的运算者。”

撒米尔正直清朗的目光，转而凝视围聚在宝座四周的众人，又说：“我无比欣喜地看见，主上啊，您身边满是贤能智慧又饱学的人士。我也看见在您崇伟宝座阶台的蔽荫下，有着一群出色成就的学者，投入学问的研究、拓展科学的疆界。能有智者陪伴同行，王啊，我觉得是最了不起的宝藏。一个人的价值，在于他的所知所识。知识即力量。智者用例子教导人，而世上再没有比例子更能令人深信不疑、更能有力地捕获人心。但是，除非是为了行益，人不应当追求知识。

“希腊哲人苏格拉底，将他智慧权威的全副重量用在一件事上：‘世上唯一有用的知识，是令我们变为更好之人的知识。’另一位知名罗马大哲禁欲主义思想家塞尼卡则不敢置信地疑问：‘一个人如果知道什么是直线，却对正直毫无概念，又有什么意义呢？’所以宽宏公正的王啊，请容我向厅中贤明又博学的诸位致敬。”

数数的人又短暂停了一下，然后继续雄辩滔滔地说下去，态度严肃庄重：“我每日劳动之际，注意到那一切原不存在却因安拉变为存在的事物。我学到看重数字的价值，并依照实用、可靠的法则使用它们。但是对于您刚才要求的证明，我却感到有些为难。不过，我还是要冒昧地倚仗您出名的宽宏大度，斗胆指出：在这间金碧辉煌的接见大厅里面，我眼处处所见，没有别的，全在向我们展示数学，而且是可钦可佩、流畅充分的展现。这间优雅大厅的墙壁上，全都以各种诗歌装饰，每一首不多不少都正好是504字。这些字词当中，有些系以黑色写成，其余则是红色。当初一字母一字母描绘出这些诗句的书家，透过这504字的处理手法，充分显示了他的才气与想象。而且他的才气、想象，可与当初写出这些不朽诗句的众位诗人匹敌。”

“的确，王啊，”撒米尔继续说道，“其中的道理很简单。这些无可比拟的优美诗句，增色了这间光彩辉煌的大厅。在其中，我看见对友情的极大颂赞。比方那里，靠近那根柱子的地方，我可以读到阿拉伯穆海勒希勒的知名诗篇第一行：

若我的朋友离了我，我将无比悲惨，因为我全部的珍宝都离了我。

再过去些，那里，我又看到诗人泰拉法的诗句：

人生之迷人，全在我们形成的友谊。

“这一切，诚然啊，都极其壮丽、宏大、沛然。然而更大更高的美，却在这位书家洋溢的天才。因为他证显出这些诗句称颂的友谊，不仅仅存在于拥有生命与感觉的我们之中，也存在于数字之间。

“各位一定会问了，如何在数字之中，辨认出那些相系于数学友谊之中的数字呢？几何又如何从一串数列里面，分辨出哪些是如此结合的数字呢？

“我会尽可能简短地解说这项数字友谊的概念。比方，就拿220和284这两个数字来说吧，220可以被下列数目整除：

1，2，4，5，10，11，20，22，44，55，110

284呢，也可以用下列数目整除：

1，2，4，71，142

“这两个数字之间，存在着令人惊奇的巧合。如果我们将以上可以整除220的11个数字加起来，我们会得到总和284；反之，如果把284的整除数加起来，竟然也正好是220。

“这样的结果，令数学家得出一个结论：220和284两个数字是‘友数’，彼此之间似乎相互服务、愉悦、卫护、荣耀。”

然后他如此结束：“宽宏又公正的王啊，现在回头来看这些赞美友谊的诗文，每首诗中共有504个字，分别以下列方式铭绘而成：其中220字是黑字，284字是红字，正如您也所见。好，284和220相减，差为64。这个数目，既是二次方又是三次方，而且也正好是每诗行数的两倍。

“心存怀疑的人会说，这些都只是巧合。可是遵从圣先知穆罕默德教导的信者——一切祈祷与和平都归于先知！——却知道除非是早已被安拉铭记在命运大书中，所谓巧合，其实是不可能的。因此我宣布，这位书家，他将504字分别写成两组——220和284——事实上是书出了一篇友谊的诗章，必会感动凡是具有灵性的人。”

听到数数的人这一番话，哈里发欣喜不已。而且他简直不敢相信，数数的人只不过轻轻一瞥，就数出了30首诗各有504个字，而且还算出分别由220个黑字、284个红字组成。

“你的言语，噢数字之人，已不容置疑地向我证实了你确是一位最高才的数学家。你称之为数字友谊的那个数字关系，真是太引人入胜了。吾心大悦，而且现在也非常想知道，到底是哪位书家写下装饰了这间厅壁的诗文。这504字竟分成友好的两组，到底是有心的设计，还是命运的巧手，纯属于那崇高者安拉的作为，应该很容易就可以查明。”

于是哈里发穆他辛姆召来一位秘书，问道：“你记得吗？匝鲁耳，当初是哪位书家替本殿书写的铭文？”

“我很清楚这个人，主公。他就住在奥斯曼清真寺附近。”

“立刻把他找来，越快越好。”哈里发命令，“我要马上问他。”

“遵旨！”

那位秘书像箭一般疾去，执行君王的命令。

14 　一个永恒的事实

本章继续述说在谒见厅中发生的事。乐师与孪生舞娘。撒米尔如何分辨两姐妹伊克丽米儿与塔贝莎。一位充满嫉妒心的大官批评撒米尔。数数的人赞誉理论家与梦想家。王宣告理论一方得胜，是只看当下需求者所不能及。

于是王的使者匝鲁耳，奉命去找当初那位铭绘诗文装饰殿堂的书家。他出宫后，厅中进来五名埃及乐师，充满感情地演奏出最温柔的阿拉伯歌曲与旋律。乐师们边唱边吹弹着竖琴、齐特琴、笛子；两名优雅的舞娘，从她们的长相可看出大概是西班牙来的女奴，则在一座宽广的圆形舞台上翩翩起舞，供在场众人观赏。

女奴必须经过仔细挑选，才能当上舞娘，而且非常受珍视；因为她们提供美感、愉悦、满足，令宾客深感奉承。舞娘根据她们来自的地方而有不同，而不同的籍贯更增显我们东道主的财力与势力。这两名舞娘的外貌相似，更被视为是一大优点。若要找到这样一对舞者，必须经过小心、精细的挑选。

两名女奴相似的面貌，令在场的人人称奇。两女都有着窈窕的细腰、深色的肌肤，眼圈也都用化妆墨粉做相同的描画。两人都佩戴一式的项链、手镯、颈圈。这些已经足够令人混淆了，更何况她们连舞衣也一模一样。

看了一会儿，哈里发似乎心情很好，对撒米尔说：

“你觉得我这两个美丽的女奴如何？你应该也注意到她们长得一模一样。一个叫伊克丽米儿，另一个叫塔贝莎，是一对双胞姐妹，价值不菲。她们两人在舞台上出现，我还从没遇到过有人能分辨出谁是谁来。仔细看看，现在右首边的那个是伊克丽米儿。左首边是塔贝莎，就在柱子旁边，正把她最美丽的笑靥露给我们看。瞧那肤色，还有她身上发出的微妙香气，简直就像一叶龙舌兰。”

“我必须坦承，全伊斯兰地的哈里发啊，”撒米尔答道，“这两名舞娘实在太奇妙了。赞美归于安拉，独一的真神，是他创造出美，从中才有了这么诱人的受造尤物。诗人如此称咏美女：

为你的风华，诗人编织金线罗衣，
为你的美丽，画家创出鲜嫩不朽。
妆点你，打扮你，令你更加精巧纤雅。
海献出它的珍珠，地献出它的金子，
园林献出它的花朵，
男人的心啊，也将它之所欲，将它的荣光
覆于你的青春美好。”

“但是依我看，其实并不太难，”撒米尔建议，“若要分辨出伊克丽米儿、塔贝莎两姐妹谁是谁，只需看她们的衣裳就成了。”

“怎么可能？”哈里发回道，“她们两人的服装、衣饰没有半点不同。两人都是按我的命令，戴相同的面纱、穿相同的上衣、舞裙。”

“请原谅我，慷慨宽宏的王，”撒米尔有礼地回复，“可是裁缝不够小心，并未完全遵照您的命令。伊克丽米儿的裙子上有312条流苏，塔贝莎却只有309条。两件衣裳的流苏数目不同，就足以消除两姐妹之间的任何混淆了。”

一听到这话，哈里发击了几下掌，命舞蹈停下来，并吩咐从人去数舞娘衣服上的流苏。

撒米尔的计算获得证实。可爱的伊克丽米儿的舞衣上有312条流苏，而妹妹只有309条。

“我的安拉！”哈里发惊呼，“阿兹德君的话果真没有半分夸大，纵使他是个诗人！这位撒米尔真是个不得了的数数才子。舞娘那么快速地满台旋转，他却能数出两人身上的流苏数目。我的安拉！真是难以相信！”

但是，人的心若被嫉妒占据，他的灵魂就可能被卑劣、粗暴侵入。

穆他辛姆朝上有一名大官名叫那赫姆，是个好妒、坏心眼的家伙。眼看撒米尔在哈里发面前的名望，如同沙漠风卷起的沙浪般快速腾升，不禁大为吃醋。气急败坏的他决定抓住撒米尔的错处，好让撒米尔当场出丑。因此他走上前去，慢吞吞地对王如此说道：

“我已经看到，创造者的哈里发啊，这名波斯来的运算者，我们今天下午的这位客人，真是极富天赋，很擅长数算各种东西与序数。他能够数出墙面上的五百多字，又指出数字之间的友谊，谈论它们的差——64，既是三次方又是二次方——最后又一根根数出两名美丽舞娘衣上的流苏。

“可是如果我们的数学家，都把他们的时间浪掷在这种幼稚却没有任何实际用途的事上，那岂不糟糕可怕。说真的，知道我们欣赏的诗句是由220加上284字组成，又有什么益处呢？我们仰慕诗人，关心点并不在诗中有多少字，也不在于数算诗中用了几个黑字或红字。我们知不知道这美丽的舞娘衣上，到底是有312根、309根、或甚至一千根流苏，又有什么要紧呢。对那些富于感性、陶冶艺术与美的人而言，这一切都非常可笑，意义非常有限。

“聪敏人在科学支助之下，务必将自己投入人生重大问题的解决之道。而历来智者在崇高者安拉的灵感激励之下，他们建造起数学这栋令人目眩神迷的巨大殿堂，却不是为了让这门高贵的学问，以这位波斯数算人的方式进行使用。欧几里得、阿基米德或是那位蒙安拉荣光庇佑的大诗人，《鲁拜集》作者奥玛·珈音，这些位杰出的众圣先贤之学，竟被贬成只是用来数算东西的卑微小技，依我看来，简直罪大恶极。所以我们实在很好奇，想看看这名波斯数算人是否也能将他据称拥有的才能，应用到真正的问题上去，也就是说，我们每日日常生活面对的真实问题。”

“我想你有点弄错了，大人。”撒米尔立刻回复道，“如果你愿意容我澄清这微不足道的小错误，我会感到非常荣幸。因此我恳求宽宏大量的哈里发，我们的灵魂与主人，容许我继续发言。”

“依我看，那赫姆的批评似乎确有几分智慧道理，”哈里发答道，“我相信绝对有必要把事情理个清楚。所以继续说下去吧。在场众人自会依据你的话而有他们的看法。”

厅中一阵长长静默。然后数数的人开言道：“阿拉伯的王啊，博学之士都知道，数学乃是从人类灵魂的觉醒而生，可它却不是怀着实用目的而来的。当初激发出这门科学的第一个推动力，乃是人类想要解决宇宙奥秘的欲望。因此数学的发展，是从想要深入了解无限无垠的那份心力而来。即使到了现在，在几世纪的尝试，努力揭开那道厚重的帷幕遮蔽之后，推动我们前进的力量，依然是这份追寻无限无垠的用心。人类的物质进步，取决于抽象的考掘以及当今的科学家；而未来人类的物质进步，也将取决于这些科学之人，他们的工作追求，纯属于科学性的目标，却从不考虑自己的理论在实际上有何应用。”

撒米尔短暂停了一下，然后又继续说下去，脸上带着笑容：“数学家做运算，或寻找数字间的关系，并不是带着实际的目的去找真理。开发陶冶科学，却只是为着实用，不啻蹂躏了科学的心性灵魂。我们今天研究的理论，以及那些看来并不实用的理论，或许在未来会有我们想象不到的意蕴。谁能预想到同样一件谜一般的事物，历千年之后能有何影响后效？谁又能以当下此刻的方程式，解决未来的未知之事？只有安拉才知道真相。而且，今日的理论考掘，一两千年之内或能提供宝贵的实际用途，也未可知呢。

“因此请务必切记：数学，除了解决疑难、计算面积、测量容积之外，同时也拥有更崇高的目的，记住这件事是很要紧的。因为在智慧与理性的发展上，数学是如此宝贵无价，因此若要令人感受到思想力量之伟大，以及精神灵性之奇妙，数学是最能发挥功效的方式之一。

“所以总结来说，数学是最永恒不朽的一大真理，而且正因如此，数学可以将心灵提升到一个层次，与我们思考自然之神工壮丽、与我们感受永在全在真主之同在，属于同一境界。如同我先前所说，高贵的那赫姆阁下，你犯了一个小小的错误。我数算诗章的句数、测度星星的高度、衡量国土的面积、计算激湍的冲力，我这么做，纯粹是在运用代数的公式以及几何的原则，却从未想到自己可能从这些运算与研究中赚得的利益。若没有梦或想象，科学将变为贫瘠，就没有生命。”

王座四周的贵人与智者，都被撒米尔雄畅的话语深深打动。王走向数数的人，举起尊贵的右手，以无上的权柄宣告：“科学梦想家的信念已经得胜，并将永远胜过没有哲学信念的野心科学家粗鄙投机之心。哦安拉之言！”

听到此言自王的口中发出，如此公允又如此正当，那心怀敌意的那赫姆欠身鞠躬，向王致敬，然后便不发一语，低头离开了接见大厅。

然哉，写下这句诗的诗人：

且让想象高升腾飞
若无幻想，人生会是如何？

15 　整齐收好

哈里发的使者匝鲁耳回到宫中复命，报告他从一位修道者那里听来的消息。可怜书家的居处状况。数字方阵与棋盘。撒米尔论述魔方阵。智者提出的问题。哈里发命撒米尔述说棋戏的故事。

匝鲁耳寻人的运气不佳，未能达成使命。王希望当面询问那位书家有关友谊数字之事，找遍巴格达却都不见人影。匝鲁耳回来向王复命，他采用了哪些步骤，以执行哈里发的命令，报告如下：

“我带着三名卫士出了王宫，便直奔奥斯曼清真寺——安拉再得颂赞！一名负责照管该寺的年老修道者告诉我，我要找的人原在附近一间屋子住过好几个月，几天前却已随一队地毯商人的车队离开往巴斯拉去了。他还告诉我，他不知道那位书家叫什么名字，但知道他一人独居，很少离开简朴狭小的住处出门活动。于是我心想，去看看他那间旧居，也许能找到什么线索提示他的去向也未可知。

“自这位前任住户离去，房中已无人居住，屋内每样东西都显示出最寒酸可怜的贫困，只有一张破床倚在角落。另外倒是有个棋盘放在粗糙的木桌上，摆了几颗棋子，墙上还有一个填满数字的方阵。我觉得很奇怪，一个如此穷困之人，过着如此潦倒的生活，却还下棋，更在墙壁放上数学符号作为装饰。我决定把棋盘和方阵都带回来，或许可供各位可敬的智士贤人研究一下这位年老书家留下的蛛丝马迹。”

哈里发大感兴趣，命令撒米尔仔细把棋盘和方阵都看上一看。这两件东西，似乎更适合大数学家花剌子模的追随者之用，却不像一名贫穷可怜的书家所有。

数数的人将两样东西都仔细端详之后，如此说道：“书家留下的这个数字方阵很有意思，我们通常称作魔方阵。如果把一个正方形拿来，均分成四或九或十六个相同大的格子，每格放进一个数字，横行、直行、斜行，格子内的数字加起来都相等，就做成了一个魔方阵。各行相等的和，称为这个魔方阵的‘常数’；各行的格数，称为方阵的绝对值。每个格子里的数字都必须不同。但是若只有四个格子，就不可能造出魔方阵。

“没有人知道魔方阵的起源。在过去，玩魔方阵是好奇心重的人极喜欢的消遣。正如古人常将魔法归于某些数字，自然也将同样的力量赋予这些方格。远在穆罕默德之前的4500年，古中国数学家就已知道这些方阵了。印度也有许多人把它当作符咒。也门有位智者宣称，魔方阵可以祛防某些疾病。又根据一些部族的说法，将银制的魔方阵挂在颈间可阻瘟疫近身。古波斯的魔法家也担任行医功能，更宣称可以用魔方阵治病疗疾；依据的是神圣的医界律令Primum non nocere，这个拉丁文翻译出来，意思是‘医治之道，首在医治手段不要伤及病者’。

“在数学界里，魔方阵却另有一奇妙特性。比方说，如果某个魔方阵可以再细分成更多魔方阵，就称为‘超级魔方阵’。有些超级魔方阵甚至被视为恶魔级的魔方阵。”

一个九数的魔方阵

这是一个数学称之为恶魔级方阵的魔方阵。方阵的常数为34，不仅可由加总任何直行、横行或斜行得来，也可以用其他多重方式，加总方阵内四个数字得出。比方四角，4个数字，加起来也都是34。事实上一共有86种不同方式，都可以得到这个相同总和

撒米尔对魔方阵发表的言谈，受到哈里发与朝中贵人仔细聆听。一名眼神灿亮、鼻子扁塌、态度温暖愉悦的年长智者，盛赞“啊了不起的波斯来者撒米尔”，接下来就宣布，他想请教撒米尔的意见。

他的问题如下：“一个熟谙几何学的人，可以找出圆周与直径之间的确切比例吗？”

数数的人如此回道：“即使知道直径长度，我们依然无法确切算出圆周的大小。事实上，是该有个确切的比率数字存在，可是到底是多少？却不为几何家所知。古星相家相信，一圆的圆周是其直径的三倍，可是其实不然。希腊的阿基米德认为，如果圆周长为22肘（1肘约等于0.445至0.555米），那么直径就一定长约7肘左右。所以我们寻求的这个比例数，应该是22除以7。但是印度数学家却不以为然，伟大的花剌子模宣称，阿基米德法则根本不合实例。”

于是撒米尔向那位塌鼻的年长智者做出结论：“那个数字，似乎覆裹在奥秘之内。它的特性，独有安拉才能揭晓。”

数数的人接着拾起棋盘，向王报告：“这个老旧棋盘，一共分成了64个黑白相间的方格，正如您所知道，是用来玩一种许多世纪之前即已发明的有趣棋戏。发明者是印度人西撒，他创出这项娱乐，是为让一名印度君王开心。其中的发现经过，深深包裹在一个传奇里面，牵涉到数字、运算以及特殊操作用法。”

“我很想听听，”哈里发表示，“一定很有趣。”

“谨遵王命。”撒米尔恭覆。

然后他便说了记载在下一章的故事。

16 　策划方针

数数的人巴睿弥智·撒米尔，在此章为众虔信者的主公，巴格达的哈里发穆他辛姆·比拉，述说有关棋戏起源的知名传奇。

“从前，印度有一位王公名叫伊达瓦，是塔里加纳地的统治者，但由于古代文件的记载模糊不明，他在世与统治的确切时期已不可考。不过若说许多印度史家都认为他是当时最富有也最慷慨的君王之一，这倒是很公允的说法。

“战争，却带来致命战火，打乱了伊达瓦王的人生；令人惋惜的磨难，吞噬了君王享逸的乐趣。但是身为王者，职责所在必须保护臣民安居乐业，因此这位宽宏的仁君，被迫举起作战的利剑，一马当先领着他的小小军队，击退了野心冒险家瓦拉古突然的来犯与残暴的攻击，史上称后者为卡利恩之王。

“敌我双方的部队剧烈交战，达卡辛那战场上死尸遍野，撒布杜河奔流的圣水全被鲜血染红。根据史家记载，伊达瓦王极具世间少有的军事才能。进攻之前他镇定地策略谋划，然后又如此技巧准确地执行；诡诈来犯的敌人原本要毁灭他的王国的宁静，结果却被他全数歼灭。

“不幸的是，他虽战胜了疯狂的瓦拉古，却同时也付出了重大的牺牲。众多年轻战士为了王座与王朝的安全，付出他们年轻的生命。战场上的死亡将士之一，是阿扎密耳王子，伊达瓦王的爱子，胸口被一支利箭射穿。在战事进行到高峰之际，阿扎密耳王子为守住重要作战位置而牺牲了自己的性命，却为国家确保了光荣胜利。

“血淋淋的战役结束了，王国的疆土保住了，伊达瓦王回到他在安卓拉的豪华宫室，却严禁举办传统的喧闹游行，这是印度人庆祝凯旋通常必有的盛典。他回到后庭私室，再也不肯出来公开露面，除非发生真正重大的问题，攸关子民的福祉利益，他才愿意上朝与大臣或婆罗门智者商议。

“岁月如逝水流去，那场沉痛战役的苦涩记忆却未尝消减，反而变得越发沉重，将伊达瓦王更打入哀伤苦痛之中，消沉在悲伤懊悔里面。纵使拥有再富丽的宫室、再多的大象战利品、再巨量的珍宝，却失去了世上唯一令你觉得值得一活的事物，这一切又有何益处呢？在一名无可安慰、永远忘不了失去爱子的父亲眼中，物质的财富又有什么价值呢？

“王始终无法忘却阿扎密耳王子战死的那场战役，不能将当时战场上的消长变化从脑海中排除出去。可怜的君王度过日夜时光，一个时辰又一个时辰，不停地在一只大型沙盒之内，描画出己方部队在那场攻势中的调度移动。这一道沙痕，代表步兵的推进；另一边平行的沟线，是战象的进攻。稍微下方的位置，以对称圆圈阵势排出的队伍，则是一名老队长指挥下的骑兵师旅，人称他蒙有月神塔卓拉的庇佑。战场中央，王画出敌军在这里列阵。敌方之所以会被逼到如此不利位置，正是王奇技用兵策略的结果，最后也因此轻易并决定性地将敌军击溃了。

“完成了这张战场双方列阵图，连同所有他能记得的细节，王就又把它们全部抹去，然后又从头来过，再度开始。仿佛借由重新再经历一次过去，重尝心中所有的痛苦折磨，就可以从中得到某种快慰。

“每日清晨，当年老的婆罗门僧侣们抵达王宫，前来聆听吠陀经的诵读，王早已在沙盒中画了又抹去那幅他永远都忘怀不了也停止不了去画的战阵图。

“‘唉不快乐的王，’他这些忧虑的僧侣喃喃叹息，‘他就如同被真主夺去了理智的奴隶一般。只有强壮又有悲悯的保护大神，才能拯救他。’

“于是众婆罗门为他们的王祷告，焚起有香气的树根枝丫，恳求病患者的永恒保护神帮助塔里加纳的王。

“最后，终于，有一天，王接到通报：一名谦卑而贫穷的年轻婆罗门，恳请要来见王。他已经求见多次，却都被王拒绝了，王声称自己的灵性还未强壮到可以接见访客。可是这一回，王同意了他的请求，命令把这名年轻的陌生人带进宫到他面前来。

“进入谒见厅后，年轻的婆罗门受到诘问，依礼由王的一名贵族进行。

“‘你是何人？从何处来？来此有何求于这位依照毗湿奴天神的旨意，担任塔里加纳之王与之主的君侯？’

“年轻的婆罗门答道：‘我名叫西撒，来自那米耳村庄，距离这座辉煌的王城约有30天步行路程。有消息传到我居住的那地，说我们的王日夜受到深沉的忧郁所苦，因战争的命运将我们的王子自他身边夺去而悲痛不已。我想，我们高贵的君王若将自己关在宫中不见人，犹如眼盲的婆罗门屈服于自身的苦痛，那将是一件多么可怕的事。因此，我想也许可以发明一种游戏，令王分心，打开心房，接受新的乐趣，或许会是一件有用的事。这就是我特意带来献给我王伊达瓦的谦卑礼物。’

“这位印度王公有个毛病，一如众多历史书上记载的所有伟大哈里发：就是好奇心极盛。一听这名年轻僧侣要送他一份新奇游戏，王便急着想要观看评估这份礼物，一刻也不能耽搁。

“西撒便将一块板子拿到伊达瓦王的面前，只见板上画分成64个大小相同的格子，板面上又散置着一白一黑两组游戏子，看不出任何特意安排。这些塑成各种形状的对象，以对称方式放在盘上，还有奇特有趣的规则，规范着它们的移动。

“西撒耐心地向王以及聚在四周的王公大臣们解释，这个游戏的目的与基本规则：

“‘对弈双方，都各有八枚小子，称作兵丁，代表己方送出去阻挠敌方进攻的步兵。支持兵丁前进的则是战象，由较大、更具威力的大子代表。战斗中绝对少不了的骑兵，也出现在这场游戏里面，由另外两子担任，可以像马一样跳越其他棋子。为加强攻击力量，还有两名代表诸侯领主的棋子，这是两名受尊敬的贵族武士。又有一子象征人民的爱国精神，称作后；这个子可以做多种移动，比其他子都更有效率与威力。最后完成整个队伍的是一枚主要的棋子，此子单独一子什么事都不能做，可是一旦有其他棋子支持，却可以变得非常强大。那个子就是王棋。’

“伊达瓦对这个游戏的规则如此感兴趣，立刻追着发明者问：

“‘为什么后比王强大呢？’

“‘后比王强，’西撒解释，‘是因为在这个游戏里面，后代表着全国百姓的精神。王座最伟大的力量，全寄于它的子民的高举。如果围绕在它身边的人没有牺牲奉献的决心与承诺的付出，缺乏愿意保护家国王权的精神，王怎能逐退敌人的来犯？’

“几小时后，王很快便掌握住游戏的所有规则，更在一场精彩对弈中打败了他的王公大臣。

“对弈当中，西撒不时恭谨地介入，以澄清下法，或建议另一种攻势或守势的布局。

“玩到一个节骨眼上，王极惊异地发现，在不断变化地移子走棋之下，此时盘面竟摆出与达卡辛那一役完全相同的阵势。

“‘请注意啊，’这位年轻的婆罗门说，‘若要赢得这场战役，这只贵族武士势必非牺牲不可……’

“他精确地指向那枚棋子，正是王于战斗最酣之际，在队伍最前头所放下的那一枚。聪明的西撒便这样点明了一件事：有时候一名王子之死，是保障其子民平安自由的必要牺牲。

“听到这番话，伊达瓦王的心里充满兴奋激昂，不禁说道：‘我真不敢相信，世间竟有聪明人造出像这么有趣又具指导意义的游戏！借由移动这些简单的棋子，我已经学到了一件事：身为君王，若没有臣民的支持与献身，这样的君王毫无价值。我也学到：有时候为赢得一场重大胜利，区区一名小兵丁的牺牲，价值可能与牺牲一颗有力的棋子不相上下。’

“于是王转身向年轻的婆罗门道：‘我想重重酬谢你，我的朋友，你这份精彩礼物令我解脱了此前的悲痛哀愁。因此告诉我你想要什么，只要在我所能给予的范畴之内都行，好让我向你显示：对于那些配得回报之人，我会是多么感激。’

“西撒却似乎完全不受王的慷慨提议所动。他的表情平静，未露出任何兴奋，也没有惊异之色。年轻僧侣的无动于衷，令朝臣大为惊讶。

“‘英明伟大的主公！’年轻婆罗门不卑不亢地回复：‘为这份带到您面前的礼物，我什么都不企求，因为没有任何事情，能比知道我已为我们的塔里加纳之王解脱了无尽悲哀更能令我满足了。因此我已经获得回报，其他任何奖赏都是多余的。’

“我们的好国王，对这个答复露出几分轻蔑不信的一笑，因为印度人通常非常贪婪，这种淡然极为罕见。他无法相信这名年轻人的答复真有诚意，因此坚持道：‘年轻人，你对物质事物的不屑与淡漠，实在令我惊讶。但是谦逊过了头，就如同吹熄了烛光的微风，令老年人陷入夜晚长时的黑暗。人生的路上险阻重重，唯有企图心才能将他引到一个设定的目标；因此人的精神心灵，务必向这种企图雄心屈服。所以你应该莫再迟疑，快快选择一项礼物，分量可以和你带给我的礼物价值相称。你喜欢得一袋金子吗？还是想要一箱珠宝？一座宅邸如何？或者赐你一处行省，让你自家统治管理？千万小心作答，因为你必得到你所要求的报偿，我言出必行！’

“‘王都这么说了，若再拒绝就是有违王命，而不仅是失礼了。’西撒只好回答，‘如此一来，我愿意为我发明的这个游戏接受赏赐，而这赏赐的分量也应合乎您的慷慨大度。不过，我不希望得到金子、土地或宅邸。我想要小麦粒作为赏赐。’

“‘小麦粒？’王惊呼，完全不能掩饰他对这出人意表的要求的惊讶：‘我怎么能用如此不起眼的东西来酬谢你呢？’

“‘再简单也不过，’西撒解释道，‘请赐我1粒麦子，这是为棋盘上的第一格。然后第二格2粒，第三格4粒，第四格8粒，以此类推，每一格是前一格的加倍，一直到第六十四格也就是棋盘上最后一格为止。我祈求，王啊，为符合您慷概大方的赠予，就请以我刚才提出的方式将小麦粒赏赐给我。’

“此时不但国王本人，连同所有贵胄、婆罗门僧侣，还有其他在场的每个人都忍不住哄堂大笑起来。这么奇特的要求！事实上，所有比西撒眷恋世间物质事物的人，听了他的要求都惊奇不已。这个年轻人，明明可以获得一省或一座府第，却竟然只想要几颗麦粒。

“‘呆子啊！’王大喊，‘你从哪儿学来这等轻视财富的念头？你要求的报酬太可笑了。你一定知道，单单是一把小麦穗就可以有数不清的麦粒。所以只消几把麦穗，我就可以赐下你所要求的全部麦粒，甚至还要更多。依照你的算法，棋盘每移一格就多加一倍粒数；你索取的这个报酬，甚至连我们国中最小的村庄都喂饱不了几天。但是好吧，既然我先前已经答应你要什么就给你什么，我就把你刚才要求的赐给你吧。’

“于是王吩咐将朝中最能干的数学家带到陛前，命令他们把该付给年轻西撒的麦粒算个妥当。几小时密切研究演算之后，这些智慧人回到厅中，将他们算好的结果呈报王上。

“王停下手中正在进行的棋局，问数学家道：‘我得付给年轻的西撒多少粒麦子，才合乎他的请求？’

“‘慷慨大度的王啊！’他们当中最智慧的一位答道，‘我们已经算好了麦粒的总数，获得的结果完全超乎人所能想象。我们仔仔细细算过，一共需要多少担盛装这些麦粒，结果竟得到这样的结论：您必须付给西撒的麦粒，总量有一座山那么大，底部直径等于塔里加纳城，高度比喜马拉雅山高出十倍。即使全印度的田地都种小麦，两千个世纪都不够您所应允给年轻西撒的麦粒。’

“要怎么才能形容伊达瓦王以及他朝中显贵的惊诧呢？这位印度王终于领悟到——或许是他这辈子头一遭——他竟然无法实现自己许下的承诺。

“根据当时史家的记载，结果西撒一如良好的臣民所当为，完全无意令他的君王为难。他公开地放弃了自己的要求，因此解除了王者一言既出的束缚，然后他恭敬地向王禀告：

“‘王啊，请思考智慧的婆罗门们一再重复的那项真理：世间最聪明的人，有时不仅被数字的表象蒙蔽，而且也会被表面的谦卑所欺瞒，殊不知看似谦卑的背后却是真正的贪婪野心。因此若不能单凭自身的智慧估算出债务的分量，就轻易承担下债务，那人就会有烦恼了。大大赞美而少少应承，才是明智的人。’

“停了一会之后，他又说：‘我们自婆罗门的虚无学问所学到的东西，往往比直接的生活经验为少，但是后者给予我们的教诲，却常常被人忽略！一个人活得越久，就越被道德情绪所困。一会儿悲，一会儿喜；今天狂热，明日又变为温吞冷淡；这一刻野心勃勃，下一刻却懒散了无情绪——因此一个人的心境时刻改变。只有真正聪慧明智之士，饱学于性灵之律，才能将自己超脱于这些烦琐困顿与无常的心绪变化。’

“这番话，如此出人意料，却又如此智慧，深深地打动了王的心。之前应允年轻婆罗门的如山麦粒既已作罢，王现在改立西撒为他的头号贵族。

“于是年轻的西撒，以聪颖的棋戏为王解忧，又以智慧审慎的忠告进言，他将祝福倾注于众人与众人的王，使王座更加安定，令国家获得更大的荣耀。”

撒米尔的棋戏起源故事，迷住了哈里发穆他辛姆。他把书记召来，下令将西撒这则传奇记载在特制的棉纸上，并珍藏在一具银制的柜子里面。

然后我们慷慨的君王，也考虑他是否也该赐给数数的人什么礼物：一袭荣誉外袍或一百锭金子。

“真主透过慷慨之人的手，向世人发话。”

这样的慷慨，表现在巴格达的统治者身上，令人人感到欣喜。厅中的朝臣都是玛勒夫大人与诗人爱以兹德的好友。他们也赞同地倾听着数数人的话语。

撒米尔谢谢王赐予他的礼物，便从厅中退出。哈里发将注意力转向他的政务，聆听他的部会大臣禀报，并做出贤明裁定。

我们在薄暮时分离开王宫。这是沙邦月八月之始。

题解说明

◎棋盘与麦粒

这道题目，无疑是最出名的趣味数学题之一。依照伊达瓦王所做的承诺，小麦粒的总数，必须等于64格组成的等比级数之和：

1+2+4+8+16+32+64+128…

而这个总和的计算公式非常简单，小学就学过了。

应用这个公式，我们可得总和S的值如下：

S=264 -1

也就是把2自乘上64次。这个长长的算式最后终于算完，结果为：

S=18，446，744，073，709，551，616-1

再把后面那个一减去，结果为：

S=18，446，744，073，709，551，615

这个巨大的20位数，就是伊达瓦王答应赐给西撒的麦粒总数——那位发明了棋戏的传奇人物。据估计，若把整个地球从南到北都改为麦田，每年收成一次，必须花上450年，才能达到这个天文数字级的麦粒总数！

根据17世纪英国知名数学家华理斯所说，这巨量的麦粒可装满一个每边长9.4公里的立方体内。依照那个年代的单位，这位印度王必须付出的代价是855，056，260，444，220磅粮食。（1磅=0.4536千克）

超过850兆！这可不是一个区区小数。

纯为打发时间，如果我们来数这巨山般的麦粒堆，每秒钟数5粒，日夜不停地数，一共要花上11.7亿个世纪！

17 　苹果与蚂蚁

数数的人接到各方征询。信仰与迷信。数字与数目。史家与算家。90个苹果的事例。科学与慈善。

在那出名的一天之后——我们首度在宝座之前觐见哈里发——我们的日子完全改变了。撒米尔的声名大噪；我们下榻的小客栈里，住客纷纷向我们问好，表示敬重不已。

每天，数数的人都接到几十起询问。有个税吏想知道：我们阿拉伯秤珍珠的度量衡单位，一个阿巴斯等于几个瑞妥斯，而中国的单位一克又等于多少瑞妥斯和阿巴斯。然后又有一位大夫前来请教，请撒米尔解释如何用一根打了七次结的绳子治疗热病。不止一次，骆驼客、香火商跑来问我们数数的人：一个人必须跳过几次火堆才能驱走恶灵。不计其数，在黄昏时节，表情严峻的土耳其军士来见撒米尔，请教他在各种概率赛事中如何可以稳赚包赢。其他时候，又有女人掩在厚厚的面纱之后，来向我们的大数学家请益：她们应该在自己的左前臂上写下哪个数字，好为自己带来幸运、欢乐或财富。

对于他们的询问，撒米尔全都以耐心与亲切回复。有的人他给予解释，有的人他提供劝言。他试着打消无知者的迷信，并向他们表示：根据真主的旨意，数字与我们心中的悲喜焦灼，两者之间并无关联。

所有的咨询、会面，撒米尔都是出于博爱助人之心响应，却从不期待任何报酬。若有人献上钱财，他也立时回拒。某位大人坚持付酬，以答谢撒米尔替他解决了问题，撒米尔只好接过那袋钱，谢过大人，然后便吩咐分给本区的穷人。

又有一回，一名叫作阿兹兹的商贾前来，手抓着张纸，上面全是数字，大发牢骚控诉他的生意伙伴，骂那人是个“卑鄙的小偷”“无耻的大骗子”，又以各式同样无礼侮辱的称号骂个不停。撒米尔帮他镇定下来。

“你当留神这些不顾后果的肆意谩骂，”他说，“因为这些言语往往会令你看不见真相。透过有色玻璃看事情，看到的东西就全是那玻璃的颜色。如果玻璃是红的，看起来就都血红一片。如果玻璃是黄的，所有一切就都如蜜色甘美。激烈的情绪，就像一面玻璃遮在人眼前。若对方合我们的心、称我们的意，我们就充满了赞美，都是宽恕原宥。但若有人得罪我们、令我们不高兴，我们就会对他所作所为全部严厉批判断定。”

然后他便耐心地检视纸上的账目，发现其中有各种不同错误，使得总数出了差错。阿兹兹这才明了原来自己错怪了合伙人，并对撒米尔的聪敏大表欢喜，便邀请我们当夜与他一起逛街游城。

我们这位新交的同伴，带我们到了奥斯曼广场的巴扎利卡咖啡铺。一位有名的史家正坐在烟雾弥漫的屋内说故事，迷住了一室的餐客，大家都听得如醉如痴。

我们很幸运，来得正是时候，密达老爷刚好说完引子，才要进入故事正题。他年约五十，肤色黝深，络腮大胡漆黑如墨，眼睛灿亮放光。一如巴格达所有善说故事之人，头上绑着白色大布条，用一根骆驼毛细绳系住。如此装束，给了他一种古代祭司的庄严法相。他坐在听得入神的众人中间，以响亮高扬的颤声吟哦，配着鲁特琴与击鼓的伴奏述说。餐厅内人人紧紧抓住他说的每一个字，他的手势如此夸张戏剧，音色如此富于表现，神情如此生动有力，以致不时令人感觉他仿佛真的曾经身历他所编造的冒险实境。当他说到一段长程跋涉的旅途，他甚至模仿骆驼疲累缓慢脚步的节奏。另外有些时候，他则扮出一名贝都人沙漠寻水，只要能有一滴可饮之水的那种深切疲竭之情。有时他更让自己的头与双肩下垂，仿佛是一个完全陷入绝望的人。

从他口中，我们似乎可以看见阿拉伯人、亚美尼亚人、埃及人、波斯人，还有古铜色肌肤的汉志人游牧民族，全都栩栩如生。真是令我们无比钦佩啊，这位聪颖智慧的说书人，那黯然忧郁的眼神，完全投射出荒凉野地残酷光景背后的深刻情绪！说书人的身子从一边摇向另一边，然后又回到中间，时而双手掩面，时而又投臂向天，就在他以言语撕裂划破空气的当儿，乐师们同时也扬起一阵如雷巨响的嘹亮急奏。

故事说完，掌声震耳欲聋。然后听客们开始交头接耳，彼此谈论故事中最戏剧的片段。

我们新结识的这位商人阿兹兹，似乎在这群嘈杂的众客中十分受欢迎，他移步到屋子正中央，刻意慎重而缓慢地向那位说书史家说道：“今晚我们中间，众阿拉伯弟兄啊，很荣幸来了那位知名的巴睿弥智·撒米尔，波斯大运算家，朝廷高官玛勒夫大人的秘书。”

几百双眼睛立刻转向撒米尔，他的光临的确令这间餐厅的众位宾客备感光荣。

说书的人恭敬有礼地向数数的人招呼问安之后，便以一种不疾不徐、不高不低的清晰声音说道：“朋友们！我曾说过许多好坏君王与善恶精灵的绝妙故事。今晚，为向这位来到我们中间的出色运算家致意，我要再讲一个故事，故事里面有个问题，至今还未找到答案。”

“好极！好极！”听众欢呼。

在敬颂安拉之名后——所有赞美、荣光都归于安拉！——说书史家便开始了他的故事。

“从前，大马士革有个农人，颇有生意头脑，他有三个女儿。一日，他告诉一名法官，他的女儿不但聪慧，而且蒙天所赐拥有极不寻常的想象力。但这位法官是个好妒又吝啬的家伙，听到一名农人竟如此赞美自己的女儿大感不悦，因此响应道：‘这是第五次你告诉我了，而且是用这等夸大的口气，你女儿是多么地有智慧。我倒要传她们到我的庭上来，亲眼看看她们到底是不是像你所夸的那般聪明。’

“于是法官命人将三个女孩子带到他面前来。然后对她们说：‘这里是90个苹果，你们拿到市场上去卖。老大法娣玛，你拿50个；老二康达儿，你拿30个；最小的希雅，你拿余下的10个。如果法娣玛七个卖一个第纳尔，你们两个小的就必须也用同样价钱去卖。但如果法娣玛每个卖三个第纳尔，你们也得如价照办。总之，无论你们怎么做，你们每人各自不同数目的苹果最后都得卖一样的价钱。’

“‘可是，我不能把我的苹果送掉一些吗？’

“‘绝对不行，’这个坏心的法官说，‘条件规定就是这样：法娣玛一定得卖50个，康达儿30个，希雅卖剩下的10个。而且你们三个都得以同样的价格去卖你们各自的苹果，最后你们三个也都得赚回同样的进账。’

“三姐妹进退两难，这当然是个荒谬不合理的困境。她们怎么可能解决这个难题呢？虽然她们都用同样的价钱去卖苹果，50个苹果卖得的总价，当然会大大地超出30个或10个的售价。

“女孩儿们不知道该怎么解决这项挑战，只好去见区内一位圣者。圣者在许多张纸上写满计算之后，结论如下：

“‘好，姑娘们，这答案就像水晶一般，再透亮也没有了。就照法官的吩咐，去卖这90个苹果吧。你们每人都会得到相同的进账。’

“圣者给三姐妹的指示，乍看似乎并不能解决90个苹果的问题。但姐妹们还是照吩咐去了市场，并分别依指示把她们各自的苹果卖了。也就是法娣玛卖50个，康达儿卖30个，希雅卖10个，而且都用同样的价钱卖掉——而最后每一位也都获得相同数目的进账。故事说完了。我现在就要请我们的运算家帮我们解释，那位圣者到底是如何解决这个难题的。”

说书人的话几乎还没说完，撒米尔就立刻向聚在场中的众位客人说道：

“以故事方式呈现的题目，总是特别有趣。因为故事可以把背后真正的数学逻辑问题，包装掩饰得这么美好。那位大马士革法官用来为难三姐妹的难题，解答如下：

“一开始，法娣玛7个苹果卖1个第纳尔。如此这般卖了49个，留下1个不卖。

“康达儿也用这个价格先卖28个，可是留下2个。

“希雅同样用这个价钱卖掉7个，但留住3个。

“然后法娣玛再把剩下的1个用3个第纳尔卖掉。遵照法官定下的规则，康达儿也把她剩下的2个苹果各卖3个第纳尔。然后希雅也把她剩下的3个苹果各卖3个第纳尔。

因此：

法娣玛

康达儿

希雅

“所以，三姐妹每人的苹果都卖得10个第纳尔，解决了大马士革那个好妒法官提出的难题。”

愿安拉惩处坏心人，奖赏好心人！

密达老爷听了撒米尔提供的答案欣喜万分，惊喜地大喊，双手举向天：“以穆罕默德的二次再临之名！这位年轻的数数人真是天才！这是我头一次遇见有人不必动用复杂的演算解释，就能完美地破解法官提出的难题！”

餐馆在场众人犹如一人，都同声加入说书先生的欣喜喝彩。

“好极了！太精彩了！愿安拉也赞赏这位年纪轻轻的智者！”

撒米尔请喧闹欢声的众人静下来，继续说道：“诸位朋友，我一定要抗议，我实在不配得智者的荣衔。只不过帮着减少一些无知，这样的人实在还称不上是智者。与真主的科学比起来，人的科学有何价值，算得了什么呢？”

在任何人赶得及回答之前，撒米尔又开始说起下面这个故事：

“从前，有一只蚂蚁出门，正爬过地面行走，半路遇到一座糖山。这个发现令小蚂蚁欣喜万分，立刻搬走一粒糖返回蚁穴。‘这是什么玩意儿啊？’隔邻的蚂蚁纷纷问道。‘这个啊，’虚荣的小蚂蚁回道，‘是座糖山。我在半路发现的，决定带回家来给你们大家瞧瞧。’”

说毕，撒米尔以一种迥异于他平日安详神态的激烈表情说道：“这就是傲慢人的智慧——只不过找到一粒碎屑，就把它称为喜马拉雅。科学是一座巨大的糖山，我们只不过从这座大山找来区区一小口满足自己而已。”

然后他又以极大的坚定果决表示：“对人类唯一有价值的科学，乃是真主的科学之学。”

一名也门水手问道：“伟大的运算家，那么什么是真主的科学呢？”

“真主的科学，乃是仁慈与慷慨。”

此刻，我忽然记起那日在爱以兹德老爷园中，当鸟儿全被释出笼外，泰拉辛蜜所唱的那首令人赞佩的绝妙歌词：

我若能说万人的方言，
并天使的话语，
却没有爱心，
我就成了鸣的锣，
响的钹一般。
　　我就算不得什么。
　　我就算不得什么。

子夜，我们离开餐厅，几位人士自告奋勇提着他们的灯笼，陪我们走过黑暗的夜晚与蜿蜒的巷弄。很快我们就不知自己身在何处。我仰头望向天空，就在那里，高高的漆黑夜幕之中，灿亮的列队星子中间，那熠熠放光的耀眼明星，绝对错不了，正是天狼星。

安拉！

18 　危险珍珠

本章叙述我们又来到爱以兹德老爷的府邸。与众诗人、博学之士一场大会。向拉哈尔的大君致敬。数学在印度。“丽罗娃蒂珍珠”的动人传奇。印度人撰写的数学文献。

次日时间尚早，一名埃及人就来到我们简朴的小客栈，送来一封诗人爱以兹德的请柬。

“可是此刻离上课时间还早，”撒米尔耐心地表示，“我恐怕我的学生还没准备好。”

埃及人向我们解释，大人想在上课之前，先把我们这位波斯人介绍给他的一群友人，所以若不致造成我们不便，可否移驾尽早光临。

这一回为谨慎防范起见，我们带了三名奴隶同去，都是强壮、果决的勇士。因为我们担心那个令人害怕又好妒的塔那提耳把撒米尔视为仇敌，或许会企图谋刺，在半路袭击我们。

还好一路无事，一小时后我们抵达了爱以兹德老爷的豪华府邸。那名埃及仆人带我们走过无尽的长廊，进入一间富丽的接待室，蓝色的房间，金色的壁楣。我们静静地跟着他，我心里却不免带有几分忐忑，不知道这突然召见是为什么。

在那里我们看见了泰拉辛蜜的父亲，身边还围聚着一些诗人与博学之士。

“平安与您同在！”

我们互相问安。屋子的主人以亲切友好的态度招呼我们，请我们坐下。我们将自己安置在柔软的丝质坐垫上，一名奴隶为我们拿来水果、酥派糕点、玫瑰水。

我看出其中有名宾客似乎是异邦人，一身服饰极其奢华讲究。热那亚丝缎的白色袍挂，用一条镶满珠宝的饰带束腰，腰间一把璀灿短刃，嵌满了蓝宝石与青金石。缠头巾是粉红色的丝质，饰以黑色饰线与多颗宝石。精美的戒指在纤长的指上闪闪发光，更突显手背的橄榄肤色。

“高贵的数学人啊，”爱以兹德老爷开口向撒米尔说道，“我知道你一定感到讶异，为何在寒舍召集这场聚会。不过我必须告诉你，这是为了向我们高贵杰出的客人克鲁遮·穆拔列克大君致敬，也就是拉哈尔与德里的主公。”

撒米尔颔首，向这位身系珠玉腰带的年轻大君致意。

从金鹅旅舍住客的闲谈中，我们已听说过这位印度王公，他离开自己富饶的领地出这趟远门，乃是为要履行身为虔信的穆斯林一生当中，务必完成的一项职责——也就是前往伊斯兰之珠麦加圣地朝觐。此刻他只是途经巴格达停驻几日，很快就要带着他的无数助理、仆从启程前往圣城。

爱以兹德老爷继续说道：“克鲁遮大君提出了一个问题，我们非常热切期望你能为我们厘清：印度人对数学的提升增进有何贡献？又有哪些位印度几何学家，曾对几何这门学问的研究做有杰出贡献？”

“慷慨大度的大人啊！”撒米尔答道，“您交付的任务，我觉得既需要学识也需要平静沉着才能答复——学识，是因为如此才能知悉科学史上的细节；平静沉着，则是因为如此才能发挥鉴别力进行分析评估。然而大人啊，即使是您最微小的意愿，我也一定尽力恭敬从命。因此就让在下为在场诸位显赫的贵客，述说一下我对恒河之乡数学发展的微薄认识，以作为对克鲁遮大君的小小敬献。”

于是他便开始述说：“在穆罕默德之前的9至10个世纪，印度有位知名的大婆罗门名叫阿拔斯坦巴。这位圣智之人写了一本《算数经》，以教导众僧侣建造神坛、设计寺庙。书中有无数数学算例；但是若说这本著作曾受毕达哥拉斯理论的影响，那是绝无可能的，因为这位印度智者并非遵循希腊式的研究调查方法。他在书中提出各式定理、命题，规范出数学方法。比方为说明祭坛的造法，阿拔斯坦巴建议画一个直角三角形，三边各长39英寸、36英寸、15英寸。为解决这个问题，他使用了一般认为是希腊人毕达哥拉斯所发明的定律：

以三角形斜边为边所绘的正方形平方面积，等于以另外相邻两边为边分别所绘的正方形平方面积之和。”

然后撒米尔转身面向爱以兹德老爷，后者正专注聆听，撒米尔继续说道：“若用图解来说明这个知名命题，应该会比较简单。”

爱以兹德老爷向仆人示意，一会儿就有两名奴隶搬进一个大沙盘来。撒米尔可在平坦的沙面上画出图形，为拉哈尔来的大君描绘出他的计算。撒米尔用一根竹棍在沙上画着。

“这是一个直角三角形。最长的一边称作斜边。现在让我们在三边各画一个正方形，可以比较容易地证明：在斜边上所画出的那个最大的正方形，其面积正好等于另外两个小正方形之和，因此证实了勾股定理的正确。”

印度王公问道，这同样原则是否可适用于所有三角形。

撒米尔严肃地回答：“对所有直角三角形都永远适用、恒久不变。我必须严正表示，一点也不怕自己可能说错：勾股定理表达了一个永恒的真理。甚至在阳光临照到我们身上之前，甚至在地上有空气让我们呼吸以前，斜边的平方就是等于另两边的平方和。”

印度大君完全被撒米尔的解说迷住了，他向诗人爱以兹德热情说道：“几何是多么奇妙啊，我的友人！一门多么出色的科学啊！在几何的学习里，我们看见了两件事，甚至可以感动最卑微、最不用头脑去思考的人——也就是清晰与简洁。”

他又以左手轻触撒米尔的肩头，问他：“那么这位希腊人提出的原理，也曾出现在阿拔斯坦巴的《算数经》里吗？”

撒米尔毫不迟疑地回应。

“哦，是的，我的王！”他说，“你会发现这则所谓的勾股定理，也包括在《算数经》中，只是以一种稍许不同的方式出现。正是经由阅读阿拔斯坦巴，僧侣们学得如何建造祈祷室，将直角转成为相应的正方形。”

那么印度还出过任何其他知名的算学著作吗？

“相当多部，”撒米尔答道，“我要特别提一下那部奇书《日轮悉檀》，内容十分精彩，可惜作者不详。书中非常简单地写下了十进制数的原则，并显示零这个数字对运算者无比重要。而重要性不亚于这部书的，还有另外两位婆罗门智者阿耶别多和婆罗摩笈多的著作，今日仍然极受数学人的景仰。前者的专文共分成四部分：论天体之和谐、论时间与时间的衡量、论球体以及论运算法则。不过阿耶别多文中的错误也不少——比方书中主张金字塔的体积，可由底面积的一半乘以其高而得。”

“这个说法不对吗？”印度大君问道。

“完全错误！”撒米尔回道，“我们若要求得一座金字塔的体积，必须用底部面积的三分之一，而非二分之一，乘以塔的高度。”

坐在王公旁边，是一位衣着华丽、高高瘦瘦的人士，红色的毛发杂在他的灰胡子之间参差显露，看外貌不似印度人氏。我猜他应是个猎虎力士，可是我弄错了，原来是位印度星相术士，随同王公前往麦加朝圣。他头戴一顶蓝色的缠头巾，连绕三次，颇有些铺张炫耀的意味。此人名叫萨都，似乎对撒米尔所言甚感兴趣。

在某个节骨眼上，这位星相术士萨都决定加入讨论。他以生硬的外国口音问撒米尔道：“请问这是真的吗，听说印度有位深谙星相奥秘与天地间最神秘之学的人士，也曾研究过几何？”

沉吟了一下，撒米尔拿起他的竹杖，清理掉沙面，写下一个名字：

博学者婆什迦罗

然后恭谨地说：“这是印度最知名的一位几何家的大名。婆什迦罗知晓星子的奥秘，深研天地间最神秘的奥妙。他生在底康省的比东姆，是穆罕默德之后5世纪的人。他第一篇文字的篇名是Bijaganita 。”

“Bijaganita ？”蓝缠头巾的人士问道，“Bija是种子之意，而ganita，在我们最古老的方言之一里面，意思是指‘数算’或‘衡量’。”

“正是如此，”撒米尔点头，“这个篇名的最佳翻译，正是‘数算种子之艺术’。除去这篇Bijaganita ，博学的婆什迦罗还写了另一部有名著作《丽罗娃蒂》，这个书名，我们都知道，乃是他女儿的名字。”

蓝色缠头巾的星相家插嘴问道：“听说这背后还有一个围绕着丽罗娃蒂的传奇。你知道吗？”

“我的确知道，”撒米尔答道，“并且，如果我们的大君允许，我可以说说这个故事……”

“乐闻其详，”拉哈尔的大君叫道，“让我们听一听丽罗娃蒂的传说！我敢保证这故事一定非常吸引人！”

此时爱以兹德老爷做了个手势，就有五六名家奴在房中出现，向宾客分别送上填料烤雉、奶糕、水果，以及各式点心饮料。我们享用完美食美点，又依例洁净了手，便请数数的人开始讲故事了。

撒米尔抬头环视在场众人，开始讲道：

“以安拉之名，他是有智慧又有恩慈的！那位知名的几何大家、博学者婆什迦罗，有一个女儿名叫丽罗娃蒂。爱女出生之时，身为星相家的父亲查察天相，依据星座配置，看出她命定终身不得出嫁，不会有好青年上门求亲。婆什迦罗无法接受爱女竟注定有此命运，前去请教多位当时出名的星相家。温柔甜美的丽罗娃蒂，当如何才能找到一个丈夫，有个幸福美满的婚姻呢？

“一位星相家忠告婆什迦罗把女儿带到遮维拉省，那里地势近海。当地有座石头雕成的庙寺，内有一尊佛像手上执有一星。这位星相家断言，只有在遮维拉，丽罗娃蒂才能找到丈夫，可是这桩婚姻若要幸福圆满，婚礼就一定要依照时辰筒上标示的特定日期举行才成。

“果然有一名富有的年轻人向丽罗娃蒂求婚了，令她芳心为之一喜。这位求婚者为人诚实、奋发向上，又出身高阶的种姓身份。于是大喜之日订定，时辰也定好了，众亲友都前来参加婚礼。

“印度人测量决定每日辰光的方法，是借用一只圆筒，放在一个装满水的瓶子里面。圆筒上端开口，底盘中央有一小洞。随着瓶中的水慢慢溢入筒内，筒在瓶中缓缓下沉，直到某个预先设定的时刻，筒内完全浸满了水。

“婆什迦罗极其小心地将时辰筒放好就位，就等水位到达预先标定的高度。可是他的女儿，却被女人家常有的那股无法压抑的好奇心所驱使，想要观看水位在圆筒内上升的模样。于是她倾身去看，没想到衣服上的一粒珍珠却松了，掉进瓶中。不幸的事情发生了：这颗珍珠被水力所推压，竟然正好堵住了圆筒底端的小孔——正如星相家所预言！新郎与众宾客只好退席，准备在考查星相之后另择吉日重新回来成婚。几周之后，这位向丽罗娃蒂求婚的年轻婆罗门贵族青年却不见踪影，婆什迦罗的女儿也一直未嫁，终生是个小姐。

“婆什迦罗明白了，天注定的命运，若再抗拒亦属无益，于是贤智地对女儿说：‘我要写一本书，使你的名字流芳后世，你将永远活在男人的心田记忆之中，比你那运气不佳的婚姻所可能生出的儿女的寿命，更为长久。’

“婆什迦罗的著作享有盛名，而丽罗娃蒂之名也在数学史上成为不朽。数学家所称的丽罗娃蒂，是指用以演示十进制数以及整数运算法。书中精细地研究四种不同运算法——仰角、平方、立方，以及平方根的求取。接下来又钻研如何求得任何数字的立方根。然后又着手对付分数，使用那个以最小公倍数为公分母的知名法则。婆什迦罗清晰地一一解析这些问题，并使用一种高雅甚至浪漫的风格陈述。这是书中一个例子：

受尽钟爱的丽罗娃蒂啊，你的双眸比温柔的羚羊眼眸还要柔和，请告诉我：135乘以12的积是什么数目。

“书中另一处有趣的问题，则涉及一群蜜蜂的计算：

一群蜜蜂飞来，五分之一飞到卡达美巴的花儿上驻足，三分之一飞到希琳达的花儿上停歇。这两个数字之差的3倍蜜蜂，又飞过可丽塔珈的花儿，最后单余一只蜂儿留在空中，受到一株茉莉与一树盛放的花儿的香气吸引。请告诉我，美丽的女孩儿，这一群蜂儿总共是几只呢。

“答案是15只。婆什迦罗在他的书中展示，最复杂的问题，也可以用生动、甚至优雅的形式呈现出来。”

撒米尔在沙上不断画着，从丽罗娃蒂书中挑拣出一些奇特题目显示给拉哈尔的大君看。

抑郁不乐的丽罗娃蒂啊！

我口中念着这位不幸女孩儿家的芳名，不禁想起我们这位大诗人的诗句：

如大海环绕大地，
　　你也亦然，我的姑娘，
　　环抱着全世界的心，
　　以你珠泪的深洋。

题解说明

◎蜜蜂

撒米尔所说的这个故事，是印度几何学家婆什迦罗《丽罗娃蒂》中的一则故事（婆什迦罗把这个题目陈述得如此诗意！），答案可以借由一次方程式之助求得：

(x/5)+(x/3)+3(x/3-x/5)+1=x

上列方程式的根为15，也就是此题之解。不过婆什迦罗时代的所用的代数标记表示法与我们现在非常不同。

19 　针鱼/水手的抉择

克鲁遮大君对数数的人赞不绝口。撒米尔解决三名水手的问题，并发现了圆形徽饰的秘密。拉哈尔大君的慷慨提议。

撒米尔如此推崇印度科学，以及它在数学史上的地位，令克鲁遮大君印象深刻。年轻的大君说，他认为数数的人非常有智慧，有能力教导一百名婆罗门学习婆什迦罗的代数之学。

“那个不幸的姑娘丽罗娃蒂，就因为礼服上的一颗珍珠而失去了她的新郎。她的故事真是迷人又动听。”他又说，“婆什迦罗的数学题目，更流露出数学书中经常欠缺的诗意精神；数数的人也叙述得这么流畅有力。然而这样一位卓越杰出的数学大家，却未提及那有名的三个水手题目，真是令人遗憾。这故事许多书中都有，可惜无人找到解答。”

“宽宏大度的大君啊，”撒米尔回复，“我未曾提到这个题目，原因很简单，只因我对此事以及它闻名的难度，只有很模糊的概念。”

“我倒很知道此事，”大君回道，“而且很高兴能够在这儿重新述说这个数学问题，许多代数家曾为它全神贯注呢。”

于是克鲁遮大君便说了下面这个故事：

“有一艘船满载了香料，正从斯里兰卡回航，半路忽然遭到暴风雨猛烈袭击。多亏船上三名水手的英勇，在暴风雨中以无比高超的技巧操控风帆，船才未被凶猛的海浪吞噬。

“为酬报三位英勇的水手，船长赠给他们某一数额的钱币。数量约在二百到三百枚钱之间，全数先收在一只柜子里面，就等次日船抵港口，税吏人员就可以为这三名水手分钱。

“可是当夜其中一名水手醒来，心想：‘如果我现在就拿走我的一份，也许会比较好。那样，我就不必为钱而和我的两个伙伴争执了。’于是未对其他两位水手发出一言，他爬起来找到钱柜，把钱分成三等份。可是却无法完全整除，还余下一枚分不出去。‘就因为这一枚多出来的讨厌钱币，’他想：‘我们明早铁定会起争执。还是把它扔了为妙。’所以他将那一枚多出的钱币扔进海里，然后悄悄回到床上。

“在此同时，他把自己的那一份报酬带走，留下其他两人份仍在柜子里面。

“一小时后，第二名水手也起了同样的念头。他跑到柜子那里，因为不知道另一名伙伴早已经拿走一份，所以他也将钱分成三等份。再一次，又多出一枚钱。为避免第二天早上发生任何不和，这第二位水手便做了和前一人同样的事，把那枚多余的钱扔进海里。然后他回到床上，同样也带着他认为应该属于自己的那一份钱。

“第三名水手的想法也完全一样，但是他同样不晓得另两位兄弟早已采取过类似行动。一大清早起来，他也跑到柜子那儿去，将钱分成三份。分好后再度又多出一枚，于是他也将它扔进海中。然后这第三位水手拿了他认为属于自己的三分之一，高高兴兴地回到床上。

“次日，船靠了岸，税吏人员发现柜中有一把小量的钱。他将钱平分成三等份，给了每人一份。可是再一次未能完全整除。剩下的那一枚钱，税吏留下来当作自己提供这项服务的费用。当然，每名水手都对这项‘额外’的分配没有任何抱怨，因为每个人都以为自己早已拿到原本应得的那一份。

“好，问题就在这里了：到底一开始，柜中原有多少钱币？每位水手又各自得了多少枚钱？”

大君述说的这则故事，令在场贵宾大感兴趣，众人议论纷纷。数数的人见到这个状况，觉得自己应该对这个问题与解答给予一个完整的解释。因此他开口道：

“钱币的数额，如您所言，是在200到300之间，那么在第一个水手将它们平分之前，原本一定是241枚。

然后第一名水手将它们分成三等份，扔了一枚入海：

241/3=80枚，余1。

“他拿走他的三分之一，回到床上，柜中留下：

241-（80+1）=160枚。

“第二名水手随后也将柜中的一百六十枚分成三等份，多出的一枚也被他扔进海里：

160/3=53枚，余1。

“他也把他的三分之一放进口袋，回到床上，柜中留下：

160-（53+1）=106枚。

“第三名水手再将一百零六枚分成三等份，剩下一枚又被他投入海中：

106/3=35枚，余1。

“他也带着他的三分之一回到床上，柜中留下

106-（35+1）=70枚。

“这个数字，就是当船入港停靠之际，柜中留下的钱数。税吏人员依照船长的指示，将这些钱币分成三等份，余下一枚。

70/3=23枚，余1。

“税吏把二十三枚给了每人一份，留下那一枚犒赏自己。因此，当初原本的二百四十一枚钱币分配如下：

解决了这个问题，撒米尔就住口不发一言。

拉哈尔大君从衣裳口袋拿出一只圆形徽饰，转身向数数的人说：“因为你清楚又简单地解答了三名水手的题目，我看出你可能也有能力解释更错综复杂的数字问题。”

大君继续说道：“这枚徽饰，是某位虔诚的艺术家所铭刻。他曾在我祖父朝中任职过一段时间。他在徽章上刻了一道谜题，及至目前为止，没有任何法师或星相术士能够破解。徽章两面都有数字，一面是128，由7颗小红宝石环绕。另一面则分成四部分，分别是四个数字：

7，21，2，98

“大家都可看出，这四个数字的和是128。可是128拆成这四个部分，又是什么意思呢？”

撒米尔由大君手中取过那只圆形徽饰，静静地仔细端详了一番，然后开口：

“这枚圆徽的铭刻者，大君阁下啊，是位深深浸淫在数字神秘思想里的人士。古人相信某些数字具有魔力。数字3被视为具有神的力量，数字7则是圣数。围绕着数字128的7颗红宝石，显示出这位铭刻者专注于128与7这两个数字之间的关系。128此数，如我们所知，可以被拆成7个2的相乘式：

2×2×2×2×2×2×2

“而数字128，同样也可以被拆成四个部分：

7，21，2，98

“4个数字之间，显示出下列质性：第一个数字加7，第二个数字减7，第三个数字乘7，第四个数字除以7，你会得到下列结果：

7+7=14

21-7=14

2×7=14

98/7=14

“这枚圆徽，一定是被当成护身法宝使用的，因为它含有基于数字7而发展出的关系。而7这个数字，过去被视为神圣之数。”

拉哈尔的大君听了撒米尔的解说，不禁欣喜入迷。他不但将圆徽慨赠给撒米尔作为酬报，还又附赠了一袋金币。大君阁下真是慷慨又好心。

然后众人便鱼贯进入一间大沙龙，在那里爱以兹德老爷以盛宴招待他的宾客。于是就是这样，点点又滴滴，撒米尔的声誉增长，证明他今生注定会功成名就，超过他当初贫穷出身所可以期待和想象的。

有些宾客却无法掩饰他们的失望之情。至于我，地位低微，一点也不重要。

题解说明

◎三个水手

借由代数，我们可以为此题找出共通解法，设立公式，求得未知数之值。

首先设定钱币数目为X，公式如下：

x=81k-2

在此K可以是任何自然数的值，如1、2、3、4、5、6…，准此，X的值分别为79、160、241、322、403、484。

三个水手的题目，可以用上述序数任何一值代表钱币的数目。不过最好还是限制一下X值的范围。

本书的这个题目，已设定钱币的数目介于200与300之间，因此数数人取了241，也是唯一合乎这个事例的值。

◎四数组

这个题目，最简单的形式如下：

“试将一数A分为四组，第一组加m，第二组减m，第三组乘以m，第四组除以m，四组运算结果分别所得之和、差、积、商，均需相同。”

这题目里有两项基本元素：

1．数字A，必须分为四组。

2．运算符m。

借由代数，应该很容易就能求得这道题目的答案。

其中必须乘以m的第三组数字，利用下列公式极易破解：

z=A/(m+1)2

一旦算出z值，很容易就可以推出A的其他三组数字：

第一部分为：mz-m

第二部分为：mz+m

第四部分为：mz×m

这个题目只有在数字A可被（m+1）的平方值整除之下才能成立。至少，必须是它的两倍。

20 　十的力量

撒米尔教授第二堂数学课。数字与数字的概念。数字符号。数字系统。十进制数。零。我们又听到那位隐身学生的柔美声音。文法家多拉达引诵一首诗。

宴饮用毕，数数的人在爱以兹德老爷示意下起身离席。第二堂数学课的既定时间到了，而他那位隐身的徒儿也正在等候她的老师。

撒米尔向大君与席间各位贵人告退，便在一名奴仆随同下，前往专为上课准备的房间。我也起身与他同去，因为我想好好充分利用这项特殊许可，一起去上撒米尔为年轻的泰拉辛蜜所开的课。

当天有位宾客，文法家多拉达，他是诗人家中好友，也对这堂课表示兴趣，因此一同向大君告退，跟着我们同去。他是个中年人，性情快活，相貌堂堂而富表情。

我们穿过一处优雅的回廊，回廊的地上铺满了波斯地毯。然后由一位美得出奇的索卡西亚女奴引路，进入撒米尔要授课的那间课室。几天前遮住泰拉辛蜜的大红地毯，这一回已经换成蓝色，毯中央有一星形的七角形。

文法家多拉达与我二人，坐到靠近开向花园的一处窗口角落。撒米尔则和第一回一样，在屋子中央的一只丝质大垫上坐下。他旁边是一张黑檀木小桌，上面放着一本可兰经。索卡西亚女奴与另一名有着柔和笑意双眸的波斯女奴，则在门旁就位。一名埃及男奴倚柱而立，是泰拉辛蜜的护卫。

祈祷之后，撒米尔缓缓开讲。

“我们不知道数字这个观念是在何时首先出现。大哲们的这项潜心研究，历时久远，可以回溯到时光云雾遮蔽不明的极早年代。

“有人查考过数字之学的演进过程，发现即使是原初人类的心智，也拥有一种特殊官能，或许可称之为数字感。这个能力，容许人用一种纯属视觉的方式，查知某一组事物是增是减——也就是说，是否发生了数量上的改变。

“但是数字感却不可与数数能力混淆。只有人类的智力，才能达到我们称之为数字感的这种抽象层次。数数能力，却可以在许多动物身上观察得见。比方有些鸟类，就会数它们留在巢中的鸟蛋数目，能够分辨2与3两种数量，有些黄蜂更可看出5到10之间的不同。

“北非部族知道彩虹内所有颜色，并为每一色都起了名称，却没有‘颜色’一词。同样，许多原始语言虽有字眼称呼1、2、3等数字，可是却没有‘数字’这个词本身。

“那么数字的观念从何而来呢？

“我们不知道如何回答这个问题，尊贵的小姐。沙漠里的贝都人，看见远处有车旅缓缓前行，骆驼背上负着人客与货物渐渐走来。共有多少只骆驼呢？我们必须用数目字来回答这个问题。40只，或许，还，100只？要给予一个答案，贝都人必须执行一件特殊的事：他一定得做‘数算’。为了要能‘数算’，这个贝都人得将序列内的每样物事，都与某一特定符号链接起来：1、2、3、4如此这般，依序类推。他的数算若要达到某个结果——或者换句话说，达到某个数字或数目——贝都人需要发明一种‘数字系统’。

“最古老的数字系统是采用五进位法，这个系统以5作为一组。每5成组称作一个quine。因此8就是一个quine再加上3，写成13。我们必须弄清楚的是，在这个数字系统里面，左位的这个数字之值，等于它换放到右边时的五倍。依照数学家的用语，这个系统是以五为底的进位制。在古代的诗歌里，还可以找到这一型系统的痕迹。

“迦勒底人有一种数字系统，是以60为底。因此古巴比伦时代1.5这个数字符号，代表我们今天的65。

“曾经也有一些人用过以20为底的进位系统。在这个系统里面，我们的数字90，会写成4.1——也就是4个20加上10（原文似有误，二十进制的4.1应等于十进制的81，十进制的90应写成诸如4.A的方式，A=10%——编注）。

“然后，终于来了一个以10为底的数字系统，更方便显示比较大的数目。十进制系统的源起，来自我们两手的指头数。可是在某些交易上，我们却发现明显地偏好以12为底的用法，也就是以一打、半打、四分之一打等等为一组的数目系统。12拥有更多的除数，这一点显然远胜过十。

“以10为底的系统，也就是十进制系统，如今已被世人普遍采纳。从数着自己10个手指头的沙漠牧民土阿雷族，一直到查着他的计算表的数学家，都是用十来数。鉴于各民族之间的巨大差异，在十进制这件事上却竟有这等普世现象，真是令人惊讶：没有任何宗教、道德规范、政府形态、经济规划、哲学构造、语言或字母，可以夸称自己拥有这般普遍的通用性。数数这件事，是世间少数几件众人没有任何异议之事。大家都认为这种数法既简单又自然。

“如果我们注意到野蛮部族和小孩子的行事方式，就会发现我们的手指头的确是我们数字系统的基础。使用着我们的十只手指，我们开始十个一数，而我们整个系统也就建立在以十为一组之上。

“黄昏时分，牧羊人必须确定所有羊只都已进入羊圈；这时的他，恐怕很有可能必须数到10以上，因为羊只或许不止10头。于是随着羊群走过他的面前，他就用一个指头数上一只，每数十只之后，就扔下一颗石子。等到羊全都数完了，那堆石子就代表他一共数过了几只手，或10羊一组共有几组。第二天，他还可以回去再数一次那堆石子。然后日子过去，某位具有抽象思考能力的人发现，这种方法同样可以应用到其他有用的事物上去，比方水果、小麦、日子、距离、星星等等。再以后，我们不再使用石子，开始改用各自分明并且可以常存常在的记号，一个属于书写型的数字系统就诞生了。

“所有人在说话的时候，都是使用十进制系统的。于是其他系统遂被遗忘了。可是把这个进位系统改装成书写式的数字，此一重要时刻的到来，发展却非常缓慢。总共花了人类好几世纪的时光，才发现了一个可以把数字写下来的完美方案。为要能代表数字，人必须想出特别的记数符号，称作数字符号或数符，每个符号分别代表1、2、3、4、5、6、7、8、9这九个数字。至于另外那些符号如d、c、m，则意味着一旁的数字系代表十、百或千等等以此类推的数值。因此9765这个数目，在一位古代数学家笔下是这样写的：9m7c6d5。腓尼基人是古代最精细的贸易者，则用上标记号而不是字母做同样的意思表示：9'''7''6'5。

“一开始，希腊人并不使用这套记数符号。却为每个希腊字母赋予一个数值，然后再附一个上标记号。于是第一个字母alpha代表1；第二个字母beta是2；第三个字母gamma是3；如此这般一直到19。只有6是例外，自己有个符号：sigma。然后再把这些数字字母配对组合起来，形成20、21、22等等。

“希腊系统里的数字4004，是由两个不同数字符号代表，2022和3333，则分别由三和四个不同的数字符号代表。

“罗马人流露出的想象力较少，他们只使用三个字母［I、V、X（1、5、10）］来组成最前面十个数字，然后再将它们搭配上L（50）、C（100）、D（500）、M（1000）。因此以罗马式数字符号写成的数字，简直可笑地复杂，连最简单的算术也都无法适用，最小的运算也成了极苦的酷刑。罗马数字可以做加法，但是写法却很呆板，最后一个字母相同的数字符号，都必放在同一直行上下对齐，因此数字符号之间必须被迫留下空格。

“于是数字的科学，便是以这般状况存在了许多年，直到四百年前，一名印度人想出了一个特别记号：‘0’；此人的名字可惜已经失传。他的办法如下：任何数目里面，若有任何位数缺席，他就用‘0’这个记号补上。多亏有这项发明，所有那些特殊记号、字母、上标记号，从此都不再需要了。现在只留下九个数字与0。单单用十个符号，就能书写出任何数目；这项无限的可能，的确是‘0’带来的首次伟大奇迹。

“阿拉伯几何学者采用了这位印度人的发明，他们更发现，如果在一个数字右边加上一个零，这个数字就会自动升高，移到上一级更高的十进制数。于是零又更上层楼，成为可以立刻把某一数目乘以10的绝妙工具。

“走在这条漫长而光辉照耀的科学路上，我们随时不可或忘诗人兼星相家奥玛·珈音给我们的智慧忠告，愿安拉赞誉他！他教导我们：

切勿让你的才智，引起邻人的苦恼不幸。
提高警觉监视自己，
决不可令自己陷于狂怒暴烈。
若你祈望平安，面对伤害你的命运之际，就当笑容以对。
不要对任何人行恶事。

“我就以这位知名诗人的劝戒诫，结束这篇数字与数字符号的短短回顾。如果安拉允许，下一次我们将考查数字的主要运作，以及它们的性质。”

撒米尔住口不言。第二堂课结束了。

噢主给我力量，让我的爱可以结果、能有用处。
赐我力量，永不轻看贫困，或屈膝于无礼傲慢。
赐我力量，拔高我灵我魂，超然凌驾日常琐细。
赐我力量，心怀有爱，在你面前躬身低首顺服。
我不过是一截无用的小云，在天际间漫游徘徊，
哦辉煌壮丽的太阳！
若你所欲，或如你所喜，请取去我的无是微小，
以千般色彩染绘它，用金黄使它生辉照亮，
在风中摇曳它，施千种奇妙将它铺展天际……
然后，若你意欲以夜幕之垂，结束这场嬉玩，
我就会消失匿身，化散在黑暗之中，
或者消弥于晨光黎明的笑靥里，
在那透明纯粹的新鲜空气之间。

“太美妙了！”文法家多拉达结结巴巴地说。

“是啊，”我对他说，“几何真是奇妙。”

“我才不是说几何，”他异议，“我可不是来这儿听那没完没了的什么数字和数符。我对那些一点也不感兴趣。我是指泰拉辛蜜的声音，真是美妙……”

我吃惊地望着他，吃惊于他的出言鲁直，因此他又不怀好意地加上一句：“我原本希望，上课时那丫头会露个脸。他们说，她美得如同斋戒月（九月）的第四个月亮，十足是伊斯兰一朵鲜花。”

说着，他起身，低声唱着：

“如果你慵懒无事，或无人顾惜照料，
闲弄壶儿漂在水上，漂啊漂来向我。
坡上的草儿绿，林中的花正放。
你的思绪，应自你幽黑双眸飞来，如同鸟儿飞离窝巢；
你的面纱，也应落在我的脚前。
来吧，到我这儿来！”

我们带着点深思期待的心情，离开了那间满室光辉的房间。我注意到撒米尔的指上，不见我们抵达那日他在旅舍戴着的那枚指环。难道，他把那枚珍贵精美的戒指失落了？

索卡西亚女奴警戒地四下张望，仿佛惧怕什么看不见的精灵的符咒。

21 　出现在墙上的预兆

我开始誊写医药文献的工作。隐身的徒儿在学业上大有进展。撒米尔被召去解决一个复杂的问题。玛兹米王和呼罗珊监狱。走私者阿三。一首诗、一个难题以及一则传奇。玛兹米王的裁断。

我们在哈里发这座壮丽之城的生活，一日日变得越来越忙碌。玛勒夫大人指派我抄写波斯大医学家累塞斯的两部作品，书中有许多医药知识。我读到多项重要的医学观察与意见，包括猩红热的疗法，还有各种小儿病、肾病以及一千种磨人病痛的医治。我这么忙于任务，以致不再有时间去听撒米尔在爱以兹德老爷府邸的授课。

从我这位友人那里，我听说那位隐身的学生在过去几周之间已有长足进步。现在她已经精通四种数字运算，对欧几里得的前三本著作也很娴熟，还可以解答分母为1、2、3的分数了。

一日午后将尽，我们正要开始享用简单的晚餐，包括馅饼、蜂蜜和橄榄，忽听到街上传来一阵土耳其兵士的巨大喧哗：人马沸腾、呼喊喝令、咒骂叫嚣、混乱骚动。我吓得站了起来。发生了什么事？我以为客栈被军队包围了，那位坏脾气的警察总长要采取什么激烈行动呢。但是这阵突发的骚乱并未打乱撒米尔的思绪，他完全不以为意，继续用炭笔在木板上画他的几何图形。这人是多么不寻常啊。既使是死亡天使忽然现身，带来那不可避免的宣判，恐怕他也会继续无动于衷，照样地画他那些曲线、角形，研究各种数字符号与数字的性质吧。

“看在安拉的分上！”我不耐地叫出，“别打扰到撒米尔！这一切骚动是干什么啊？难道巴格达发生暴动了吗？还是苏莱曼寺倒塌了呢？”

“爷，”老撒结结巴巴地道，“有一支土耳其卫队刚刚来到。”

“以安拉之名！什么卫队？老撒？”

“玛勒夫大人的随扈卫队。大人有令，要把巴睿弥智·撒米尔立刻带到他那里去！”

“可是为什么要这么吵闹呢？”我大声抗议，“这事并不那么不寻常啊。自然又是我们伟大的友人与保护者玛勒夫大人有了什么数学问题，需要我们这位智慧的朋友紧急帮他解决。”

我的预测，准确度不下于撒米尔的运算。果不其然，片刻之后，在护卫队的军官随同之下，我们来到了玛勒夫大人的宫廷。

我们发现大人在他的接见室里，三名助理围绕在侧。他手上拿着一张写满数字与计算的纸。又有什么新问题出现了吗，令哈里发的这位贤顾问如此沮丧？

“问题非常严重，”大人对撒米尔说，“我发现自己面对着这辈子所遇的一大难题。让我先把细节告诉你，问题是怎么起来的。因为只有在你的协助之下，我们才可能找到解决的办法。”

然后大人告诉我们下述事情。

“前天，我们尊贵的哈里发正要出发前往巴斯拉小驻三周，狱中却发生了一桩可怕的火灾；囚犯们困在牢内，经历了一场无法形容的可怕磨难。我们宽宏的君王立刻决定，将所有囚犯的刑期减半。一开始，我们根本不在意这件事，因为王的命令看起来相当容易就能确切执行。可是第二天，众虔信者之王的车队已经走了很远之后，我们才发现他这道王令其实有一个相当棘手的问题，似乎没有任何理想方法可以解决。

“这些被判入狱的犯人当中，有一个巴斯拉来的走私犯阿三，他被判终生监禁，现在已经服了四年的刑。如今在王令之下，他的刑期应该减到所余刑期的一半。可是他到底会活多久，我们根本不可能知道。一个无法计算的时间，我们怎么能去除成一半呢？”

撒米尔思索了一会儿，极度谨慎地选择他的用词后，开口说道：

“你这问题，在我看来的确非常棘手，因为它不但涉及数学，也与律法的诠释有关。此事关乎人事公义，不下于关乎数字之事。我无法做出任何严密分析，除非先去造访这名不幸囚犯阿三的牢房。或许阿三人生的那项未知数x，早已在牢房的墙壁上被命运注定好了。”

“你这话听来真是非常奇异，”大人答道，“我看不出这些疯子、犯人写满在监狱墙上的东西，会和这桩难解决的问题有任何关联。”

“大人啊！”撒米尔呼喊，“在监狱墙壁上，可以发现许多有趣的书写、公式、诗文、铭记，不但影响我们的心神，也引领我们有怜悯之心。那个富裕省份呼罗珊的统治者玛兹米王，当他听说有个定谳犯曾在狱中墙上留下具有魔法的字眼。就召了一名勤快的文书来，命他前去将那阴暗四壁上的所有字、数、诗、文，全部都抄下来。文士花了好几个星期的工夫，以极大的耐心抄写，才完成王交派的奇特任务。最后终于大功告成回去复命，带回一页又一页的符号、晦涩的字句、无意义的图案、亵渎不敬的话语，以及看不出用意的数字。这些写满一张张纸的不可解书写，有任何方法可以破解或翻译出来吗？国中有一位智者被王召来，宣称：‘陛下，这些纸上写的全是诅咒、异端邪说、犹太秘宗卡巴拉咒语、传奇，甚至还包括一道数学题。’

“王答道：‘诅咒与异端，我没有兴趣。犹太秘宗的字句也打动不了我。我完全不相信什么神秘的法力、咒语，或隐藏在人造符号背后的秘法。不过我却对诗歌或传奇感兴趣，因为这些是高贵的抒发吐属；人可以从中寻得慰藉，无知者可得教诲，权势者能得警诫。’

“‘但是一个被判了刑的绝望人，并不能激发鼓励人啊。’

“‘即便如此，我还是要看看这些书写。’王答道。

“于是智者随意拿起文士抄写的一页，念出上面的文字：

‘幸福不易，因幸福材料匮乏。
不要在不幸人面前谈论幸福。
人若无所爱，当爱其所有。’

“王沉默不语，仿佛失落在深深的思绪里，智者为转移王的心绪，继续又念：‘啊这是狱中刑犯潦草写在墙上的一道数学题：

将十名兵士排成五行，每行四名。’

“这个题目，乍看不可能，其实很简单就可以解决，正如这幅图所示：图中有五列，每列有四名兵士。

“智者继续念道：

这故事是说年轻的子张，一日去见伟大的孔老夫子，并请问他：‘崇高的大师啊，一名法官在量刑判决之前，应当斟酌考虑几回？’

‘今日一回；明日十回。’孔夫子答道。

子张闻言吓一大跳，完全不能理解。

夫子耐心地解释：‘在查考案情之后，法官若决定赦免，考虑一次就够了。然而法官若要判下任何刑罚，却应该斟酌十次。’

夫子又以极深的大智慧做结语：‘赦免之时犹疑，固有可能铸成大错；定罪之时毫不犹疑，在上天眼中则犯下更深重的过错。’

（此段不见出典，可能是作者杜撰假托夫子之言，但其中旨趣似与《孔丛子》刑论第四“大辟疑赦”或《孔子家语》篇七刑教第三十一“刑轻赦重，疑则赦之”精神相当接近。）

“玛兹米王不禁充满了钦佩：狱中潮湿的墙壁上，竟能发现这等宝藏；那些可怜的牢犯，竟能写下如此众多美而发人深省的字句。显然在这些困坐地底牢狱、目睹苦涩时光一日日逝去的犯人当中，有着一些深具学养与才智之人。因此王下令修正所有判决，结果发现其中确有许多不公不义的案例。于是借着文士抄写回来的资料揭露的真相，无辜囚犯立刻被释，许多司法错误得到纠正。”

“即便如此，”玛勒夫大人回应道，“但是在巴格达的监狱中，你可能不会发现什么几何图形、道德传说或是诗文。不过，我还是希望看到你能考察出什么东西来。因此我特准你前去监狱探访。”

22 　一半又一半

本章记述我们造访巴格达狱的始末。撒米尔如何解决了阿三终生监禁所余刑期的减半问题。时间之一瞬。有条件的自由。撒米尔说明刑期的要义。

巴格达那间大牢，看起来像是一座波斯或中国的城堡要塞。进去之后，我们穿过一处小中庭，中庭中央矗立着知名的希望之井。就是在这里，不幸的人犯聆听到自己被判的刑罚，永远地放弃了救赎的希望。这座壮丽辉煌的阿拉伯大城深处，却有着一批深囚在地牢里的人，他们所受的悲惨煎熬，没有人能够想象。

不幸的阿三，牢房位于整座监狱最深之处。我们由一名狱卒领路，两名警卫陪从，往下走入地牢。一个身形巨大的努比亚黑奴执举巨大火炬，为我们照亮幽深的黑牢深处。

走下一道狭窄的通道，宽度几乎只勉强可容一人通行，我们来到一处阴暗潮湿的阶梯。地牢深处，是一间狭小囚室，阿三就关在里面。没有一丝光线穿透整个黑暗，沉重恶臭的空气令人每呼吸一口就想要呕吐。地面覆了一层腐臭的泥浆，湫隘的四面墙内，甚至连半张可容这受诅之人伸臂直腰躺一下的简陋床铺都没有。

在努比亚巨大黑奴手执的火炬照明下，我们看见这个不幸的阿三，半裸着身，粗厚纠结的须发盖过肩膀，屈蜷在一块石板上，双手双脚都系着镣铐。

撒米尔专注沉思，静静地看他，不发一语。实在很难相信，这不幸的家伙竟能在这么悲惨、不人道的环境中紧紧抓住生命不放，熬过四个年头依然活了下来。

污脏滴水的牢房四壁，写满了文字、图形、奇异符号，都是历任囚犯留下的涂鸦。撒米尔仔细地检视它们，以极大的专注观看、翻译，不时又停下来做长时间的耗力运算。我们数数的人，如何凭借着这些咒诅、亵语，就能决定阿三还有多少年好活呢？

当我们终于离开，把那栋可怜人犯在内饱受折磨的人间地狱留在身后之际，我真是松了一大口气。我们回到豪奢的宫中接待大厅，玛勒夫大人在众臣、秘书、各级达官贵人、朝廷智者学人的簇拥下现身。他们都在等待撒米尔的到来，想知道数数的人会使用何种公式，解决无期徒刑的减半问题。

“我们都在等你，数数的人啊，”大人亲切地说，“我祈求你快快为我们说出答案，不要有任何迟延。我们都急着想遵行我们伟大哈里发的命令。”

撒米尔恭敬地欠身致敬，问了安，便说道：

“巴斯拉来的走私犯阿三，四年前在边区被捕，判处无期徒刑。而这个刑期，刚刚才被我们有恩慈又体恤的哈里发、众虔信者的统治者、安拉在地上的仆人，贤明又公正地发布赦令下命减半……

“让我们先将x的值，设定为阿三就逮服刑的那一刻起，他人生还剩下的岁月。因此这个无期徒刑，判处阿三必须在狱中度过x年，也就是终生在监。好，现在蒙圣旨之意，这个刑期被减半了。我们必须指明：如果将x代表的时间长度分割成一段段时间，就表示每一段在狱服刑时间，都必须有一段长度相当的出狱自由时间与之对应。这一点是非常重要的。”

“一点都不错！”大人热切地叫道，“我完全可以理解你的逻辑。”

“好，既然现在阿三已经服了四年刑期，那么他似乎也应该获得等长的自由时间，也就是四年自由。事实上让我们想象一下，若有一个好心的魔法师，可以预见阿三的人生到底还有多少所余岁月，而且可以告诉我们：‘这个人当年被捕之际，只剩下八年可活。’在这种情况之下，那个x就会等于八，也就是说，阿三等于被判了八年在监，现在则被减为四年徒刑。可是现在阿三已经坐了四年牢，事实上已经服完了他的刑期，因此务必被视作一个自由人了。然而，如果命运注定这名走私犯要活上比八年更久的时间，就表示x的值比八大，他被捕之际的余生，就是由三段时期组成：一段是已经在狱服刑的四年时光，一段是另外四年自由时间，还有第三段，也必须分成两半：在狱服刑时期与狱外自由时期。所以结论就很容易了：不管这个未知数x的值到底为何，这个被判处无期徒刑的人都必须立即获释，先享受他应得的四年自由，一如我刚才的说明。他有绝对权利拥有这段自由时间，如此才合乎王法规定。

“一等这段时间到期，他就必须重返牢笼，待在那里，继续服他此时所余人生的一半长度。或许最简单的方法，就是把他关上一年，次年再放他一年自由。因为有了哈里发的这道赦令，他可以一年被关，一年自由，如此这般享得哈里发慈悲怜悯赐下的好处。可是这样一个解决之道，只有在这个被诅咒的人正好死在他某段自由时间的最后一天，才有可能是最精确的解决方式。

“让我们再想象一下，阿三在牢里关了一年之后，被释放获得自由了，却在自由期间的第四个月上忽然死了。那么这段人生岁月——一年又四个月——期间，他被关起来锁了一年，然后却只自由了四个月。但是这就不对了，计算有误，因为他的刑期就不是减半了。

“因此更简单的办法，就是把阿三每关一个月，又在下月放他自由。可是这样的解决之道，同样也可能导致类似错误，也就是如果他服了一个月的刑期之后，还来不及享受一整个月的自由就先死了。

“那么看来，你会说，最好的解决方法，不就是关他一天，第二天再放他同等长度的一天自由吗。然后如此这般来回反复进行，直到他生命结束。可是这法子，还是不能满足数学上对百分百精确度的要求，因为阿三依然有可能在狱中待上一天之后，几小时便死了。如果改成把他关一小时，然后又自由一小时，来来回回这样下去，直到他生命最后一小时那一刻呢？还是有问题，除非阿三死在他某个自由时刻的最后一分钟上。否则，他的刑期还是未能减半，不符合哈里发的敕令。

“最精确的数学解决方案会是这样：把阿三关在狱中，但只有瞬间之长，然后下一瞬间又放他自由。但是这在狱的瞬间时刻，必须小到无法再行分割，同理也适用于他接下来的瞬间自由。

“事实上，这样一种解决是不可能的。你怎能把一个人关起来，却只关上无法再分割的一瞬，然后在下一瞬又放他自由？所以这主意必须放在一旁，因为根本不可能执行。大人啊，总而言之我只能看出一个可行之道解决这个问题。请在法律监督之下，恩准阿三有条件的自由。这是唯一可以容许他同时既服刑、又拥有自由的方法。”

大人下令，立刻依撒米尔的建议执行。于是就在当天，原本囚禁狱中的阿三蒙赐有条件的自由。而且从那日起，阿拉伯司法长官在贤明地施处刑罚之际，便经常采取这种判决。

我们这趟探监之旅传遍全城。第二天，我问撒米尔，他从牢房墙壁上采集到了什么样的细节与运算，而且到底又是什么灵感，令他想出如此富创意的解决方式。这是他的回答：

“只有亲自到过地牢的人，在那阴暗四墙之内呆上短短片刻，才知道如何解决这类数字问题，而数字，在其中扮演了可怕的角色，促成人间惨状。”

题解说明

◎无期徒期刑期X的一半

数学家会说，这个题目里的无期徒刑刑期，应该被分为无限多个等长的时段，因此每个时段都无限小。

假设每个时段为dt，每个dt的长度都会比百万分之百万分之一秒还要小上许多！

但是从分析型数学家的观点看去，这个问题其实无解。唯一可用的公式，也是最人道、最合乎公义与仁慈的解法，就是撒米尔提出的建议。

23 　都有关系

大贵人莅临造访我们。克鲁遮大君之言。大君之邀约。撒米尔解决了一个新问题。邦主的珍珠。犹太神秘哲学的神秘数字。我们前往印度一事定案。

我们寄居的寒微地段，正享受一个阳光灿烂的早晨，撒米尔却接获一个意外造访——克鲁遮大君玉驾光临。大批豪华车驾仆从挤满了我们的街道，好奇的人纷纷探出头从屋顶、阳台观看。老幼妇孺，全都张口结舌、惊奇呆视这壮观盛大的排场。首先是三十名骑兵旗队，高踞在黄金佩饰、丝绒镶金边披戴的一流阿拉伯骏马背上。骑士们头戴白色缠头巾与盔帽，在阳光下闪闪发亮；身穿丝质披风与衣袍，阿拉伯弯刀自鞣皮带上悬露而出。手上高举着饰有大君蓝地白象盾章的大旗在前，身后则是弓箭手与斥候尖兵，也同样骑在马上。

队伍最后，就是我们威风凛凛大权在握的大君，由两名秘书、三名御医、十名青年扈从随侍。大君穿着一袭猩红袍，上面饰有一排排的珍珠，红、绿宝石在缠头巾上闪耀。老撒从客栈中望见这支阵容如此壮盛的队伍，几乎要失常了。他将自己投倒在地面，开始狂呼：“怎么回事？我这是到了哪里？”

我赶紧派一名抬水人过去，将我这可怜的老友送进中庭，先让他恢复镇定再说。店里的大客间实在太过狭小，容不下这等耀目贵客。撒米尔似乎也有点被这荣幸的莅临震慑住了，赶紧出到前庭迎接贵宾。

克鲁遮大君带着他的随扈人等进来，友好亲切地向数数的人问安致意，并对他说：“寻觅财富的，是贫穷的聪明人；寻觅聪明智者的，却是更高贵的富人。”

撒米尔答道：“我的主公，我知道您的大哉之言乃是发自深刻的友情所感。在您宽大的心胸之前，我拥有的渺小知识实在微不足道。”

“我来访的主要动机，其实更出于切身所需，而非基于对科学的爱慕。”大君答道，“自从上次有幸在爱以兹德大人府上亲聆阁下所言，我就已在考虑征聘你在我朝中出任合适要职。我希望任命你为我的秘书，或者更理想，担任德里观测台的主官。你愿意接受吗？我们不出几周就要往麦加去了，再从那里我们会直接回返印度。”

“我慷慨的大君！”撒米尔答道，“可惜我此刻不能离开巴格达。我有责任在身，必须留在此间。我只能在爱以兹德大人的千金已经完全掌握了几何之美之后，才能离开这里。”

大君笑答：“如果你婉拒的理由是出于那项职责，我倒有个法子可以解决。爱以兹德大人告诉我，年轻的泰拉辛蜜进展快速，不出几个月，甚至就可以教导最具聪明才智的男子，破解那桩出名的印度邦主珍珠难题呢。”

我意识到我们这位高贵访客所说的话，似乎令撒米尔感到惊讶，因为他仿佛有些困惑。

大君继续又说：“说到这个题目，其实是我祖上一位卓越先人首先提出来的。许多运算者都被难倒了，我会很高兴一探究竟。”

因此撒米尔依大君所请，开始讲述这个题目，以他那和缓又平稳从容的方式述说。

“说起来，这其实不是一个问题，却是一则有趣的算学游戏。”他说，“情况是这样的：有位印度邦主临死时在病榻上留给几个女儿一些珍珠，遗言如此分配：大女儿可得一颗，以及余下珍珠的七分之一。二女儿可得两颗，以及余下珍珠的七分之一。三女儿可得三颗，以及余下珍珠的七分之一。然后以此类推，一直分到最小的女儿。最年幼的几个女儿去向法官申诉，抱怨这个复杂的分法极不公平。根据传说所述，这位法官大人很会解题，立刻指出她们弄错了，老父规定的分法其实公正无比，每个女儿都会得到数目完全相同的珍珠。

“所以，到底总共有几颗珍珠？邦主又有几个女儿？

“解法其实并不太难。请看：

“答案是一共有36颗珍珠，邦主有6个女儿。老大得到1颗，以及所余35颗的七分之一，也就是5颗。所以她一共得到6颗珍珠，还剩下30颗。

“二女儿得2颗，以及所余28颗的七分之一，4颗。她总共得到6颗珍珠，还剩24颗。

“三女儿得3颗，以及所余21颗的七分之一，3颗。她总共得到6颗珍珠，还剩18颗。

“四女儿得4颗，以及所余14颗的七分之一，2颗。她总共得到6颗珍珠，还剩12颗。

“五女儿得5颗，以及所余7颗的七分之一，1颗。她总共得到5颗珍珠，还剩6颗，也就是最小的女儿老幺所得的珍珠数量。”

撒米尔结论道：“一如您所见，这问题虽然巧妙，事实上却并不那么困难。不需要任何精研细算就可解决。”

知名的印度邦主珍珠题图解

此时，大君的注意力被房间墙上连写了五遍的一个数字攫住：142857。

“那数字有何特殊意义吗？”他问道。

“那是所有数学之中，最奇特的数目之一，”撒米尔答道，“这个数字与其倍数之间，存有许多不寻常的巧合。

“让我们把它乘以2：

“请注意，答案的位数组成，与被乘数完全一样，只是次序稍有不同，左边的14调到了右边。

“让我们再用3来乘：

“再度请注意，答案是多么奇特。每个位数都几乎相同。只有原本在最左边的1，现在跑到最右边；其他数字都完全留在原位不动。

“再用4来乘，虽然数字移动了位置，先后次序却保留原样：

“乘以5情况也相同：

“再看看乘上6会发生什么状况：

“这一回，两组三位数互换位置。

“再乘上7，完全不同的事发生了：

“现在再让我们用八来乘：

“所有数字都在答案中出现，只除了7不复见。被乘数的7，现在拆成了两部分：6和1，6在右，1在左。

“现在再让我们用9来乘：

“仔细瞧瞧这个答案。唯一不见的数字是四。它跑到哪儿去了？啊它似乎也拆成了两部分：1在左，3在右。”

“我们还可以进一步用11、12、13、14、15、16、17、18等数字一直乘下去，看看142857这个数字到底有多奇特。

“所有这一切，使得142857成为整个数学里面最最神秘的数字之一。这是穆斯林托钵苦行僧诺以林教导我了解的……”

“诺以林？”大君惊呼，眼睛一亮，“你真的认识那位人中之智，最智慧的大贤？”

“他是我的师尊，”撒米尔答，“我今天运用的所有数学原理，都是从他那里学得的。”

“伟大的诺以林是家父一位朋友，”大君解释道，“后来因为一场不公义的残酷战争，他不幸丧失一子，从此离开城都，再也不回来了。我试过很多次去找他的下落，却一点踪迹也无。最后只好放弃，我以为或许他已在沙漠中故去，被豹子吃了。你有没有可能告诉我，究竟在哪里可以找到他呢？”

“我出发来巴格达之前，把他留在波斯的库依，请三位友人照顾。”

“那么，待我们从麦加回程之际，应该去库依寻出那位伟大的大师，”大君回道，“我希望能将他请回我的王宫。你可以帮我们完成这项极具企图的使命吗，巴睿弥智·撒米尔？”

“我王，”撒米尔答道，“如果要以任何方式，帮助我的师尊、我人生的向导，我一定会与你同往，若有必要，一路追随至印度。”

所以就是这样，由于数字142857的缘故，我们前往众邦主之国的事情就这么说定了。这的确是个具有神奇力量的数字。

题解说明

◎大君的珍珠

这个题目，使用基本代数就可以轻易破解。

首先，求得珍珠数目的方程式为：x=(n-1)2。其中，第一位继承人所得的珍珠，是1颗再加上所余的1/n。第二位继承人所得的珍珠，是2颗再加上此次所余的1/n。其余继承人以此依次类推。

继承人人数则为n-1。

撒米尔解开的这道珍珠题里，n等于7。

◎数字142857

142857这个数字，其实一点都不神秘也绝无超自然的性质。

这个数字是由分数1/7化为小数形式得来，请看：

1/7=0.142857142857…

其实，这是个很简单的循环分数，其循环值正是142857。

我们可以用相同方式，得到如同142857这种看似神秘的同类数字，只要把一般简单分数形式，转换为小数表示即成1/13、1/17、1/31，等等。

24 　我找到了！

坏脾气的塔那提耳。丢番图的墓志铭文。亥厄洛的问题。撒米尔解除了一名危险敌人对自己的威胁。哈珊队长命人捎来的书简。8与27的立方根。对微积分的热爱。阿基米德之死。

塔那提耳的威胁阴影，时时烦扰着我的心神。这个坏脾气的家伙，前阵子出城离开巴格达好一阵子，前晚却被人看见与一群杀手同行，暗暗出没在我们街坊的巷道。显然他是准备来一场突袭，出其不意地攻击浑然不觉的撒米尔。后者则依然忙于他的研究，完全未意识到危险犹如黑影，已时刻跟在身后。

我向他谈起塔那提耳，提醒他要谨记爱以兹德老爷已经给我们的预警。

“这种惧怕心没有任何根据，”他却答道，一点也不在意我的警示，“我不相信这类威胁。当前此刻正引起我注意的事，是破解下面这道题目，出现在知名希腊几何家丢番图的墓石铭文之内。

“丢番图的墓文透露出他的年龄，却是借由一道算术性质的巧妙叙述，非常奇妙，值得一究，内容是这样的：

上天赐予他六分之一人生的童年，十二分之一的青春时光。一个没有子嗣的婚姻，耗去他七分之一的岁月。然后又是五年过去，他才有了第一个丢番图又活了四年，将丧子之痛掩埋在对数字的研习里面，然后交出了他的生命。

“仔细研读此铭，会发现他活了84岁。不过丢番图这漫长的一生，可能太忙着解决扑朔迷离的算学了，竟然从未想到替亥厄洛王的问题找出一个答案，因为这道题目不在他的著作里面。”

“那是道什么问题？”我问他。于是他告诉我如下：

“亥厄洛是叙拉古的王，派人运了一批金子到他的金匠那里，要他们制作一顶王冠，他希望可以上献给大神丘比特。等亥厄洛王收到完工的金冠，他查验冠的重量，确与当初发下的金子一般地重。可是冠的颜色，却令他猜想金子里面可能搀进了银。他把这个疑心，带到大几何家阿基米德那里请他解决。

“阿基米德证实：金子放到水里，会失去千分之五十二的重量，而银子在水中则会减少千分之九十九的重量。因此他将王冠放入水中，发现重量确有差异，显示金子里面真的搀了银。

“据说阿基米德费了好长时间思索亥厄洛的问题。有一天他正在入浴，忽然想到了解决的方法，便跳出浴池急急奔赴宫中大喊：‘Eureka! Eureka！’意思是‘我找到了！我想到了！’”

正说着，来了一名访客，哈里发的卫队队长哈珊。他是个魁梧的大个子，很好相处又乐于助人。自从听说了35头骆驼的事情，就从没停过地赞美我们这位数数人的高才。每周五他从清真寺回程路上，都会来客栈看我们。

“我从没想到，”他宣告，“数学竟会如此奇妙惊人。您对骆驼问题的解决方法，真是令我激动兴奋到不行。”

我将他领上阳台，从那里可以俯看街道，撒米尔则仍在忙他的。我告诉队长，满怀恨意的塔那提耳威胁着我们的安全。

“看，他就在那儿。”我说，指向喷泉一旁，“那个和他站在一起的，都是些危险的黑道杀手。只要一有时机可乘，他们就会扑到我们身上。塔那提耳对撒米尔心怀很重的恨意，我担心，他的性子太激烈易怒，恐怕会采取报复手段。我已经好几次看见他暗中窥探我们。”

“你在告诉我什么啊？”哈珊队长惊呼，“我真不敢想象，怎么会有这等事发生？一名恶棍，竟敢骚扰我们数数的人这等智者？以先知之名，我立刻就去阻止这件事。”

他走后，我回到自己房中躺下，静静地吸了一会儿烟。

不管塔那提耳可能会多么凶暴，哈珊队长都不是可以随便小觑之人，而且他立刻替我们采取行动。一小时后，我接到他送来下列信息：

事情全部解决。三名杀手已就地处决。
塔那提耳挨了八下鞭刑，付了27金币罚锾，
并不得逗留都城，被令立刻离开，
我已经派人押他到大马士革去了。

我把队长的信拿给撒米尔看。有了这项消息，我们现在总算可以平安地住在巴格达了。“很有意思，”撒米尔答道，“实在出奇，这信竟使我记起了数字8与27之间，有一个奇特的数字关系。”

我吃惊地看着他，他竟是这种反应！他却继续说道：“除了数字1之外，只有8和27这两个数字，始终等于本身的立方值。你看：

83 =512

273 =19683

“512的3个位数，加起来是8，而19683的5个位数，加起来则是27。”

“你真是令人惊异！我的朋友！”我叫起来，“就只会忙着算你的立方，你竟完全忘了，自己正在被危险的杀手威胁！”

“数学啊，我亲爱的巴格达友人，如此吸引我们的注意力，以至常常令我们陷入忘我境地，忽略了周遭身处的危境。你记得伟大的几何学家阿基米德，他是怎么死的吗？当叙拉古城破，被罗马统帅马塞卢斯击溃，阿基米德正全神贯注地在他的沙盘上解着一道题，完全忘却了身边正在发生的战火与死亡。他只对真理的追求感兴趣。一名罗马兵士发现了他，命令他到马塞卢斯那儿去。这位智者却告诉他等一下，待他解完手上正在做的题目。兵士坚持要求他即刻前去，粗暴地抓住他的手臂。‘小心！注意你踩到的地方！’我们的大智者向士兵喊道：‘别抹掉那些图形了。’见他竟不立刻听命，士兵大怒，打了他一记，立时送了这位当时最智者的命。

“马塞卢斯先前曾严格下令，务必保全阿基米德的性命。听说大师竟然死了，不禁大恸，难掩伤痛之情。在大师墓前，他下令立一块石，上面勒刻了一个三角形内有一个圆圈。于是就以这个图形，纪念知名大几何学家的一大重要定理。”

撒米尔说完了，走到我面前，将一手覆在我的肩上：“你不觉得，我的朋友，应该将这位叙拉古城的智者，列入为几何殉身的烈士之列吗？”

我还能怎么回答他？

阿基米德的悲剧结局，却提醒了我那名又诈又妒的危险人物塔那提耳。

我们真正不用再担心那个坏脾气的盐商了吗？难道，日后他不会又从大马士革回来，重新来对我们造成更多危害吗？

靠窗而立，双臂交叉，撒米尔密切地注视着市集上熙来攘往的人群，表情带着些许悲伤。我决定打断他的思绪，将他从忧郁里拉出来。

“这又是怎么了？”我问他，“你在难过吗？你在思念自己的家乡吗？或者，你只是在计划着什么新的运算？是数学之思还是故国之思？”

“我的巴格达友人，”他答道，“乡愁与运算，两者之间其实并非毫无关系。我们有一位最富灵感诗思的大诗人，就曾这样说过：

乡愁，也可以用数字计算。
它是用距离，
乘以爱的系数。

然而，我却不认为乡愁能化为公式，用数字衡量。当我还是小孩子的时节，曾听母亲多次唱着下面这首歌：

乡愁，是首老歌。
乡愁，是个影子。
只有时间可以带走乡愁。
正当时间带我离去之时。”

题解说明

◎丢番图

所谓的“丢番图问题”，或“丢番图墓志铭”，可用一次方程式轻易解决。

丢番图的年纪设为X，写成如下：

(x/6)+(x/12)+(x/7)+5+(x/2)+4=x

求得X之值为84，即为此题之解。

25 　面试开始

撒米尔又被召进宫。奇特的意外场面。艰巨的对决：一对七。神秘指环的重现。撒米尔受赠一张蓝色毡毯。一首诗歌搅乱了一颗满满的心。

斋戒月后的第一个夜晚，我们刚来到哈里发宫中，一名与我共事的老文书就通知我们，哈里发正安排了一个奇特的意外场面，等着我们的友人撒米尔。

一场令人畏惧的大考验就要来到。数数的人要在哈里发御前，面对七名数学家，与他们展开竞赛，其中三位前天刚从开罗来到此间。还能怎么办呢？面对要来的挑战，我只能试着鼓励撒米尔，告诉他一定要对自己的能力有绝对信心，而他的能力早已证明过多次了。他却反过来提醒我，他师父诺以林说过一句格言：“对自己缺乏信心的人，不配得他人对他的信心。”

于是怀着沉重的心，又忧又疑，我们进入宫内。

巨大的谒见厅内，火烛高照，满厅都是朝臣与显贵。哈里发右首坐着年轻的大君克鲁遮，是座上的贵宾主客。随侍大君在场的是八名印度开士米籍医生，身穿富丽的金绒长袍，头戴奇异的缠头巾。王座左首坐着朝臣、诗人、法官，以及巴格达社会最显赫高贵的成员。高台上面，丝质坐垫之上，端坐着七名智者，正是数数人的考官。哈里发一个示意，匝鲁耳大人便牵着撒米尔的臂膀，肃穆地将他引到金碧辉煌大厅的中央，一处算是讲台模样的地方。

在场众人脸上都充满了期待，虽然不是所有的人都祝福数数的人成功。

一名身形巨大的黑奴敲响一面沉重的银锣，连敲三次。所有缠头巾都俯首低下。奇异的仪式要展开了。我的思绪，我必须坦承，简直陷在一个漩涡里昏乱打转。

一名大祭司手持圣书，以缓慢沉稳的声调念出可兰经中一段祈祷文：

以安拉之名，贤智又慈悲者，所有世界的创造者，我们赞美你，噢主，恳求你的神助。领导我们走正直的路，走在那些被你拣选并保佑祝福者的道路。

当最后一字在宫中回廊响绕之际，王向前走上两步，停下，说道：“我们的友人与盟友，克鲁遮大君，拉合尔与德里的主公，要我为他随行的众位学者提供这个机会，以亲眼见证玛拉夫大人的秘书、这位波斯数学家巴睿弥智·撒米尔的才智与技巧。若不依我们贵客的所请，实在有失礼之嫌。因此，全伊斯兰最贤能、最知名的智者当中，我们请来了七位，向撒米尔，这位数数的人，提出一系列与数字科学有关的题目。如果撒米尔能够答复这些难题，我在此承诺，我要赐他一个重大奖赏，使他成为全巴格达最受人欣羡的人。”

此时，只见诗人走向哈里发：“所有虔信者的王啊！”诗人说，“我在此有样东西，原属于撒米尔，是一只在我家中被我一名家奴发现的指环。我希望在他面对这场最重要的考验之前，能先把指环交还给他。它也许是某种护身之物，或许能赋予他一些超自然的助力，我不希望剥夺他这个机会。”

短暂停顿了一下，高贵的爱以兹德又继续说道：“我钟爱的女儿泰拉辛蜜，我人生所有珍宝之中的真正至宝，要我准许她将这张小地毯送给她的数字之学老师，也就是这位波斯数学家。她在毯子边缘绣了一些花纹装饰。王上，若您恩准，可否让撒米尔在接受伊斯兰七位最知名智者的考试之时，把这张毯子铺在专为他准备的坐垫下方？”

哈里发下令，立刻把指环与小坐毯都拿到数数的人那里去。爱以兹德老爷大人一如平日的真挚友善，亲自将装着指环的小盒子递给撒米尔。然后又在大人示意下，一名年轻奴隶现身，捧来一张蓝色小毯放在撒米尔的绿色坐垫下。

“这一切，都是有魔力的符咒，带来好运的护身符。”我身后有声音低低说道，是一个身穿蓝色短袍的瘦削老头，“看来，这个波斯年轻人倒是很懂魔法。依我看，那张蓝毯有些神秘。”

那些在场的大多数人啊，他们怎能知道，撒米尔的运算才情，乃是他本身智能的果实？那些没知识的无知人，若有任何事情超出他们的理解，总将他们不知不解的事物归诸魔法之力。然而在场的那些大人物们，他们的智慧、学养，必然高明到足以理解眼前正在发生之事纯属智慧之事。撒米尔正要接受的考验，乃是由最精于这门学问的人士进行；而这门学问，又正是我们阿拉伯人一向最出色擅长之学。他能够通过这项考验吗？

收下了指环与小毯，撒米尔似乎被深深地撼动了。甚至隔着一段距离，我也可以看到此时此刻，有什么事情深深震撼着他。他打开小小盒子，明亮的眼睛立时蒙上雾气。我后来发现：连同指环之外，温柔的泰拉辛蜜还放进一张纸条，撒米尔看到上面写着：“勇气。信任真主。我为你祈祷。”而毯子呢，难道真有什么魔力附在上面吗，一如那蓝袍老者所以为的？

不，不是魔法。那张毯子，在众大人与众智者眼中，只不过就是件小小礼物。其实上面却绣着诗句，而且是以那种古时专门抄写可兰经之用的古雅字体库法体绣成，只有撒米尔才认识，并知道如何解读。那些诗句深深触动了他的心房，后来我译了出来。泰拉辛蜜沿着毯缘，把它们绣得好像只是饰边图案的蔓藤花纹：

我爱你，我亲爱的。原谅我的爱。
你安慰了我，一只惊慌迷路的小鸟。
我的心受到触动，袒露无遮，向风雨四时敞开。
请以你的慈悲包覆它，我亲爱的，原宥我的爱。
若你不能爱我，我亲爱的，原谅我的痛。
我会回到我的歌中。我会留驻坐在暗中。
我会以我的双手，遮住我全然赤裸的卑微。

爱以兹德老爷，当时察觉到这份双重的爱的信息了吗？走笔至此，我不太知道自己的脑海中为什么强烈出现这个念头。因为只有后来，如我先前所说，撒米尔才把这个秘密告诉了我。

只有安拉知道真相！

一股巨大的沉默，笼罩了在场全体显贵。在哈里发富丽的谒见厅中，就要展开一场伊斯兰天空下，此前从未有过的不寻常的重大考验。

安拉啊！

26 　值得一书

我们遭遇一位知名的神学家。人生要来之事的问题。凡是穆斯林务必知悉圣书。可是整本可兰经中到底共有多少个字？又有多少字母？撒米尔用了个小计。

被指定首先发问的智者，庄严地起身。他已年过80高龄，我心中激起无比敬意。如同先知一般，他有着长长的白胡须，直垂到他宽阔的胸前。“这位高贵的老人是谁？”我低问坐在我旁边的一位医生，后者一张晒满阳光肤色的瘦脸。

“他就是驰名的大贤，德高望重的莫哈德卡·易卜哈吉·阿布那·拉玛，”他答复，“他们说，他知道超过一万五千句关于可兰经的格言。是位神学与雄辩学的教授。”

智者莫哈德卡用一种奇怪的方式咬字，一个音节、一个音节地吐出，仿佛有意测量自己的声音。

“我要请教你，数数的人，这是件关乎吾等穆斯林的头号大事。一个人身为伊斯兰的信仰者，在研读欧几里得或毕达哥拉斯之前，务必先对自己所信的宗教有深厚认识，因为真理若与真信分离，生命就不可想象。人若不能就那些要来之事与救赎大事详加思考，若不知安拉的金言与戒律，就不配称作一个贤智的人。所以我要请你，不容任何迟疑，从安拉之书可兰经中提出十五件与数字有关的事项。这十五件中，一定要包括下列几项，而且全部都要精确不差，没有任何出入：

可兰经共有几章？

共有几节？

共有几个字？

共有几个字母？

经中共提到几位先知”

他又继续说道，声音越发低沉：“除了我要你说出的这五个数字之外，我还要你告诉我们，另外十个与数字有关的章节。请开始吧。”

这些话说完之后，室中一片深深静默，大家都屏息等待撒米尔开口。年轻的数数人以无比的镇静，做出如下回答：

“贤明又令人尊敬的大德啊！可兰经中共有114章，其中70章是在麦加口述而成，44章则是在麦地那启示完篇。这些篇章又分成611段，内含6236节，第一章有7节，最末一章8节。最长的一章是第二章，共含280节。可兰经共有46439字，323670个字母，其中每一项都包含了十种特别的美德。我们的这本圣书，一共提及25位先知，而耶稣，玛利亚之子这位先知，书中一共提过19次。其中五章，是用五种动物名称为章名：黄牛、蜜蜂、蚂蚁、蜘蛛、大象。第一百零二章的章名是‘数字的响应’（一般译为“竞富”“积财”或“增值”）。该章的特点，就在于它那五节里提出的警告：不要陷入无谓的数字争议，因为这一类的争执，对人的灵性进展毫无帮助。”

说到这里，撒米尔短暂停顿了一下，然后又说：“以上便是安拉书中谈及数字之处，以答复您的询问。但是在我提出的答复中，却有一个错误，我必须赶快指出。就是我一共给了您十六个，而不是十五个例子。”

“我的安拉！”坐在我身后的蓝袍老者惊呼，“怎么能够有人知道这么多数字，这么多事，而且完全只靠口背心诵？真是不可思议！他甚至知道可兰经里一共有多少字母！”

“他只是很用功，”老者的邻座低声咕哝，这人是个胖子，下巴上有个疤痕，“用功罢了，又全部都背下来了。我从很多人那儿听说过这事。”

“单靠记忆力哪成，”老者低声说道，“像我，连自己那些表亲的年岁都记不住。”

周围这些耳语令我非常不快。可是事实是，莫哈德卡证实了撒米尔提供的所有事项，甚至连圣书中的字母总数都分毫不差。

他们说，这位大神学家莫哈德卡自愿选择居于贫困；这一定是真的。安拉夺去许多贤人智者的财富，因为财富与贤智很少能够两全。

撒米尔已经精彩地克服了这场艰巨挑战的第一关，可是还有六关要过。

“愿安拉旨意如此，”我心想，“让其余几关也像第一关一般渡过吧，然后一切都能圆满结束。”

27 　历史正在创造进行中

智慧的历史学者向撒米尔提出考题。看不见天空的几何学家。希腊数学。对埃拉托塞尼的赞誉。

第一道挑战已细密通过，第二名智者接班继续询问撒米尔。这是位知名的史家，先前曾在西班牙的哥多瓦开坛讲课，教授过二十年的历史。然后出于政治原因，他迁到开罗居住，在那里受到哈里发的保护。他是个矮个子，古铜色的脸庞，一把椭圆的胡须，两眼呆滞无神。下面便是他对数数的人所说的话。

“以安拉之名，智慧又慈悲的真主！有些人以为，一位数学家的价值，在于他运算的能力，或应用一些陈腐运算规则的技巧。他们都错了。在我看来，真正的数学家，乃是彻底了解多少世纪以来数学发展进程之人。研究数学史，乃是对历来那些天才大家致上敬意；这些天才透过自身的智慧，拔高、荣显了过往文明的地位，揭露了自然中某些最深邃的奥秘，又透过科学，设法改善了我们悲惨可怜的人类状况。遍布在整个史页上的，是我们光荣可敬的祖先，他们作成了数学这门科学，我们也传扬他们遗留在身后的功绩名作使之不朽。因此我希望向数数的人提出一个问题，是关于数学史上一个有趣事例。那位知名的几何大家，因为自己看不见天空而自杀，请问叫什么名字？”

撒米尔思索片刻便答道：“他名叫埃拉托塞尼，是昔兰尼加的数学家，先在亚历山德拉城受教育，然后又进入雅典学院，在那里他学习到柏拉图的教义。埃拉托塞尼后来被任命为亚历山德拉大学那座大图书馆的馆长，并担任这职务直到去世。除了在科学、文学上都拥有令人称羡的渊博学问之外——这已足以使他名列当时最智慧者之列——埃拉托塞尼又是位诗人、演说家、哲学家，更有甚者，还是个多项全能的运动家。只消提到他曾赢得过奥林匹克运动会上的五项运动全能大奖就足够了。当时的希腊，正享有着它的科学与文学黄金年代，是史诗诗人的国度，诗人们激情四溢地创作他们的诗歌，配乐演出，在四方君主与伟大领袖的盛宴、聚会上吟哦。

“应该指出的是，即使在希腊多位最富盛名、学养的人士当中，埃拉托塞尼也被视为奇葩，是一位不世天才。他扔标枪、写诗、打败最棒的跑者、解决天文问题。他有多部作品流传后世。他献给埃及王托勒密三世一个表：这是一块金属板，上面蚀刻着质数（素数），那些有倍数的非质数（合成数）则刻一小洞标示。后人因此把这位智慧天文家寻找质数的方法，称为埃拉托塞尼筛。

“但是某次外出在尼罗河岸上，他眼睛染患疾病以致失明。这位以无比热情钻研天文学的大家，竟从此不能再见天空，或赞赏夜晚星空下穹苍间无可比拟之美。天狼星的蓝色光芒，再也照不透翳蔽了他的双眼的黑云。他被这样的不幸击倒，无法忍受失明的重担，这位圣者将自己关在图书馆内，把自己活活饿死了。”

那眼睛黯淡无神的大贤史家转向哈里发，静默了一会，宣布道：“我非常满意这位波斯运算家所发表的精彩历史陈述。史上唯一知名却自杀而亡的几何学家，的确就是这位身兼希腊诗人、天文学家、运动家以及叙拉古最知名大家阿基米德密友的埃拉托塞尼。安拉应得赞美！”

“以天堂乐园美妙的喷泉之名！”哈里发兴奋地大喊，“我刚才知道了多少事情！我们又有多少事情不知道啊！那位知名的希腊人，那位研究星辰、写作诗歌、展现运动奇技的天才，真是值得我们最深的赞佩。从现在起，每当我仰望天空，在多星的夜晚，每当我见到天狼星座，我就会想起这位智者的悲剧结局。他在群书宝藏环绕之中却不能读，亲自写下了自身的死亡之诗。”

然后他轻触大君肩头，又说：“现在，且看我们第三位智者，是否能够问倒我们数数的人！”

28 　错谬的希望

难忘的考验继续进行。第三位智者向撒米尔发问。错谬的归纳。撒米尔向我们演示：明明正确无误的事证，竟可以推衍出一个错谬的法则来。

第三位要来提问的智者，是知名的天文学家阿布·哈珊·阿里，在哈里发特别邀请之下从西班牙阿尔卡拉来到巴格达。他的身材很高，骨骼突出，满面皱纹，右腕上戴了一只金手环，据说上面刻有黄道十二宫的图像。天文学家先向哈里发与众王公贵人行礼致意，然后便转身向撒米尔。深沉的嗓音，似乎在大厅中回荡。

“你方才提出的两项作答，显示出你有很好的底子。你谈到希腊科学，以及我们圣书里的细节，都是以同样的才学精确掌握。然而在数学这门科学里面，最有趣的部分是在推理：经由推理，导向真理。区区组合了一堆事实，远远仍不能形成一套知识；一如沙漠中的海市蜃楼，绝非真实绿洲。所谓知识，务必观察事实，然后从中演绎推衍出它的法则定律。靠这些法则之助，我们便可以处理其他事实，或改进人生状况。所有这些都很真实，都是真理。可是，我们又如何抵达真理？于是问题出现了：

“在数学里，我们有可能从明明真实的事实中，却推得一个谬误的法则吗？我希望听到你的答复。运算者，请用一个简单例子说明。”

撒米尔陷入深思，稍待了一会儿，然后抖擞精神，做出如下回答：“且让我们假设，有位数学家出于好奇，想要求得一个四位数字的平方根。我们知道一个数字的平方根，如果自行相乘，即可得出原先那个数字。这是一道不证自明的数学定理。

“再让我们进一步假设，这位数学家挑选了三个数字进行他的实验，他选出以下数字：2025、3025，还有9801。

“让我们先从2025开始。经过适当的运算，我们发现它的平方根是45，也就是说45乘45，等于2025。可是我们也发现45这个数字，可以用20加25取得，正好是2025这个数字从中切开的左右两个各半。同样地，3025也是如此，照样可以如此证明。它的平方根是55，也可以用30加25取得，这两个数字刚好又分别是3025的左右两半。同样的事也发生在9801，它的平方根是99，也就是说：98加1。基于以上这三个例子，一位粗心大意的数学家或许就以为可以宣告如下法则：

“若要求得一个四位数数字的平方根，可将此数从中切为两半，再将左右二数相加。答案和即是原四位数的平方根。

“这个定理显然大错特错，却是由三个真实的例子推得。因此在数学里面，显然不可能只用简单观察就求得真相。即便如此，我们仍要特别小心，以避免这一类错谬的归纳出现。这是非常重要的。”

天文学家阿布·哈珊显然很满意撒米尔的答复，他宣布从未听过可以用这么简单又有趣的演示，就清楚说明了数学的谬误论证。

哈里发一个示意，轮到第四名智者起身，准备提出他的考题。他的名字是扎巴尔·洼弗利德，是位诗人、哲学家、星相家。在他的原乡西班牙的托雷多，一向以善说故事闻名。我永远忘不了他那令人景仰的风采，或他那安详和蔼的目光。他移到讲坛边缘，向数数的人招呼致意，然后说道：“为了让你明白我的提问，首先我必须给你讲一个古波斯的传奇。”

“哦快请说，雄畅善言的大贤！”哈里发说，“我们都急于聆听您的智慧之语，对我们听者犹如金珠落地声声入耳。”

托雷多的智者，声音坚定沉稳，如同一支车队行旅的稳健行进的步伐，说出了下面这则故事。

29 　独力成功

我们听到一则古老的波斯传奇。物质与精神。人世问题与超人世的问题。最出名的一则乘式。哈里发强烈斥责伊斯兰显贵的褊狭之心

有一位统治全波斯与伊朗大平原的君王，他听闻某个托钵苦行僧曾经宣示：真正的贤人智者，一定知晓并能分辨人生的精神与物质。这位有权势的哈里发名叫阿斯帖，世人一向称他为尊贵祥宁之王。

一日，他召见波斯全地三位最有智慧的人，给他们每人两个第纳尔，对他们这样说道：“这座宫殿里有三间一模一样的屋子，屋内空无一物。你们每一位要分别负责将其中一间装满。可是从事这项任务之时，所花的费用绝不可超过你刚才得到的金额。”

这个问题真的很难。每位智者都必须把空屋装满，却不得花费比这小小两个第纳尔为高的金额。于是三位智者开始着手完成阿斯帖王交付的艰难任务。

一段时间之后，他们回到谒见大厅。王急于听他们对问题的解决，轮流询问他们。

第一位如此报告：“我主我王，我花了两枚第纳尔，屋内现在完全满了。我的法子很实际。我买了好几袋干草，将整间屋子从地面到天花板都堆满了。”

“好极了！”阿斯帖王惊奇大呼，“你的法子真是充满想象。我认为你很能意识到人生的物质面，而且能从那个有利观点着手，处理生活呈现给你的问题。”

第二名智者向王屈身行礼后，给了如下答案：“我一共只花了半个第纳尔，就达成我的任务。请让我向您说明：我买了一根蜡烛，点在空屋里面。现在，王啊，您可以亲自来看，屋内完全满了——充满了光。”

“妙极了！”王大声惊叹道：“你的法子太聪敏了。光代表人生的精神面。而你的心灵，依我看来，很能从精神一面，面对人生存在的问题。”

然后第三名智者这样说道：“地的四极之王啊！一开始，我本来想让房间保留原封不动。因为我们很容易就可以说：那屋里根本不空，因为显然充满了空气与黑暗。可是我不想让自己看来有懒惰狡猾之嫌，所以决定应如我两位同伴一样，也该有所行动。于是我从第一间拿来一把干草，又用第二间的蜡烛把它点燃，然后又把火灭了。所以现在房间中完全被烟充满。如您所见，如此一来未费我半文钱。您交给我的钱分毫不少，房间却已经满了——满了烟雾。”

“真是可圈可点！”尊贵祥宁之王阿斯帖惊呼道，“你实在是波斯最有智慧的人，或许更是全世界的最智者。因为你知道如何结合物质与精神，达成完美的结果。”

托雷多的圣者说完了故事，转身向撒米尔，以友善的态度对他说道：“我希望你，运算者啊，可以证明你也能够如此结合了物质与精神，一如我故事中的第三名智者。不只能解决人的问题，还能解决精神灵性的问题。我的问题是这样的：世上最知名的一个乘法算式是什么？所有历史都提到过它，但凡有文化的人也都知之甚详，而且这个乘式只用了一个因子！”

这个问题令全场显贵出乎意料。有人甚至不掩饰他们的不耐。我旁边一位法官就很不高兴地咕哝：“这问题简直太过分！”

撒米尔思索片刻，这样答道：“唯一只使用了一个因子的乘法，又为所有史家与文人皆知者，乃是玛利亚之子耶稣，用饼与鱼所做的繁增相乘（《新约圣经》记载：耶稣以5饼2鱼喂饱5000人，众人吃饱后，剩下的零碎盛起来，又装满了12篮。乘法与繁增同字）。在那个乘法里面，只有一个因子：就是真主旨意的神迹力量。”

“再好也没有的答复！”托雷多圣者说道：“这是我所听过最好的答案，数数的人完全无可驳辩地答复了我提出的问题。赞美归于安拉！”

在场的真主信者当中，有些人心地不够宽容，只见他们震惊地面面相觑，人群传出窃窃低语。哈里发高声地打断他们：“安静！你们所有的人！我们应该尊崇耶稣，玛利亚的儿子，他的名字在安拉的圣书中提过19次。”

他转向第五位贤智者，和气地说：“我们在等你来发问了，纳西夫·拉哈大人。你是下一位。”

王一声令下，第五位智者站起身。此人身材肥胖、发色花白，头上没有缠头巾，却戴一顶绿色小帽。他在巴格达非常有名，因为他在清真寺内授课，向学者们开示先知话语当中比较隐晦不明之处。我曾有两三次见过他从澡堂出来。他的语气紧张，带了几分挑衅意味。

“智者的价值，必须以他的想象力深度衡量。随机挑出的几个数字，详细记诵的史实细节，都只能引起片刻的兴趣而已；一段时间之后，就完全被人忘怀。你们当中，有多少人记得可兰经中一共有几个字母？人世间有多少数字、名字、字词，甚至整本整本的书，都注定被人遗忘，永远无可挽回。知识本身，并不能令一个人变为智慧。因此我要用下面这个问题，来测试我们面前这位波斯运算者的价值。这个问题，不能单靠记忆力或任何能力本身解答。我想请巴睿弥智·撒米尔告诉我们一个故事，一个简单的寓言。故事中应该有一个3除以3的分配，虽提出却未获真正执行；另外还要有一个3除以2的分配，获得执行却没有任何余数。”

“好极了这个点子！”蓝袍老者低声窃语，“我们总算可以摆脱没有人懂的运算，却要听个故事了。”

“可是我敢说，那个故事还是会有数字。”我身旁那位医生不以为然地咕哝，“你等着看吧，我的朋友。所有问题最后都还是回到运算、数字、这个或那个题目。”

“我可希望不会。”老者说。

第五位智者竟提出这种要求，真有点把我吓坏了。撒米尔怎么可能在片刻之间就杜撰出这样一个故事，里面要有一个虽提出却未执行的分法，还有更困难的，一个3除以2却不剩任何余数的分法。这怎么可能呢，逻辑规定：3除以2，当然一定会余一啊？可是我将自己的焦虑放在一旁，完全信任吾友的想象力以及安拉的慈心。

数数的人搜索记忆，一会儿之后，开始说下面这个故事。

30 　三物以类聚

数数的人讲了一个故事。老虎建议如何3分3。胡狼主张3分2。如何在强者的数学中求得商数。小绿帽大人称赞撒米尔。

以安拉之名，有智慧又有怜悯的！

某次，一只狮子、一只老虎、一只胡狼结伴，离开它们居住的阴暗洞穴，一起踏上友好的长途旅程，到各地漫游以寻找盛产柔嫩可口的羊只之地。

走在大森林的中央，那只令人畏惧的狮——它自然是这个小群体的首领——感到后面两只狮爪有些疲累了，于是一甩它巨大的狮头，放出一声狮吼。如此凶猛，连最近旁的林木也不禁摇晃颤抖。

吓坏了的老虎与胡狼面面相觑。首领发出的那一声恐怖狮吼，不但把林中的宁静打破，同时也向这另外两只徒从宣示着——粗略地可译成：“我饿了！”

“我了解您的不耐，”胡狼焦虑地对狮子说，“可是我敢向您保证，这林间有一条没人知道的秘道，只要沿此路走去，很快就会到一个小村落，那里几乎已经是个废墟，但是却有丰富的猎物，就在我们的利爪非常可及的范围之内……”

“那就让我们快去，胡狼！”狮子大吼，“立刻带我到这个美妙的地方去！”

到了黄昏，在胡狼领路之下，三名旅者抵达一处低矮的山头，从那里望下去，可以看见宽广碧绿的平野，平野中央有三只温良的动物正在吃草：一羊、一猪、一兔，完全未意识到已有危险近身。

一看有这么容易上手铁定跑不了的猎物，狮子一摇它丰沛的狮鬃，显然非常满意，狮眼放光充满了贪婪地转向虎说，口吻相当和气：“啊，我优秀的老虎！我们看见那里有三只绝佳又可口的小品：一羊、一猪、一兔。你呢，是个大专家，现在要负责为我们仨来分它们仨。公平、公正地分——务必合乎兄弟情谊，把这三只动物分给三个猎者吧。”

虚荣的老虎听见这番邀请恭维，受宠若惊，先是假意地谦让一番，连吼几声，表示自己哪里够格担下这项重任，然后这样回答：“哦大王，您慷慨建议的分配非常简单，很容易就可以达成。羊呢，是最上品又最可口的，可以满足一整批沙漠雄狮的饥饿，当然该由您独享，绝对是您的美食。那只猪呢——骨瘦如柴，又脏又不像样，连那只肥羊的一条腿都比不上——自然只能给我，因为我谦虚为怀，少少一些就已心满意足。而最后，那只又小又可怜的兔子呢，没多少肉，完全不配一位王者的味蕾，就赏给我们的朋友胡狼，酬谢它为我们领了这么有价值的一条路。”

“白痴！十足的自我！”狮子大怒，吼声令人畏惧，“谁教你这种分法？愚蠢的家伙！谁曾看过三除三会除出这样一种结果？”

狮子举起它的巨掌，一把挥向毫无提防的老虎的脑袋，如此之猛，老虎立刻倒在几英尺之外死了。然后狮子转向胡狼说道——此时后者目睹这三除三的悲剧除法已经吓得发昏：“好，现在，我亲爱的胡狼，我一向非常看重你的智力。我知道你是个足智多谋的家伙，我也知道只有你才能智巧地解决最困难的问题。因此我托付你来做这个除法。明明是这么简单的小事，那只愚昧的老虎却不能满意地解决，你刚才也看到了。所以现在好好地瞧上一瞧吧，胡狼吾友，那三只令人垂涎的动物：羊、猪、兔。我们两个，有三顿食物要分。所以做你的除法分配吧——我很想知道我的那一份，到底会分得多少。”

“我不过是您谦卑可怜的仆人，”胡狼逆来顺受地呜咽道，“自然只能恭敬听命。正如一位智能的运算者，我要将这三只动物以二来除，非常简单的分配！最确定又最公平的数学分法如下：那只美好的肥羊，配得给王者享用，自然只配入您大王之口，因为毫无疑问您是万兽之王。那只开胃的猪，它的轻柔呼噜您可以从这里听见，也当然只能给您皇家的味蕾享用，因为有识者都知道：猪的肉可以让狮子增强体力、精力。而那只长着两只大耳朵、易受惊吓的怯懦小兔，也是专供您咬嚼的美味，因为在最美味的盛宴上，最鲜美可口的菜肴总是由王者享用。”

“无双无匹的胡狼！”狮子大喊，为它刚刚听到的分配法陶醉不已，“多么智慧又和谐啊，你说的话总是如此悦耳！是谁教你的这项绝技，将三除以二分得如此确定又完美？”

“那当然是多蒙您方才向老虎施行的公理正义，它竟然不知道如何用三来除三。当其中一方是狮子，另一方却只是区区胡狼，在强者的数学里，我一向都这么说的：那商数可是再清楚明白也没有了。至于弱者呢，当然只能得余数而已。”

于是从那一日起，既已建议做出如此分配，这只野心而卑下的胡狼灵机一动，打定了主意：自己只能以寄生虫的姿态，接受狮口饱餐之余的残食，才能平安苟活。

可是，它还是打错了主意。

两三周之后，又怒又饿的狮子，被胡狼卑躬屈膝的奴相给弄烦了，一火起来干脆把它也宰了，一如先前杀了老虎一般。

这个故事的道德意义是：务要说出真相，说上一千零一次。因为真主的惩罚，比罪人自家的眼皮离他自己还要更近。

“所以，最贤明又智慧的裁判！”撒米尔总结道，“以上就是一则最简单的寓言，在其中有两个分配的除法。第一个是三除以三，提出却未执行；第二个是三除以二，执行了却没有余数。”

数数的人说完了，全场一阵深深的静默。所有在场的人，都热切地静候那位严肃智者的裁定。

纳西夫·拉哈大人神经质地调整了他的绿色小帽，又抚了抚他的须，才似乎语带保留地说出他的判决：“你刚才说的故事，完全合乎我的要求。我承认我从没听过这样的故事。而且在我看来，这确是一个有价值的好故事，连希腊人伊索都不能说得更好。以上就是我的意见。”

撒米尔的故事，蒙小绿帽的智者大人批准，也令在场所有达官贵人听得很高兴。克鲁遮大君，我们哈里发的贵客，高声向全场宾客宣布：

“我们刚才聆听的故事，含有一个重要的道德寓意。那些在朝中逢迎拍马的讨厌人，趴伏在权势者的地毯上；或许一开始，能靠着他们的奴性得到点什么，但最终还是会受到惩治，因为真主的处罚总是近在手边。待我回国后，我要把这个故事告诉我所有的朋友与认识的人。”

哈里发也认为撒米尔的故事相当精彩，并指示将这则三除三的分配寓言，收录在他的档案里面。这个故事的道德教训发人深省，配得以黄金字母，记载在高加索区雪白蝴蝶的透明翅上。

第六名智者立刻站出来了。

他来自西班牙的哥多瓦，在那里住了十五载，然后因为惹恼了君王而必须出逃。他是个中年人，圆圆的脸庞风趣开朗。他的爱戴者说：他最擅长以幽默的诗文讥嘲暴君，技巧最是高明。然而六年之久，他只是在也门担任一名向导。

“统辖世间的哈里发！”他向哈里发说道，“我刚才听到一则出色的寓言，由衷感到万分的满意。这则如何以三除二的故事，在我看来包含了一个伟大的教训、一项深刻的真理。这项真理，如正午的日头一般清楚确定。我实实在在地觉得，道德箴言若以故事或寓言的形式呈现，往往最为生动。我也知道一个故事，里面没有除法、没有平方根、没有分数，可是却含有一个逻辑问题，只能以纯粹数学推理论证的方式解决。我会以故事的方式来述说，然后，我们就要看看我们这位优异的运算家，如何可以破解其中的问题。”

于是哥多瓦的智者，便说了下面这个故事。

31 　白纸黑字

哥多瓦的智者说了一则故事。达依姿公主的三名追求者。五个圆木片难题。撒米尔如何解释一名聪明求婚者的推衍逻辑。

那位知名的阿拉伯史家马库多，在他22卷的巨作里面，谈到七海、大河、名象、星辰、山岳、中国的帝王、一千种其他各类事物，可是却完全未曾提及那位“犹豫不决王”卡辛姆的独生女儿达依姿，甚至连她的名字都没提过一次。没关系。尽管如此，达依姿依然永远不会被人忘记，因为在阿拉伯的文学创作里，她的名字出现在40万首诗中，数以百计的诗人迷恋地歌颂她的美貌。单单是用以描写她那双美眸的墨，如果转换成油，就足以点亮开罗城半个世纪。你也许会想，我在夸大其词了。可是，我的兄弟们，我并没有，因为夸张乃是一种谎言。不过，还是让我开始说我的故事吧。

“当达依姿公主芳龄18岁又21天那日，有三名王子来求娶她为妻，他们的名字也流传在传奇里面，分别是阿勒汀、宾尼发、柯莫赞。

“卡辛姆王犹豫不决，做不了决定。这三名富有的求婚者当中，他如何选出一位可以和他爱女成婚的对象。如果由他去选，会产生下列无可挽回的致命结果：他，身为国王，虽会获得一个女婿，但另外两名失望的追求者却会含恨成为他的敌人。这是个棘手的决定，对这位敏感而谨慎的王来说，他只想与他的子民安居，与邻国和平相处。他去问达依姿公主，可是公主宣告她只嫁给最聪慧的人。

“她的决定令卡辛姆大喜，因为他看到一个简单的方法，可以解决这项似乎不可能的抉择。他召来朝中最智慧的五位智者，吩咐他们用严格的考题测验三名王子，以决定三人之中到底谁最聪慧。

“任务完成，智者五人小组回报卡辛姆王，三位王子实在都是最最聪慧之人。他们都精通数学、文学、天文、物理。他们也都能解决困难的棋题、参透几何的精妙，以及各式复杂的谜题。‘我们实在看不出有任何方法，’智者说，‘可以明确决定到底该中意他们其中任何一位。’

“他们令人泄气地失败之后，王决定请教一名穆斯林托钵苦行僧，后者素以熟谙魔法与神秘学而知名。

“托钵苦行僧向王报告：‘我只知道一个法子，可以让我们决定三人之中哪位王子最为聪敏——用五块圆木片来测试。’

“‘那让我们快试吧！’王叫道。

“于是三名王子被召进宫，托钵苦行僧给他们看五块简单的圆木片，对他们说：‘这里是五块圆木片，二黑三白。大小都相同，只有颜色有异。’

“然后一名青年侍从仔细将三名王子的眼睛蒙上，让他们看不到。年老高僧随意挑出三只圆木片，分别绑到三名求婚者的背上，边绑边说道：‘你们每人身后都绑了一块圆木片，你不知道它的颜色。现在你们可以轮流作答，找出自己身上圆木片的颜色。说对的人就会被宣布为胜利者，可以获得我们美丽的达依姿公主为妻。首先被问到的，可以看另外两人的圆木片。但是第二个作答的，却只能看第三人的圆木片，第三个作答的，就只能自行判断而不能看其他两人的圆木片。而说出正确答案的人，为证明他并不是凑巧碰对，也必须用清晰明白的论证，说明他推理的过程。好，现在谁要第一个来？’

“‘我先来吧。’柯莫赞王子立刻表示。

“青年侍从将王子眼上蒙着的布条取下，柯莫赞王子看见两名对手背后的圆木片。高僧将他带到一旁听取他的答案，可是却错了。他只好宣布自己败北，黯然退下。他已经看到另外两人身后的圆木片，却依然无法断定自己那只圆木片的颜色。

“‘柯莫赞王子已经失败了，’王高声说，以通知另外两位。

“‘那么接下来让我来吧，’宾尼发王子说。第二位王子脸上的眼罩一被取下，就看到第三位王子背上的圆木片。他向高僧示意，在后者耳中轻声说出他的答案。高僧摇摇头。第二位王子也错了，也被要求立刻退下。现在只剩下一位阿勒汀王子。

“王一宣布第二位追求者也失败了，阿勒汀王子立刻走上前，眼睛还蒙着布条，就高声说出自己背后那只圆木片的正确颜色。

故事说完了，哥多瓦的智者转向撒米尔，说道：“阿勒汀王子不但说出了他的答案，同时更以完全的把握做出了他的推论，得出他对这五块圆木片难题的解答，因此赢得美丽的达依姿的玉手，可以娶她为妻。好，现在我希望你告诉我，他的答案是什么；其次，他又怎么能如此确定，立刻就说出他自己那只圆木片的颜色。”

撒米尔垂头思索了一会儿，然后抬眼给了下面的解释，声音清晰坚定：

“阿勒汀王子，您这个奇异故事中的男主角，对卡辛姆王说：‘我的圆木片是白的。’并且在说的同时，他也知道自己的答案是正确的。那么，他是用什么样的推理推出这个结果的呢？他首先考虑：先前那两名求婚者必然看到的情况。

“第一位王子柯莫赞，虽看到两位敌手背后圆木片的颜色，却给出了错误的答案。他为什么错了呢？他错，是因为他无法确定。可是如果他看到的是两只黑色圆木片，他就不可能答错，更不会有任何怀疑。他会对国王报告：‘我看见两名对手各戴一只黑色圆木片，既然一共只有两只黑圆木片，那我的圆木片必是白的。’

“可是柯莫赞的答案并不对，表示他看到的圆木片不都是黑的。如果不都是黑的，就有两种可能。不是两只皆白，就是一黑一白。如果说，他看到的是两只白色圆木片，阿勒汀王子推论：那么我身上的那只一定就是白的。可是如果柯莫赞看到一白一黑，那么我们另外两人是谁戴着黑色圆木片呢？如果是我，阿勒汀推论，那宾尼发也必会知道答案。

“事实上，宾尼发会这样推断：我看见第三位王子身上戴着黑色圆木片。如果我的也是黑的，那么第一位王子柯莫赞就会看见两只黑色圆木片，就不可能答错；可是他既然确是答错了，表示我的圆木片一定是白的。可是，第二位王子宾尼发还是猜错了，所以他一定也是因为无法确定。阿勒汀王子推论：宾尼发王子之所以不能确定，一定是因为我背上的圆木片不是黑的，而是白的。所以阿勒汀王子推论如下：根据第二项假设，我的圆木片必定是白的。

“这就是阿勒汀推论的经过，”撒米尔陈述道，“他为何能够如此确定地答复：‘我的圆木片是白色的。’”

哥多瓦的智者听了，向哈里发宣布：撒米尔对五块圆木片的解答完全正确，才华实在横溢。他的推理简洁明晰，而且无懈可击。智者又表示：他断定所有在场众人，也都听明白了这个题目。因此日后任何时候，沙漠之中车队若停下来歇息，必然也能复述谈讲这个题目。

我前方的红色坐垫上，坐了个也门大爷，皮色黝黑、长相邪恶，浑身上下佩戴了许多珠宝。他向身旁的友人低语：“你听到了吗？塞耶格队长，那个哥多瓦家伙说，我们应该都已经听懂了那个什么黑白圆木片的故事。我可是非常怀疑。我自己就一个字儿都听不懂。你不觉得吗？只有不知哪门子疯癫怪僧，才会想出这种劳什子主意，把个什么黑圆木片、白圆木片，放到三名求婚者的背上去。我看，倒不如到沙漠里来场骆驼追逐大赛，岂不更实在吗？赛骆驼，一定会有明确的人选胜出，事情就可以完满地解决了，不是吗？”

塞耶格队长没作声，似乎不想理会那个愚蠢的也门人——竟想用沙漠中的骆驼赛跑，来解决一个爱的题目！

哈里发和气地宣布，撒米尔已经通过第六场测验。

那么我们的朋友，这位数数的人儿，是否也能在第七场也就是最后一场依然成功呢？他会以同样的才华克服这项考验吗？只有安拉知道真相！

最后，每件事似乎都朝着我们原先希望的方向发展。

32 　妥协斡旋

一位黎巴嫩星相家向撒米尔提问。最轻的那颗珍珠之题。星相家引诵诗歌赞美撒米尔。

第七位圣者，也是最后一位要来询问撒米尔的考官，是一个几何大家兼星相学家，名叫莫希汀·伊哈拉·巴那毕克撒卡，是伊斯兰全地最响亮的名字之一。他生于黎巴嫩，他的大名刻在五间清真寺内，他的著作甚至连基督徒也捧读。伊斯兰国度的天空下，简直不可能再找到另一位比他更具才智或更博学多闻的人了。

博学的巴那毕克撒卡，声音清澈又确切，如下说道：“我真的非常欢喜，能听到直至目前为止所听到的每一件事。这位卓越的波斯数学家，已经一而再地证实了他无可质疑的才华。因此我想，作为我在这场精彩考试里的任务，向他提出一个有趣的问题，这是我年轻时节从某位佛教大和尚那里听来的题目，此人对数字非常精通。”

哈里发显露出极大的兴趣，喊道：“那快让我们听上一听吧，我阿拉伯的兄弟！我们会以最高的兴味，聆听你的问题。我们这位年轻的波斯人，直到目前为止，都已经显示他在运算这门领域居于不败地位，我希望他也会知道如何解决一位老和尚的谜题。”

黎巴嫩来的智者，看见他的话已引起王及在场所有人的注意，便开口说道，说话的同时他的目光强烈敏锐地注视着数数的人：“我这个题目，最恰当的名称应该‘最轻的那颗珍珠之题’。”

他继续说道：“印度贝拿勒斯有位商人，拥有8颗珍珠，形状、大小、色彩，全都一模一样。8颗珍珠当中，有七颗连重量都相同，可是第八颗却稍微轻些。这位商人，如何能找出哪一颗是比较轻的那一颗呢？他可以用秤来量，可是一共只准称2次，而且不可使用任何砝码。这就是我的问题了，愿安拉引领你，哦数数人，找出一个简单而完满的答案。”

听到以如此方式陈述的问题，坐在塞耶格队长旁边的一名金色衣领的白发老大爷，喃喃低语道：“多么优雅简练的一流题目啊！这位黎巴嫩人真是个天才。赞美归于黎巴嫩，香柏木的国度！”

巴睿弥智·撒米尔以他惯有的短暂思考之后，便用缓慢而坚定的口吻答道：“我觉得，这道佛教徒的题目并不难解。只要循着一条清楚的推论理路，肯定可以引导我们走向解决之道。

“让我们来看一下。共有8颗珍珠，形状、色泽、大小、色彩，全都一模一样。我们也得到保证：除了一颗珍珠比较轻之外，其余七颗连重量也全都相同。唯一可以找出哪颗珍珠比其他为轻的法子，只有用秤来称，而且必须是一个刻度极细的天平，有着长长的秤臂与轻轻的秤盘。还有一件：这天平必须精准无误。如果我将珍珠拿来，两两放在秤上，左右秤盘各一，自然很容易，最后一定会发现重量稍轻的那颗珍珠。但如果这颗珍珠，在秤到最后一对的时候方才现身，就一共得量上4次，而题目却规定我只准量2次就得发现答案。因此最简单的解法，我觉得似乎是这样的：

“且让我们将珠子分为三组：A、B、C。A组3颗，B组也有3颗，C组则为余下的2颗。然后只需要秤两次，我就能发现哪一颗是那颗较轻的珠子，既然其他7颗的重量全都一模一样。

“让我们先把A、B两组放到秤上，左右两盘各放一组。会发生两种情况：A、B两组重量相同，或一组比另一组重。

“第一种状况下，既然AB两组同重，我们可确定那颗比较轻的珠子必不属于这两组当中任何一组，因此它必是C组两颗的其中一颗。我们只消再把那两颗拿来一称，左右各放一颗，那么天平就会在这二次称量时，显示出哪颗珍珠是比较轻的了。

“但是在第二种情况之下，假设A组比B组轻，或反之亦然。那么就很明白了，轻的那颗珠子必在两组其中一组。于是从那一组里，让我们再任取其中两颗，分别放在两个秤盘里面，做第二次称量。如果两盘等重，那么这同一组里的第三颗，我们放在一旁未称的珍珠，就是较轻的那颗。如果两盘不等重，那么较轻的珍珠所在的那个秤盘，就会倾斜升高。

“所以如此一来，那位佛教大师提出的问题就解决了。在此将我的解决方案，呈给我们卓越高贵的贵客，黎巴嫩来的圣者。”

星相大家巴那毕克撒卡称赞撒米尔提出的解答确是无可挑剔，他并如此说道：“只有一位真正的数学家，才能做出如此完美的推理。我方才听到的解答优美又简洁，真是一篇真正的诗章。”

于是黎巴嫩星相家向数数的人致敬赞礼，他引颂奥玛·珈音的诗歌，那是一位最上等的波斯大诗人，也是出名的大数学家：

若你曾将一枝爱的玫瑰，贴近你的胸怀……
若你曾将你的谦卑祈祷，奉向唯一且公义的至高真主……
若你曾举你杯，曾向生命致过一日礼赞……
你就未曾白活，未曾虚度……

撒米尔深受这赞语感动，低首致谢，右手放在他的胸前。

33 　看法完全一致

哈里发穆他辛姆要奖赏撒米尔。黄金、财物、宫室，撒米尔都不要。却只请求能赐他一位玉人为妻。黑眼珠与蓝眼珠的难题。撒米尔用推理找出五名女奴的眼珠颜色。

撒米尔完成了黎巴嫩智者提出的考验，哈里发与两名顾问低声商议之后，向他说道：

“根据你对所有考题所做的答复，你已经证实自己配得我应允要赐你的奖品。因此我给你一个选择：你是想要两万枚金币第纳尔呢，还是喜欢在巴格达有座宫殿？你愿意担任一省总督呢，还是你情愿在我的朝中就任高官要职？”

“哦，慷慨的王啊！”撒米尔答道，深深受到感动，“我不寻求财富，也不要名衔或礼物，因为我知道这些事物其实并无价值。它们虽可以为我带来名声威望，我却不受吸引。因为我的心灵，不寻求世上财物的短暂荣华。但是若蒙您恩准，要让我成为所有穆斯林欣羡的对象，如同您先前允诺，那么我的要求乃是：我希望能获得年轻的泰拉辛蜜的玉手，娶爱以兹德·阿布都·哈密德老爷的女儿为妻。”

数数人这令人惊异的要求，引起一阵无可形容的骚动，全场大哗。从我听见的周遭议论纷纷的言辞里，我知道所有在场的人都深信撒米尔不大正常。

“那人发神经了，”我身后那个瘦削的蓝袍老者喃喃道，“疯子。我说。他拒绝了财富，他转身不要名位。他拒绝了这一切，却只要一个他从未见过面的年轻女孩儿！”

“他真的是神志不清，”有疤的那个男人也凑上一句，“没错，在发谵妄语了。他竟然要求娶人家女孩子为妻。说不准，那女孩儿可能很嫌恶他呢！我的真主！”

“会不会是那张蓝地毯的魔咒？”塞耶格队长低声问道，不见得没有几分坏心眼，“那张蓝地毯，使他着了魔吧？”

“蓝地毯！还真的呢！”老者叫道，“世上哪有可以赢得女人心的符咒啊！”

我注意听着这些议论，一面假装在想别的事情。听到撒米尔的请求，哈里发皱起眉头，表情看来相当严肃。他把爱以兹德老爷召到面前，两人又低声密议了好一会儿。他们的商议会产生什么结论？爱以兹德老爷会答应把女儿嫁给他吗？

一会儿之后，在全场一片深沉静默中，哈里发开口说道：“我不会反对你与美丽的泰拉辛蜜幸福联姻，哦撒米尔。而我可敬高贵的友人爱以兹德老爷，我刚才也已问过他了，他也愿意接受你做女婿。我了解你是一位有品格的君子，教育良好，又深具虔诚信仰。诚然，美丽的泰拉辛蜜的终身，的确已经许给大马士革的一位老爷，他现在正在西班牙作战。但如果泰拉辛蜜自己希望改变她的人生路径，我也不会从中阻挠。啊这都已经是写下了的！箭一离了弓射出，就快乐地呼喊：‘我自由了我自由了！’事实上它却是在欺骗自己。因为它的命运，其实早已被弓箭手对准目标，方向早已安排命定。我们这朵年轻的伊斯兰之花，同样也是这种情况！泰拉辛蜜拒绝了一位富有又高贵的老爷，他明日就可能荣任高官或总督。她却愿意接纳一个无名无利寒微的波斯运算者，做自己的丈夫。这是早经命定写就的！唯愿这是安拉所希望的旨意！”

哈里发顿了一下，又有力地继续说道：“不过，我只设下一个条件。你必须在所有聚集在此的众人之前，解开一道奇怪的问题。这道题目是由开罗来的一位大僧所设，如果你能正确破解，你就可以和泰拉辛蜜成婚。如果不能，你就必须永远放弃这个疯狂的梦想，而且不能从我这里得到任何东西。你接受这些条件吗？”

“哦所有虔信者的主啊！”撒米尔坚定地回答，“就只请您告诉我，要我解决的题目是什么吧……”

于是哈里发说道：“题目，简单地说，是这样的：我有5名美丽的女奴，最近才从一位蒙古王公那里购得。这些年轻迷人的女子，其中2人的眼珠是黑的，其他3名则是蓝的。2个黑眼珠的，对任何问题总是答以实话；可是3个蓝眼珠的，却生来就是爱撒谎的，从来不答真话。不一会儿，这五名女奴就都会被带到这儿来，脸上都用厚纱蒙住，因此你不可能看见她们的脸庞。但是你必须找出，不容有任何犯错的空间，她们谁的眼睛黑、谁的眼睛蓝。5人当中，你可以向3人提出问题，每人一题。你必须从这3个回复推出正确答案，并解释你推得答案的确切过程。而你对她们提出的问题，也必须简单明白，完全在这些女奴能够答复的合理范围之内。”

一会儿之后，在众人好奇的密切注视之下，五名女奴出现在谒见厅内，脸上都用厚重面纱蒙住，犹如沙漠中的幽灵。

“5个都到齐了，”哈里发有些语带骄傲，得意地宣布道，“她们当中，有2人正如我所告诉你的，眼睛是黑的，而且只说实话。另外3个的眼睛则是蓝的，而且总是说谎。”

“岂有此理！”瘦老者呐呐抱怨，“想想看我运气多背啊！我叔叔的女儿是个黑眼的，黑透了——可是她整天老是扯谎，从不说实话！”

他这话在我听来，似乎极不得体。这是非常严肃的场面与时刻，不适合开任何玩笑。还好，没人注意到这莽撞老家伙的恶劣语言。撒米尔知道自己正面对决定人生的关键时刻，或许是他整个人生的最高点。巴格达的哈里发，已经给了他一个奇特又艰巨的难题，而且其中可能充满陷阱，有着想象不到的危险。他可以向其中三名女奴自由发问，但是她们的答复，又如何能显示她们的眼睛到底是黑是蓝呢？她们当中，又该问哪三个呢？他又怎么知道，他没问的那两名女奴的眼睛，会是什么颜色呢？

整个安排之中，只有一事确定：那就是2个黑眼女奴总是说实话，另外3个蓝眼女奴却一定说谎话。但是，这样就够了吗？而且撒米尔询问她们的问题，还必须简单自然，完全在被问女孩可以充分理解的范围之内。但是他又怎么能够确定她的答复是真是假？这实在是太困难了。

5名戴着面纱的女奴一字排开，站在豪华大厅的正中央。全场一片静寂，达官贵人兴致盎然，等着看撒米尔如何解决他们的王提出的这道奇特问题。数数的人走向排在右首末端的第一位女奴，静静地问她：“你的眼睛是什么颜色？”

女孩的答复，显然是用中文，一种在场无人能够理解的语言。我自然完全不懂。听她这样回答，哈里发下令：下面两个答复一定要用阿拉伯语，简单而精确地作答。

出现这意想不到的挫败，事情对撒米尔来说越发艰难了。他只剩下两个问题可以问，但针对他第一个问题所作的答复，却可说完全浪费了。

但这意外似乎并未令他气馁，他走向第二位女奴，问她：“你的同伴刚刚给的答复是什么？”

第二名女奴答道：“她说：‘我的眼睛是蓝的。’”

这答复完全无法厘清任何事情。第二名女奴说的，到底是实话还是假话？第一个又是如何呢？那是她真实的答复吗？

接下来，撒米尔询问队伍中间的第三名女奴。

“我刚刚问过的那两个女孩，她们的眼睛是什么颜色？”

第三个女孩，也就是最后一个受到询问的，答复如下：“第一个女孩是黑眼睛，第二个是蓝眼睛。”

撒米尔停顿了一会儿，然后不慌不忙地走向王座，说道：“所有虔信者的主啊，安拉在地上的影儿，我对您的问题有解答了，而且完全用严格的逻辑推衍而得。右首第一名女奴的眼睛是黑的，第二个是蓝的。第三个也是黑的，其他两个是蓝的。”

一闻此言，五名女奴全都揭开面纱，露出带着笑靥的脸容。整间大厅扬起惊叹声。撒米尔以无瑕的聪慧才智，完全无误地说中她们五人的眼睛颜色。

“所有的赞美归于先知！”王惊呼道：“这问题已有数百名智者、诗人、文士试过，最后却是这位谦虚的波斯人，唯独他有能力正确解答。你是怎么推得你的答案的？说给我们大家听听，我们想看你怎能如此确定你的答案。”

数数的人于是做了如下说明。

“我问第一个问题的时候——你的眼睛是什么颜色——就知道那个女奴的答案必定只有一个，就是‘我的眼睛是黑的’。因为如果她确是黑眼睛，她就会说实话，但如果她是蓝眼睛，她就一定会说谎。所以只会有一个答复，就是‘我的眼睛是黑的’。我也只期待听到这样的回答。可是女孩却用大家都听不懂的语言回答，反而大大地帮了我的忙。我假装不了解，因此又问第二个女奴：‘你的同伴刚刚给的答复是什么？’并得到了第二个答复——‘她说：我的眼睛是蓝的。’这个答案向我证明，第二个女孩子在说谎。因为既然如我先前已经显示，这不可能是第一个女孩的答复。因此，第二个女奴显然在说谎，她就是个蓝眼睛的。在解决这个问题上，哦王啊，这是个关键。五名女奴之中，至少有一名，我已经以数学逻辑的肯定，认出了她的眼睛颜色。也就是第二名女奴，她没说实话，因此她是蓝眼睛。

“我第三个也就是最后一个问题，是向行列中间的那个女孩发问：‘我刚刚问过的那两个女孩，眼睛是什么颜色？’她给我了下面这个答复：‘第一个女孩是黑眼睛，第二个是蓝眼睛。’既然我早已知道：第二个女孩确实是蓝眼睛，那么听到第三个女孩给予的答复，我还能做出什么结论呢？非常简单。第三个女孩没有说谎，因为她确证了我已经知道的事实，也就是第二个女孩子的确有双蓝色的眼睛。她的答复也告诉我，第一个女奴是黑眼睛。而既然这第三位女孩并没说谎，说出了事实真相，那么她自己也应该有双黑色的眼睛。从这里开始，下面就很简单了，只要用排除法就知道另两个女孩有着蓝眼睛了。

“我可以向您保证，王啊，在这个问题上，虽没有任何等式或代数符号出现，还是可以经由纯粹数学的严密逻辑，推得完美的解答。”

哈里发的困难题目就这样解决了。可是对撒米尔来说，很快地，还有另一个更大的考验在等着他：泰拉辛蜜——他在巴格达梦想的珍宝。

一切颂赞归于安拉，他造了女人、爱与数学！

34 　生命与爱的题目

我将撒米尔的故事做一结束，那位数数的人。

1258年，伊斯兰历问候月（七月）第三个月亮那日，大批鞑靼人与蒙古人在成吉思汗的一位孙子领军之下，攻打巴格达城。

爱以兹德老爷在近苏莱曼桥处，奋力作战，不幸阵亡。哈里发穆他辛姆被掳为囚，遭蒙古人斩首。巴格达城破，敌人大肆劫掠后，又残忍地将其夷为平地。辉煌壮丽的名城，五百年来文艺之都、科学重镇，成了一堆瓦砾废墟。

幸运眷顾了我，并未目睹这场破坏文明的野蛮罪行发生。三年之前，当慷慨大度的大君克鲁遮去世之际——愿安拉赐他安宁！——我已经与泰拉辛蜜和撒米尔一同去了君士坦丁堡。

我每周都去拜访他，偶尔不免欣羡他和妻子、三个儿子一家五口幸福和乐的生活。每当我见到泰拉辛蜜，我就想起诗人的诗句：

欢唱啊，鸟儿，唱出你最纯洁的歌声！
照耀啊，阳光，照出你最甜蜜的光辉！
射出你爱的箭矢啊，爱之神！
愿你的爱得祝福，女士！你的喜悦是大的！

毫无疑问，在所有问题之中，撒米尔解答得最好的一题，就是生命与爱的题目。

我就在此打住吧，既不用数字也不以公式，这位数数人的故事。

●用光学望远镜看到的猎户星云，堪称宇宙之神奇和美妙的最引人入胜的证明。

目录

序　关于宇宙的故事

前言　一起分享宇宙的奥秘

导言　寻舟出航

第一章　太阳、天空和灵感

乌龟致使前路迷茫

日以继夜

立竿见影

球形的和谐

在轨道中嵌套着轨道

长梯第一阶

第二章　为难的教会

哥白尼的革命

思索者与信息收集者

伽利略的异端邪说

牛顿的不可抵抗之力

第三章　宇宙之光

昂首星空

彩虹中的全部色彩

多普勒效应

定位星系

膨胀中的宇宙

第四章　原初时刻

一切都是相对的

陷入时空

爱因斯坦的一次画蛇添足

恒星的生与死

第五章　遗迹、奇点和纹波

大爆炸理论成熟了

来自宇宙的干扰

坠入洞中

宇宙中的纹波

第六章　原子的故事

大大小小的万事万物

是巫师还是科学家

称量元素

门捷列夫洗纸牌

温暖的蓝光

第七章　创造一切的能量

因近于炼金术而不安

解析原子

加速粒子

回到爱因斯坦

云雾室中的径迹

寻找反物质

模拟大爆炸

迄今为止的故事

第八章　黑暗中的求索

不可见的巨大晕轮

搜寻MACHO的人们

宇宙的最终归宿

第九章　探奇之旅

垂钓中微子

中微子质量之谜

寻找WIMPs

第十章　地外智慧生命和类星体的困惑

监听来自宇宙深处的信号

类星体的奥秘

类星体和黑洞

原子弹小组

接近黑洞

第十一章　寻找黑洞

突发奇想

黑洞中心之旅

相信不可能的事

为黑洞打赌

比小说更为离奇

第十二章　从无到有

小爆炸和观测极限

用搭积木的方式来构筑理论

微小真空

吹起气泡

无中生有

第十三章　一切系于弦上

适者生存

大统一理论

弦上的夸克

第十一维

M理论

普朗克探测器计划

第十四章　霍金的宇宙

量子引力论和虚时间

一个无边界的宇宙

我们现在待在哪里

洞悉上帝的心灵

译后记

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序
关于宇宙的故事

●大麦哲伦云是离我们银河系最近的星系之一，它是一个巨大的尘埃云，被它内部产生的恒星所照亮。

《霍金的宇宙》是一本不可多得的有关现代物理和天文学发展历史和前沿的科普读物。作者的笔调深入浅出，用讲故事等形式介绍了这两门重要学科的发生、发展和当今的研究前沿。书中没有一般教科书中那些令读者容易糊涂进而困倦不堪的符号和公式，但物理原理和自然真相却被介绍得非常清楚。因此凡是具有高中文化水平的读者均可在阅读故事的过程中了解现代科学发展的过程和规律，并进入到当今物理学和宇宙学的前沿阵地。对于人们阅读当代科技新闻和了解科学家们究竟在做些什么和这样做的可能结果与意义将大有裨益，同时可以清楚地看到科学与宗教的差异，还能由此洞察科学与迷信之间的截然不同，并自觉地选择科学而远离迷信。由于中译本的译文语言浅显生动，具有初中文化程度的人们也可以读懂其中大部分内容而充分受益。

该书作者是西方科普作家，他不仅推崇数学的威力和美妙，更处处引证实际观测结果作为理论可信的基本条件。这一点可说是近代科学发展的基本路线和基石。

由于作者并非专业天文学家，书中极个别说法须加以修正或说明。比如现代恒星演化理论认为小质量恒星的演化一般不能达到合成铁元素的地步，而是依质量由小到大在某一阶段上停止氢燃烧、氦燃烧等逐渐向重元素递进并终结于白矮星等。它们的核心实际上是密度远远大于铁的简并粒子组合体，在最后冷却时也不会成为铁疙瘩。对于大质量恒星，它们核燃烧的最后产物是铁，但是也不会留下一个铁疙瘩，而是要发生超新星爆炸并最终塌缩成中子星或黑洞。至于比铁更重的元素的合成就必须经由别的途径了。另外要注意的是，现代物理学中的“真空”概念并非意味着绝对的“无”，那里是能量的世界。能量可分为引力能和动能，二者的符号相反因而可以相互抵消而使得系统的总能量为零。

多宇宙问题实际上只能是一个哲学问题，因为对于其他的宇宙我们是无法进行观测的，因此也就无法以自然科学的研究方法来判断它们是否真实。而我们的这个小宇宙要服从人择原理，所以有了我们现在看到的情况（也就是说只有我们现在看到的这种宇宙才能允许发展出会思考的人类）。我们人类的存在是宇宙十分短暂的一瞬间，但是我们在发展中认识了自然，也认识了自己。这是阅读本书时应当记住的一个线索。

蒋世仰
中国科学院北京天文台博士生导师

前言
一起分享宇宙的奥秘

1994年戴维·费尔津向我建议，按照我的著作《时间简史》的思路，制作一部电视系列片。我从这一想法中受到了鼓舞。实际上，已经有了与这本书同名的一部电影。可是，虽然这部电影也很不错，但其中含有过多的人物传记材料，而且在记述科学和历史的背景方面不可能与系列电视片相比。我希望有尽可能多的人能与我分享在面对人类正在做出的发现而产生的那种惊奇和激动的心情。自从人类放弃游牧狩猎而定居下来从事农耕，至今不过区区几千年。在这之后，人类才有了文字这种书面语言，也才有了对人类生活于其中的这个宇宙认识的记录，并将其一代又一代地传下去。但人类进步的速度并不是均匀的。虽然人类对宇宙的基本认识可以追溯到古希腊，但一直到15世纪末以前，这种认识只有很少的进展，有时甚至有倒退。可是从那以后，人类的认识又开始前进了，而且前进的速度越来越快，特别是在20世纪中。我们发现了新的力和这些力所遵从的规律。我们也发现宇宙并非只是一个各种事件发生的环境，其自身也处在不停的运动和进化之中。我们的一个最重要的发现是，宇宙并不是自古以来就永恒地存在着的，它被确认为诞生于大约150亿年前的一次大爆炸。然而我们却不知道宇宙将来是否会终结于一次大坍塌，但我们至少可以肯定在未来150亿年以内不会出现这种结局。为了能够理解宇宙的诞生过程和未来可能的归宿，必须把爱因斯坦的广义相对论与量子力学中的测不准原理统一起来。我们的努力正在取得引人注目的进展，但是大自然实在微妙而精深，它会不断地使我们感到始料不及惊讶不已和目瞪口呆。求得一个大统一理论的终极目标也许就近在咫尺，但也许它恰恰已经超越了我们所能理解和把握的范畴。

斯蒂芬·霍金于剑桥

导言
寻舟出航

●这些恒星一直被海员和旅行者用来引导方向，其中最亮的叫作天狼星，它也是全天空最亮的恒星。

这里不是一个我们经常聚会的地方。牛津大学橄榄球队的八名队员，其中包括我自己，正紧张地坐在学校的这只虽然有些旧但是仍然漂亮的赛艇上，等待着参加我们的第一次划船比赛。这支队伍是一个不同类型学生的奇怪组合，唯一相同之处是每个队员都身穿蓝色加金色的运动衫。不知什么原因使我们幻想着，必定有人会帮助我们成为一支大获全胜的金牌队。

我忽然发现了和我们在一起的另一个人。他的个子矮一些，没有穿和我们一样的橄榄球运动衫，戴一副深色的牛角框眼镜再加一顶干净的麦秸编的草帽。

“那是谁？”我问我旁边的人。

“霍金，斯蒂芬·霍金。他是我们的舵手。”

“有点像个花花公子，”有人壮着胆子说，“不过他聪明绝顶。物理系二年级学生。”

我模糊地记得好像在学校饭厅里吃晚饭时见到过他走过大厅，并听到过他的声音。但除此之外对他毫无了解。此时斯蒂芬·霍金坐在船的一头，我坐在船的另一头，并没有说话的机会。

在正式比赛之前我们训练过三次，训练中必须学会很多东西。我忘记了当时的教练是谁，可这不重要，只记得他教我们非常卖力。可是我觉得教练和我们八个人都明白我们这个队不比别人占有优势，可我们当中只有斯蒂芬·霍金信心十足。他在掌舵时大声喊叫着鼓励我们，不让我们放弃任何努力，在比赛的第一天他使我们相信了我们这个队还是大有希望的。

在河道的狭窄处，没有足够的宽度让参加比赛的船并肩前进。所以比赛是“追撞”比赛。每一只船都努力追赶前面的船，同时又被后面的船追赶。后面船上担当舵手的人要敏捷地引导所在的船撞一下前面的船，然后两只船就同时靠向河边退出比赛。

第二天在比赛的起始点两只船就交换一下位置，所以在四天比赛中一只表现出色的船就可以晋阶四强。

在比赛的出发点上，我们占有从去年学校的橄榄球八人队那里继承下来的相当靠后的位置。在发令员的枪响以后，斯蒂芬·霍金指挥我们以极快的速度出发，这使得后面的船不能追上我们并与我们相撞。但我们并没有急于追上在我们前面的船，这只船赶上并撞击了在它前面的船。斯蒂芬巧妙地掌舵，避免我们被后面的船所“袭击”。突然，后面的船停了下来。原来它被在它后面的船撞上了。

●1962年，牛津大学八名橄榄球队员组成的划船队。左二是戴维·费尔津。右一是斯蒂芬·霍金，他是这只船的舵手，身着与众不同的船员用帽子和醒目的上衣。

斯蒂芬开始暗示我们看到了胜利的曙光。他知道我们周围没有别的船，因此可以免于被袭击了。我们中的其他人也都意识到，看来我们可以也必须划完全程了。由于前面还有很长的距离，我们自然地开始稍微地歇一歇。但斯蒂芬却一点也没有放松，他指挥我们继续全速前进，直到我们一个个都筋疲力尽地到达终点为止。这使得我们第二天在河上的同一位置继续这场比赛，而且重复前一天的整个赛程。

可是我们很快就“学乖”了。在后来的三天里，为了避免再次划完全程之苦，我们故意让我们的船早早地被别的船撞上。

但是想到斯蒂芬为我们的目标所做出的努力，我记得我为此模模糊糊地感到有些内疚，可我的负疚感后来在校园生活中很快地又消失了。同样的感觉变化也发生在我与斯蒂芬的接触中。但我难以忘却那在草帽和眼镜之下的年轻人的坚毅的性格及在比赛中必胜的信念。

后来我没有再遇到斯蒂芬。我以实习生的身份到了BBC（英国广播公司）工作，埋头于电视节目的制作，那时我只知道斯蒂芬去了剑桥攻读理论物理博士学位。我开始不时听到关于他的各种消息，包括后来我获悉斯蒂芬得了遗传病。他可能知道这种病会导致他失去对全身肌肉的控制，这是一种可怕的预后（根据症状对病症的经过和结果所作的预测），对任何人来说都难以接受。但是斯蒂芬的必胜信念和无比坚强的意志会帮助他无畏地承受这突如其来的打击。我已经听说，斯蒂芬说他的疾病在某种意义上成了他的一种动力，使得他认真考虑在一生中还能做些什么。斯蒂芬意识到，疾病给他带来的挑战与其说是身体上的，不如说是心理上的。

很多人都熟悉斯蒂芬与疾病做斗争的不同寻常的故事。他不得不在轮椅上生活，气管被切开而且失音。但是他仍然保持着敏捷的思维。借助固定在轮椅上的计算机和一部语音合成器，他的研究工作在继续进行。依靠手指在一个压力垫上的轻微运动，斯蒂芬可以移动计算机屏幕上的鼠标，从一个专门的数据库中来选择单个词语甚至整个句子；如果需要的话，他也能拼写出一个个单词。这样，斯蒂芬能在计算机上写出从妙趣横生的笑话到讲义，甚至整本的书。如果他想说话，他就启动他的语音合成器来宣布他都写了些什么。

你也许会设想这可能会导致某种缺乏个性的谈话。事实上，斯蒂芬已经非常聪明地学会了怎样通过没有情感的计算机来充分地表达自己。为了节省时间，他喜欢使用简单而切题的句子。这种简单的句子在最初也许会给人以不耐烦或心不在焉的感觉；可是很快地，跟随着充满魅力的语汇和优雅的陈述，你就会意识到这其实是一种迅速表达出中心论点的高效率的敏捷才思。特别是他具有敏锐的幽默感。我记得有一次在美国麻省理工学院，斯蒂芬被介绍给一群颇有身份的听众。院长首先热情地介绍了斯蒂芬的科学成就，然后斯蒂芬灵活地操纵着轮椅进来了，全体听众起立并长时间地鼓掌欢迎。当掌声最终停下来后，是一片含蓄的寂静，听众们在等待斯蒂芬的不同寻常的致辞。斯蒂芬非常精确地掌握着节奏，打开了他的美国制造的语音合成器，只用了短短的不到10个单词，他就赢得了这群有着不寻常智慧的听众的心：“上午好！”斯蒂芬说，“我希望你们喜欢我的美国口音”。

他的坚毅性格会使人很快忘记他身体的残疾而顿生赞赏之情，他的学术成就使得他成为著名的科学家而相形之下他身体的残疾却变得暗淡失色。作为剑桥大学的卢卡斯讲座的数学教授，他和他的前任们有着同样的出类拔萃和光辉夺目的智慧与心灵。

这些前任中有本书将要提到的，并且在几乎任何一本涉及物理学史和宇宙学史的书中都要提到的伊萨克·牛顿和保罗·狄拉克。像他们一样，斯蒂芬在科学上的贡献已使他自己在科学史上占有一席之地。斯蒂芬不像一些人那样，虽然做出了杰出的科学成就，但其成就却遗憾地不为一般公众所理解。斯蒂芬决心要使更多的人懂得宇宙学。为了通俗易懂，他在写《时间简史》时，决心不使用通常被认为对宇宙学研究是最重要的数学语言。在《时间简史》的序言中霍金解释说，有人曾经半开玩笑地警告他，在他的书中，他每引用一次数学方程，他就要失去读者人群的一半。所以在这本书中他只允许自己引用一个数学方程（爱因斯坦的 E=mc2 ）。即使如此霍金也流露出了他的担心，他不无幽默地说，看来这已经使书的销量减少了50%。

实际上霍金的担心是多余的，《时间简史》取得了极大的成功。在许多年中，《时间简史》一直是全球范围的畅销书。已经有了两三部关于《时间简史》作者霍金的电视片，但其中却没有一部能够很好地驾驭有关的科学内容。作为BBC电视台的科学和专栏节目负责人，我当时在策划一个新的专题。为此，我决定在牛津一别30年后再次会见斯蒂芬·霍金。

走进斯蒂芬·霍金所在的系那座朴实无华的建筑物，我的心情有些惴惴不安。不管怎么说，上次我见到他时他还是完全健康的，我感到难以预见会有什么情况发生。可是事实证明我的担心是多余的。当我坐在他的身边、看着他想说些什么就把什么用手通过键盘输入计算机时，很快就得以放松下来。任何两个正常人的谈话，都要比等待语音合成器来“说”出他输入到计算机中的内容快得多。有时在他输入完一句话中的全部单词之前，我就能猜出他要说的大致意思；在我感觉到我们在某一问题上出现共识时，禁不住要打断他正在做的而马上表达出来。斯蒂芬对我的有些性急的举动泰然处之，然而他也确有妙招使我这种本能的冲动归于平静。当他想输入完一个句子而避免被我中途打断时，他就启动语音合成器果断地发出一声“是的”，这一招还真的收到了奇妙的效果。

●斯蒂芬·霍金当选为剑桥大学冈维尔卢卡斯学院的研究员。安装在他的轮椅前部的是他用过的一种型号的语音合成器。

在这次访谈结束时斯蒂芬表示，他对再制作诸如“在一个残疾的身体中隐藏着一个才华横溢的头脑”这类内容的电视片毫无兴趣，而只关心电视片是否以科学内容为主题。我告诉他我同意他的观点，并且说我认为要一步步地清晰地揭示出宇宙的奥秘，可能需要多达六集电视纪录片。那么节目又该怎样分集和表达呢？我倾向于使用一个类似《爱丽丝漫游奇境》中的主人公式的人物，让她作为一个天真又无知的小学生，在旅行中向一个又一个的宇宙学权威提出所有重大的基本问题。斯蒂芬对我的这个想法有些不以为然。他倾向于使用例如伽利略这样的历史人物作为主要的提问者。他的根据是，伽利略对宇宙的认识，多少类似于今天一般公众对宇宙的认识。电视片可以让伽利略作为外行观众的代表对现代观点进行检验。我和斯蒂芬达成了共识，我去写六集连续电视纪录片的脚本，然后再由斯蒂芬过目。

我很快地就埋头于这项工作中。给斯蒂芬写纪录片脚本，要比在BBC的繁杂的人际关系中做出某些困难的管理方面的决断令人心情愉悦得多。过了不久我就意识到，我实际上是很想摆脱原来的管理工作岗位而回归于创作工作。我绝不打算把这项有新鲜创意的工作交给别人，这是我真正自己想做的那种事情。

试着去回答那些貌似简单而实际上涉及广泛又极具基础性的问题，这件事有很强的诱惑力。诸如“为什么我们会待在这里？”“宇宙的本质是什么？”“万事万物是怎样开始的？”“宇宙将怎样结束？”等等都是最基本的问题。在给出一个问题的答案时经常又会引出一系列新的问题。而且就算是不超越人们的理解能力，答案也往往令人目瞪口呆。还有就是答案有时不仅不能解决问题，反而使问题更复杂了。比如要理解黑洞和时间翘曲就必须先懂得引力理论和量子力学，而后二者解释起来恰恰是同样困难的。这有点像剥一个洋葱头。每当你揭下了一层，你就必须接着面对更下面的层次。这种一层层可揭下去的结构似乎是无穷无尽的。

我终于理解了这一点。我不得不从“洋葱”的中间部分开始一层层“揭”起，而不是从它的最外层开始。假如你对宇宙完全一无所知，那么你如何还会想揭示宇宙的奥秘呢？我们的全部知识必须是从某一点上开始，然后一步步地发展起来，进入到今天的在很大程度上数学化了的宇宙学研究。假如像我本人一样的门外汉也可以一步步地重复这一发展进程的话，那么可以肯定其中每一步都已经被阐述得清清楚楚。

沿着上述的思路越来越多地审视我的对象，我发觉我对事情就看得越来越透彻。现在我知道我必须做些什么了。当斯蒂芬赞同、BBC也同意我提前退休来集中精力撰写纪录片脚本和本书时，一切必需的条件都就位了。我们有了一个计划，有了一只即将出航的船，斯蒂芬将再一次为它掌舵导航。我将作为一个完全的初学者再次搏击水上。但这一次我下决心一定坚持到航程的终点，不管这次的赛程有多么漫长和困难重重。

第一章
太阳、天空和灵感

●自然界早就用一种特别的方式警示人类的祖先，宇宙是被一种超越人类所能理解的力所控制着。

闪电所产生的电流比在我们的家庭中使用的最强的电流还要强数千倍。

乌龟致使前路迷茫

日以继夜

立竿见影

球形的和谐

在轨道中嵌套着轨道

长梯第一阶

斯蒂芬·霍金的宇宙模型，正如他自己坦率承认的那样，并非他本人的某种创造物。在目前，这个模型处于一个由一系列最耐心、最细致的科学观察和实验组成的长链的末端；这些观测和实验已为我们建立起了一个包罗万象的图景，任何令人信服的对宇宙的描述都必须能对此图景加以解释。人类的一批最有才华的科学家已经为此奋斗了数个世纪。然而，他们一次又一次地发现了，每当解开一些难题时，从一些最新奇的证据中可能引伸出更大的以前从未面对过的难题。这是名副其实的侦探故事，它通过充分的证据显示，宇宙诞生于一次大爆炸，并可能终结于一次大坍塌。故事中还包括了黑洞、白矮星、虫洞以及WIMPs和MACHO等角色。（这两个缩写词分别代表“弱相互作用重粒子”和“晕内大质量高密度天体”，后文将有论述。）这样的宇宙即使是科幻小说家们也没有一人敢于设想过，这种情形真是非同寻常的。为了理解斯蒂芬·霍金的宇宙，我们还得回到宇宙学发端的那个时代，这个时代远比斯蒂芬·霍金把他自己划归于和那些试图用画笔描绘宇宙轮廓的高超的艺术家属于同一阵营的时间要早得多。

●龙卷风的破坏力很容易使我们联想到，宇宙中仍然有各种各样使我们自己创造的任何东西相形见绌的力量在起作用。

乌龟致使前路迷茫

在历史上是谁、又在哪里最先开始试图描绘出宇宙的轮廓呢？有人说是古代中国人；有人说是古代巴比伦人，他们的后代居住在今天的伊拉克。没有人能确切地知道是谁第一个提出了对宇宙本质的科学的解释。但在很多情况下，这个问题的答案依赖于到底什么是“科学的”。巴比伦人认为，宇宙就像在海面上耸起的高山，而天空就像在头顶上的一个大圆盖。太阳每天从一个门口进来，然后从另一个门口出去。他们把星图刻在岩石上，以备占星家们预测未来之用——这与今天科学家们的做法几乎是格格不入。可是，为什么一种关于宇宙的学说能被很多人所接受而不是另外一种呢？如何能肯定我们是在准确地理解宇宙的真实本质，而不是某种凭空想象呢？

在一段很长的时间里，人们似乎觉得上面的这类问题已经超越了人们的理解能力。可以想象原始的岩穴居民们在面对暴风骤雨中的电闪雷鸣带来的恐怖时，或者在他们遭受无边无际的汪洋大海中的狂风巨浪惊涛拍岸的威胁时的特殊心情。他们肯定知道这时完全没有必要去问为什么有一种强大无比的力量在告诉他们，当务之急是寻找一个在地球上的可以救命的庇护所或避风港。毫无疑问地在早期文明留下来的关于人类日常生活和人类信仰的记录中，会有很多神秘女神，这些神有制约天地、控制海洋的无边法力。一直到今天，人们在欢庆丰收时还总爱说：“大地女神抚养和哺育了我们。”

所以，看来在认识宇宙的过程中不得不给宗教留下一席之地是非常自然的。在对宇宙演化的任何解释中也必须为人类留下与其他事物相类似的地位。还一定要对神毕恭毕敬而绝对不敢挑战它。在这些框架之内，逐渐萌生了对宇宙的认识。经过了千百年之后，人类对宇宙已经有了想象力丰富、而且往往是美丽动人的和详尽的认识。但可惜的是这些认识极少建立在科学基础之上。在《时间简史》这本书中，斯蒂芬·霍金引述了这样一种看法——地球像是一个平台，它被一只乌龟的背支撑着，而这只乌龟则位于一座由无数只乌龟组成的高塔的塔尖上。如果你不是属于主张这种观点的宗教教派的成员的话（这个教派可能产生于印度或远东的另外某一个地方），你一定会感到十分惊讶，一些人怎么会产生或接受如此这般的高明之见？可是这种见解真的不如现今的宇宙大爆炸学说那样可信吗？在大爆炸学说中，爆炸后的宇宙膨胀为亿万个旋涡星系，而在每个旋涡星系中又包含了千百万个恒星火球。在其中一个火球周围有九个星球在围绕着它旋转，我们的地球就是这九个星球之一。大爆炸学说只是现代科学的计算结果要求你接受而已。

如果你在选择你喜欢的模型时不单纯出于宗教信仰，那么你当然需要证据。而科学就是通过搜集证据来区分事实和虚幻的。这个原则是简单的，但实行起来却很困难，至少在宇宙学中是如此。一种观点或理论要被承认，就必须不止一次地接受检验并且检验结果要与理论所预言的结果相符。举例来说，温度和压力两个参数可以决定水是否由液态转化为气态，要证明这个规律就必须进行多次实验。实验表明，无论何时这两个参数中的一个变化时，另外一个也会跟着变化，但二者却总保持一定的关系。可是有点不幸的是，证明一种宇宙学说的有关实验往往不那么容易付诸实施。在乌龟背上的那张平台也许太大了，没有人能在有生之年从人类生活的这个地方走到平台的边缘地带。而且，即使有一个勇敢的科学探险家能走到那里，他（或她）能看到在平台下面由无数只乌龟组成的塔的塔尖上趴着的乌龟吗？从这里却不难看到，像宇宙这样的让科学陷入了困境的难题，倒是可以让人类的想象力自由驰骋。

日以继夜

认识宇宙这个问题之困难，使得我们不由得对最早的堪称为宇宙学家的那些学者所具有的天才和灵感肃然起敬。在他们对宇宙做出任何解释时，往往不一定要放弃原先持有的某种对神的信仰。他们要做的只是从他们观测到的现象出发进行一番推论就行了。黑夜过去之后接着就是白天，这时太阳就会取代月亮与星辰。而在每天晚上星星们会出现在大体相同的位置上，古希腊的航海家们于是就学会了利用恒星的位置来为他们的船只导航。古希腊人还坚信，不管诸神创造的惊涛骇浪和暴风骤雨有多么可怕，他们总是让宇宙的机制以一种有规律和可以预见的方式运行。而且古希腊人在他们的永不满足的好奇心的驱使下，通过他们高超的观测技能来努力探索这种机制是如何工作的。斯蒂芬·霍金把亚里士多德当作最早的宇宙学家之一，然而亚里士多德学派仅仅是曾经努力去揭示宇宙奥秘的古希腊诸多哲学学派中的一家而已。

当然古代的学者们的确犯了一些错误——通常这是非常容易理解的。在人们脚下的地球乃是最令人觉得又坚实又可靠的东西，即使对于一个再无知的人来说，他也会感到大地是平稳和静止的。更早的古巴比伦人认为大地是静止的，而天空就像一个移动着的圆屋顶。这种观点不仅影响了古希腊人，而且影响了生活在此后整整3000年中的人们。与其他人一样，亚里士多德也轻易接受了这种大地是静止的观点。他还进一步设想，因为只有圆周运动是最完美的，那么地球就位于圆周的正中央，而其他天体都在围绕着地球运动。但是亚里士多德未能提出任何办法从科学角度来检验他的观点。这个难题给别人留了下来，那时的人们只能通过肉眼观察所得到的有限线索来收集有关宇宙的本质的证据。

立竿见影

有人说，最初是古希腊人先注意到，在同一时间里，从萨摩斯岛和从亚历山大看到的天上的群星排列成的图案是一样的，只不过这些图案在夜空中的位置会有所不同。至于他们是怎样把从两个相距很远地方观测得到的星空图案放到一起来进行比较的，我们至今还不很清楚。可是，古希腊人是很优秀的航海家，他们能沿着固定的路线航行到很远的地方。还有人说，古希腊数学家埃拉托西尼最先指出，一根在阳光下的立杆在一天中的不同时刻其影子的长度是不同的。如果太阳位于立杆的正上方，立杆受到垂直的照射，当然就根本不会出现影子。当太阳的高度很低时，例如在日出或日落的情况下，立杆的影子最长。据信埃拉托西尼曾使用两支长度相同的立杆，一支放在阿斯旺，另一支放在亚历山大；在一天中的同一时刻，他观测、记录并比较了杆影的长度。也许当时他的工作得到了某个同事的帮助，也许他是只身从阿斯旺赶到亚历山大，在不同两天中的同一时刻完成的观测和记录。但这一点并不太重要。重要的是埃拉托西尼发现了，在一天中的同一时刻这两支杆的影子长度并不相同。

在这一点上埃拉托西尼确实有着非凡的洞察力。他的每一支立杆都是与地面严格地垂直的。对这个实验埃拉托西尼进行了一番推理，他认为，假定地面是平的，那么这两支立杆就是严格地平行的。由于太阳距离的遥远，阳光是平行地照射到两支立杆上的。那么，这两支竖立在不同地方的立杆影子的长度在一天中的任何时刻都应该是相等的。上述的例子实际上是欧几里得几何学的简单应用，即初等几何学的应用。如果大地是平的，当太阳垂直照射一支立杆时，这支立杆没有影子；而另一支也同样应该没有影子。可是埃拉托西尼的观测结果却表明了，在一支立杆没有影子的同时，另一支立杆却出现了影子。从埃拉托西尼的详细记录中可以看到，在两个地方的两支立杆在一天中同一时刻影子的长度总是不相等的。在这种情况下只能有一种解释，即虽然两支立杆都严格地垂直于地面，但它们并不是平行的。这种情况只有当地面是弯曲的时候才可能发生。

埃拉托西尼的发现并没有让古希腊人感到特别意外。他们早就怀疑大地的形状可能是弯曲的，因为他们很熟悉在大海中航行的船。在远处的船看起来总是在地平线上从船的最上部开始出现。如果大地的形状不是弯曲的，怎么会有这种现象发生呢？对于埃拉托西尼的发现来说，可能这里最重要的一点是，他在得到结论时使用了数学和推理的方法。埃拉托西尼把细心的观察与训练有素的理论思维结合起来，从而建立了一种可以用来科学地研究宇宙的基本方法。这正是我们今天还在使用的研究方法。但这种方法在当时并没有被古希腊人立刻接受。他们倒是对圆形和球形的特殊重要意义坚信不疑。一种关于地球是球形的理论恰恰就是一种在显示球形的完美无缺的理论，而这也正是埃拉托西尼的实验所得到的结果。埃拉托西尼的观点同时也能解释，为什么在萨摩斯和亚历山大看到的夜空是不尽相同的。它也对亚里士多德对月食的观察给出了进一步确认（亚里士多德曾指出假如地球不是球形的而是其他种类曲面形状的，那么地球就不会总在月球上形成一个圆形的影子）。而且，在重复进行了立杆实验和另外一些观测之后，得到的结果总是相同的。这就是基础科学，埃拉托西尼和他的古希腊同胞们科学地证明了地球是球形的。

●现代望远镜和照相方法揭示了夜天空的大量细节；然而古希腊人却完全是根据对如本图（御夫星座）所示的恒星的肉眼观察，开始推测宇宙的本质。

●很长时期中人类对宇宙的看法是，地球处于宇宙的中心，天空就像一个巨大的盖子，上面有许许多多的洞，外面的火光从洞中透过来，就成了闪烁的星光。

埃拉托西尼并没有停留在这一点上止步不前。他进一步地推论，人们可以沿着每一支立杆画一条想象的延长线到地球的内部，那么两支立杆延长线的交点必然就是地球的中心。再次使用欧几里得几何学，就可以计算出两条延长线的夹角。如果一支立杆处在太阳光垂直照射而没有影子的状态，那么上述夹角的大小应该等于另一支立杆和从它的顶端到它的影子末端之间连线的夹角。这一点听起来好像颇为复杂，但是只要通过一张简单的图就很容易明白。

●埃拉托西尼的立杆和影子的实验。

显然，埃拉托西尼是知道从阿斯旺到亚历山大的距离的（换句话说就是他的两支立杆之间的距离）。所以，他也就知道了上面那个夹角所对应的在地球表面的弧长。根据这个弧长及其对应的角度，他也就能计算出整个地球的周长的大小。这样，他就不仅证明了地球是球形的，他也得到了一种可以测量地球周长的方法。埃拉托西尼得到的关于地球周长的结果与我们今天的结果非常接近。

球形的和谐

这的确是向前迈进了一大步。人们找到了一种可以测量、计算整个地球周长的方法，这意味着人类认识宇宙本性时可以依靠的手段不仅有观测，还有更重要的数学。在一段时间里，以毕达哥拉斯为首的希腊哲学家又引进了数学上的奇迹。最早计算得到的是地球到月球和地球到太阳的距离（非常不幸的是这些计算结果误差很大，但所使用的计算方法后来进行了改进，并延续使用了很多个世纪）。古希腊人使用的数学原理堪称是完美的，问题是出在他们的测量精度太低，这就影响了他们成就的辉煌。

●古希腊人对于当代的技术能够揭示什么东西当然没有任何概念，但他们看到的东西足以使他们确信，宇宙的运转依赖于理想的圆形和球形的无与伦比的美。

毕达哥拉斯在音乐中看到了数学，并设想任何事物都能用数学公式进行解释。毕达哥拉斯提出了一种名为“球形的和谐”的万能理论，试图用科学而又严谨的数学来支持希腊人对球形和圆形的尽善尽美的传统信念。然而，这种对和谐的数学描述过分的企求，却得到了一些极不完美的数值（毕达哥拉斯猜想这不应该是深藏于万事万物之中的原始基本数值），他的观点也因此而有些黯然失色。尽管如此，数学的引入毕竟为人类科学地认识宇宙提供了一种崭新的方法，它能取得的成就会远远超越仅仅用肉眼来观测星空所得到的结果。然而，有些观测事实却不容易用数学来解释。其中一个就是构成夜空的群星排列中的“缺陷”。古希腊天文学家喜帕恰斯（他的名字又被译为“伊巴谷”。——译者）曾经指出，有一些星星并不像大多数星星一样看起来总是停留在固定的位置上。这些“漫游的星星”会沿着一个方向运动然后消失，而后还会再度归来。它们的亮度也会时时地有所变化。这是不是另一个数学上的不规则性，它会导致毕达哥拉斯的关于“完美的和谐”的观点威风扫地吗？

在今天我们对宇宙的认识中，还留存有喜帕恰斯所作观察的影响。至今我们还在使用希腊语中的“漫游者”一词（“planetos”，即中文中的“行星” ）来称呼喜帕恰斯注意到的那些特殊星星。在说明宇宙的图景中，必须对这些没有被叫作恒星而被称为漫游者的行星在夜空中的运动给出解释。在当时，肉眼直接可见的行星有五颗，即水星、金星、火星、木星和土星。古希腊人不仅认为脚下的大地是球形的，并且大地给人们以坚固和稳定的感觉，人们是站在地上来观察行星等天体的运动的。那么是否存在一个明晰的数学模型，能够说明我们看到的太阳、漫游者及其他一切天体围绕我们运动的情况呢？

希腊人对行星运动坚持不懈的观测使得他们能描绘出行星运动的路径。人们很快意识到，这些路径的一些片断是弯曲的。它们会是圆周上的片段吗？柏拉图曾经对希腊的哲学界发出呼吁，希望人们注意研究怎样才能用一个完美的圆周系统来解释行星的奇怪的运动路径。如果这些行星与月球和太阳一样，是在围绕着地球旋转，那么对称的思想就取得了胜利，宇宙具有数学上的完美这一概念就确立起来了。这种情形也恰恰是亚里士多德所设想的。

●（左图）中世纪的学者们总是把托勒密的宇宙模型描绘成一系列以地球为中心的圆形轨道。可是托勒密本人（右图）却只能让太阳、月亮和行星围绕地球运动，并且要在它们的基本轨道之上附加复杂的本轮。

在轨道中嵌套着轨道

关于行星问题的若干种不乏灵感的创意被提了出来。其中一种认为，如果地球事实上不是处于一颗行星轨道的严格的中心点上，那么在轨道上的某一点上，地球离这颗行星是最近的；而在轨道上和这一点遥遥相对的那一点上，就是地球距离行星最远的位置。这一假设可以解释行星亮度的变化，但却不能解释行星在天空运动方向的变化。另一种假设认为，行星总体上在圆轨道上运行，而地球则位于这个轨道的中心，但行星同时完成着附加的小圆周运动。这种小圆形轨道叫作本轮，本轮使得行星在一个小圆形轨道上环绕一个中心运动，而这个中心又在一个标准的大圆形轨道上围绕地球运动，这个大圆形轨道称为均轮。这种情况也会导致行星到地球的距离时时有所变化，因而可以解释行星亮度的变化，还可以解释行星的回归现象。可是，这种模型也没有获得成功。因为没有一个实际观测到的行星轨道和它很好地相符合。

到了公元2世纪，一位天才的天文学家把上述两种假说结合起来，创立了一种新的理论，他就是托勒密。托勒密认为，行星确实在本轮上运动，但地球并不是严格地位于行星的均轮的中心点上。根据这种理论，托勒密排列出了水、金、火、木、土五大行星和太阳、月球一起围绕着地球运动的轨道模型。在所有这七个天体轨道的外面还有一个像蛋壳似的大球，在这只大球上面有着位置固定不变的恒星。托勒密将地球放在与七个轨道的中心的距离各不相同的地方，并给每个轨道添加了若干本轮。这样一来，行星的亮度变化和不规则运动等在地球上观测到的现象都可以得到很好的解释。至此，从亚里士多德到毕达哥拉斯和柏拉图，看来都可以如愿以偿了。用球形和圆形就能把宇宙解释得天衣无缝。

●早期的宇宙模型常以图画表现出来。它们同样具有艺术性和科学性，并且是学者们确信可以用科学来解释整个宇宙的生动反映。

托勒密和其他学者们忽略了的一点是，上述的模型可以把任何轨道都包括进去，而不管该轨道的真实形状如何。如果一颗行星在轨道上运行的实际时间多于它在一个标准圆形轨道上运行的预期时间，那么这部分多出来的时间就可以很容易地用它在途中的一系列反向本轮运动来消除。只要改变这些本轮的直径大小就可以和任意长短的时间段相符合。但是，由于地球为稳定中心，其他一切都围绕地球运动的观念是如此令人信服，以至于托勒密这种宇宙观在好几个世纪中占据了统治地位。托勒密的模型至少有一个致命的问题。为了让月球轨道完全符合这个理论，月球就必须在某一时刻比另外某一时刻以相差一倍的距离更接近地球。而这就意味着月亮有时候要比另外的某些时候看起来大一倍。这个问题的存在给托勒密的模型留下了很大的疑点。可是，在那个时代，对于解释当时观测到的现象来说，托勒密模型还是近于完美的。它可能不是第一个关于宇宙的科学模型，但它是今天我们对宇宙认识的一个基础。这个模型还有一个很大的优点，即它没有冒犯任何人。多数宗教都能够在它们那更广义的宗教信仰框架中为一个球中之球的宇宙找到一个该有的位置。甚至不如说，宗教人士可以宣布他们接受科学上的新发现作为他们的教义的新版本，从而加强宗教的吸引力。如果是他们所信仰的神创造了宇宙，那么科学不过是在解释宇宙的本质是什么和宇宙是在怎样运作的。

长梯第一阶

托勒密的模型最终被证明是错误的这个事实，倒不会让人们为此而感到难堪和窘迫。科学必须建立一些假说，这些假说不但要接受检验，还必然要受到它们所产生时代的限制。假说只有在受到实验和观测的事实支持的时候，才有作为科学学说存在的价值。科学不能保证它是永远正确的，它只能不断地摒弃错误的假说和建立起在某个时段中是对实验事实的最好的解释的理论。不管在古希腊人的诸多理论中有多少错误，他们还是成功地代表人类占领了事实上是导致了我们今天的宇宙学说的认识阶梯的第一层。如果没有他们，可能就没有斯蒂芬·霍金的被点燃的构筑他自己的宇宙模型的激情。托勒密，以及他之前的喜帕恰斯和埃拉托西尼建立起来的宇宙模型是占据统治地位时间最长的模型。而这个模型赖以建立的基础不过是肉眼得到的观测事实、几次立杆和影子实验结果以及闪耀着夺目光芒的人类智慧之火。

第二章
为难的教会

●是神在宇宙的中心创造了地球吗？或者，我们只不过像这位画家所认为的，乃是从另一个天体上观看到的宇宙戏剧中的次要事物吗？

对于早期基督教教会来说，一切都是无可怀疑的；人类必须在万事万物的中心。

哥白尼的革命

思索者与信息收集者

伽利略的异端邪说

牛顿的不可抵抗之力

托勒密的宇宙模型早已被作为古代宗教之一的基督教所接受。在耶稣被钉死于十字架上之后，基督教在欧洲很快地传播开来，而相形之下其他宗教都黯然失色了。在基督教的教义中，一个主要的内容就是神创造了世界，包括在万物之中心地球上以亚当和夏娃为原型的男人和女人。而这些内容与托勒密的地心宇宙模型完全符合与相互融洽。逐渐地，教会成了学校的唯一赞助和保护人。在学校的启蒙中就必须有基督教教义，而只有教会才可以指导人们诵读这些教义。所以，实际上所有有学习愿望的人都必须拜倒于教会的威严之下。这就意味着，当时的科学家同时必须又是教士或者僧侣，科学研究与宗教布道相伴而行。科学家们在滔滔不绝地讲着在托勒密的宇宙中上帝创造万物的故事。科学与宗教俨然合二为一了。

哥白尼的革命

托勒密的模型很自然地独领风骚，一直到16世纪之前，并没有受到任何有力的挑战。原因一是它完全符合教会的教义，二是当时没有出现新的技术使人们的观测条件得到明显的改善。然而，新的思想还是出现了。波兰教士尼古拉斯·哥白尼提出了这样的思想，在托勒密的模型中，需要在行星轨道上附加太多的本轮来调整轨道周期，以适应观测结果。如果假设太阳是宇宙的中心，其他天体都在围绕太阳旋转的话，那么就用不着人为地加上如此之多的本轮了。但是哥白尼清楚地知道，这种观点肯定会被教会视为异端邪说，因为上帝是在位于宇宙中心的地球上创造了人类。这是在1543年，哥白尼要发表他的观点实在需要一种非凡的勇气。为了一试“深浅”，哥白尼首先故意让他的观点匿名流传，如果不会招灾惹祸的话，他再承认这个观点是他首先提出来的。而恰在这之后，哥白尼便一病不起了。他的一位名叫赫提卡斯的书记员在此时竭力说服他公开他的有关著作。

●尼古拉斯·哥白尼（1473—1543）对托勒密宇宙模型进行了彻底的变革。他认为处在宇宙中心的不是地球而是太阳。

有一点奇怪的是，当时在教会方面对哥白尼的学说倒是没有什么反应，这也许是因为哥白尼还没有引起他们足够的注意。新的模型虽然使托勒密的模型简化了，但它自己也具有一个严重缺点：即使行星是围绕太阳运行的，对行星运动的观测结果还是证明它们不完全符合哥白尼提出的圆周运动。因此新模型只能对旧模型中的本轮理论做一点并非无懈可击的改正。也由于是这样，这种改正还没有大到能威胁在几百年中建立起来的“秩序”，也就没有发展到引起教会注意的程度。但是，哥白尼学说却成功地引起了当时科学家们的重视。

思索者与信息收集者

最早注意到哥白尼学说的科学家之一是约翰尼斯·开普勒，一位德国天文学家却长期生活在布拉格。开普勒几乎没有任何机会进行天文观测，但却是一位长于思考的理论家。他曾经想弄清楚究竟是什么原因使一个天体围绕另一个天体运动，并提出可能有一种磁力在其中起作用的思想：如果磁力的大小是恒定不变的，那么就会使天体之间的距离也恒定不变，这就会导致天体的圆周运动。但开普勒却极不赞成这种力在很远的距离上也能起作用的观点。

开普勒必定曾经为他的另一个灵感的出现而激动不已。他想到了天体可能有圆形以外其他形状的轨道，如椭圆，这会对哥白尼的学说有重要意义。换句话说，如果行星都在围绕太阳而不是地球运动，而且轨道是椭圆形的，那么每个行星的轨道就都会是一直向前的，也就不需要附加上那些复杂的本轮来进行调节了。行星的运动就都可以用简单、优雅的轨道来描述。可是，这种观点显然会“冒犯”当时大多数人所信仰的行星的基本轨道是完美的圆形的观念，同时它也否定了开普勒自己曾主张的磁力理论。那么，该怎么办呢？继续向前探索的唯一出路就是收集更精密的新观测资料来更精确地确定行星轨道。

开普勒听说过另一位科学家的工作可能对自己有所帮助，这位科学家就是第谷·布拉赫。第谷比开普勒年长，而且由于出色的天文观测成就名声卓著；另外他在丹麦宫廷中还位高权重。在那时的欧洲，天文学家或数学家被大权在握的国王选任为顾问是一种惯例。作为对他们的占星术预言可以对国王做出某种政治决定有所帮助的回报，这些有影响力的侍臣的科学工作也经常会得到来自王室的支持。丹麦国王特别赐予第谷·布拉赫一个小岛，让他在那里进行天文观测。第谷还主持制作了一些精度更高的观测仪器（虽然这些仪器只是比希腊人在他们的立杆实验之后的时代制造的仪器稍微精巧些）。开普勒了解到，第谷画出了系统的天区图，进行的观测比以前更多、更精确。

在此之后发生了一些故事，尽管关于这些故事的说法有些不同，其中最有吸引力的“版本”可能是杜撰的，开普勒还是决定不辞辛苦进行穿越欧洲的长途跋涉去寻找第谷，目的是看看他的观测结果是否支持自己关于椭圆轨道的设想。

如果这个说法是真实的，当开普勒最终抵达目的地时肯定大失所望了，这位丹麦天文学家断然拒绝会见开普勒，原因可能是害怕开普勒使用他的观测数据来得到并公布最新的宇宙学说，而第谷却从中一无所获。第谷是一个极其细致的观测者，但缺乏创见来解释他的观测资料。第谷不情愿面对这种可能，开普勒在没有进行观测的情况下通过思考得到了的有意义的结论，而他却与之失之交臂。

据说，后来开普勒两手空空地回到家乡。而第谷继续进行着他艰苦的观测工作，但仍然不能理解那些观测结果的真正含义。终于他有了一个主意。也许，如果他只把对一颗行星的观测数据交给开普勒，他就能了解开普勒的工作，他也就能知道如何解释其他行星的运动了。这样，开普勒得到的好处是弄清楚了一颗行星的运动，而第谷得到的好处却是弄清楚了所有行星的运动。有人说，后来第谷不远千里去找开普勒，把关于火星的观测数据送给他。开普勒当然非常高兴，特别是当数据显示出火星轨道必定为椭圆形的时候。可以想象第谷在被开普勒告知不再需要其他行星的观测数据时心情有多么沮丧。火星轨道的数据就足以证明行星的轨道不是圆形的，所有行星的轨道看来必定都是椭圆形的了。

可惜的是，真实故事是真的，往往不像传奇故事那样引人入胜。丹麦国王死后，他的继承人解除了第谷的职务。一些人说，这位天文学家空虚自负而又傲慢自大，因此很难相处，除了老国王以外没有人对他有好感。第谷后来在布拉格得到了新的宫廷职务，因为他认识开普勒，就让开普勒做了他的助手。可能一直到第谷垂垂老矣的时候，他还没有弄清楚他精心观测所得的数据对宇宙来说意味着什么。这时他却感到了死亡的恐惧。虽然第谷和开普勒无疑始终未能非常融洽地相处——他们每人都暗自想证明自己心爱的理论是正确的，但开普勒的确是成了第谷的助手，他们两个有相当多的时间在一起工作。他们一起研究第谷的火星观测数据。但直到第谷逝世多年后的1609年，开普勒才发表了关于行星的椭圆轨道的理论。尽管在第谷和开普勒之间曾发生过戏剧性的对抗，他们最终还是在一起共事了。第谷的精心观测和开普勒极具洞察力的理论，这二者对行星椭圆轨道的发现具有同等重要的意义。行星是在椭圆轨道上围绕太阳运动而不是围绕地球运动，如同哥白尼所预言的那样。可是，第谷在他含辛茹苦所进行观测的价值为公众真正了解之前就已辞世了，这是很令人惋惜的。

●第谷·布拉赫（左图）。他在望远镜发明之前使用像六分仪（右图）这样的仪器通过肉眼观察来精确测定星星的位置。

伽利略的异端邪说

很是奇怪，教会方面仍然没有明显的反应。也许是布拉格和丹麦在地理上距离欧洲的中心都很遥远，实在不值得担心。这时，意大利的起领导作用的科学家伽利略·伽利雷却仍然在告知他的学生们“地球处于宇宙的中心”。伽利略本是在帕度亚工作的一位数学教授，他因为在科学上的成就而闻名于世并受到广泛尊敬。除了认为他堪称科学家的典范之外，还有一种说法认为伽利略是声名狼藉的剽窃他人成果来欺世盗名的人。至于相信哪一种说法，那就取决于人们相信哪一种说法了。斯蒂芬·霍金则坚定地把伽利略尊为现代科学之父。这部分地是因为，如果一种新的科学观点还没有被实验所充分地证明的话，伽利略肯定会拒绝讲授它；而一旦伽利略认为是被科学证明了是真理的东西，他就会无所畏惧地坚持到底，不管这会给他带来多少困难。

●第谷·布拉赫的小岛天文台有一些结构巨大、造价昂贵的仪器。

●伽利略·伽利雷（1564—1642）。他制作了一些非常简单，而且基本结构相同的望远镜。这些望远镜（右图）无疑是属于伽利略的。但现在没有人能知道其中是否有伽利略用来做出导致他与教会之间冲突的历史性观测的那个望远镜。

不管人们怎样看待伽利略的工作，他对现代科学所做出的巨大贡献是无可否认的（顺便说一下，伽利略死去正好300周年的时候，斯蒂芬·霍金诞生了。这是一种巧合，与他们二人在人类对宇宙的认识方面做出的贡献无关，但却很有趣）。

伽利略在发现运动定律方面做出了颇有意义的工作。例如，他通过计算得出：当一只球从高处下落时，不管球的大小如何，其加速度总是不变。这可以通过在一个斜坡上让两个大小重量都不相同的球同时滚下来的实验来证明，不一定非要凭借在比萨斜塔上来做两球同时下落的实验。在伽利略使用的斜面实验中，对运动的球的观察和时间测量都要容易得多。由此，伽利略的工作使得人类在对重力的认识方面迈出了前进的第一步，这无疑是非常重要的科学进展。可是，对伽利略来说，也许一件更有意义的事情是，他所得到的某些观测结果最终引发了教会与科学之间的一场严重的冲突。

事情的原委是伽利略在工作中引进了技术方面的新进展，即刚刚发明不久的望远镜。在最初发明望远镜时，伽利略并没有做出很多贡献。人们早就把玻璃透镜作为放大镜使用了，可是单个透镜的放大倍率是有限的。据说，在一个很偶然的机会里，有两个正在阿姆斯特丹的出售仪器的商店里玩耍的儿童发现，同时通过两个透镜来观察会看到很不同寻常的景象。于是店主就把两个透镜安装在一个筒子里，每个透镜固定在筒子的一端。这个店就开始把这种设备作为一种放大仪器来出售。荷兰科学家里文霍克还把这个装置用作显微镜。在此之后的1609年，伽利略把它用作望远镜而对准了天空。使用望远镜的观察结果足以使伽利略相信，哥白尼的宇宙模型是正确的，位于宇宙中心的的确是太阳。于是，这位意大利教授毫不掩饰地大声疾呼了——至少是对教会疾呼——科学绝不能再支持托勒密的以地球为中心的宇宙模型了。

借助望远镜所得的观测结果说明，关于宇宙是由完美的圆形和球形组成的这种看法是非常值得怀疑的。也正是因此，使得伽利略很快改变了原有的观念。比如，在比较近的可以仔细观察的球形天体上，都存在着某种“缺陷”，像太阳黑子、月球上陡峭的环形山等。但是，直接致使托勒密的宇宙“寿终正寝”的，是伽利略用他的望远镜观测到的另外两种现象。一个是发现了正在围绕木星旋转的几颗卫星（教会之所以支持托勒密，很重要的一点是因为他的模型认为地球是宇宙的中心，其他天体都在围绕地球运动。可是，现在却发现了有的天体居然在围绕另外的天体运动），另一个是发现了金星表面存在着阴影区域。在研究了金星阴影随时间变化的规律之后，一切都再清楚不过了，金星是在围绕太阳运动。这一结果对托勒密地心宇宙来说，简直是致命的一击。看来，哥白尼很可能是正确的。

这一次，教会方面可不像以前那样面对挑战而泰然处之了。这可能是由于以下三个方面的原因。第一，它不能容忍伽利略的观点广泛流传所带来的冲击。因为伽利略的有关著作不是用学术色彩浓厚、影响面有限的拉丁文出版的，而是用影响面更广的意大利文出版的，所以有越来越多的公众支持伽利略，于是一些较为保守的教授纷纷敦促教会重申托勒密学说的正确性。第二，伽利略指出了《圣经》的内容与普遍的理念及科学意识相冲突，他实际上对《圣经》进行了讽喻。他甚至说，任何人如果还看不出有证据能证明地心说是错误的，那简直就是执拗加愚蠢。这等于是在说教皇和他的顾问们是一群白痴，无异于“亵渎神明”。第三，当时新教的兴起对天主教会是一个威胁。看来是教会重振它的权威和重申它传统的世界观的时候了。1616年，教会方面宣布，哥白尼学说是错误的，并勒令伽利略放弃该学说。

●由于伽利略也是一位十分成功的公众人物，因而到处都有人跟着开始自己观察天空，想看看伽利略看到过的东西。

●由于没有其他办法来记录观测结果，伽利略便用这些素描来表示他在望远镜中观测到的月亮的不同相位。

如果伽利略还想在别的领域继续从事科学工作的话，他除了沉默以外几乎没有别的选择。阐明宇宙本质这个问题可能还说不上有压倒一切的重要性，不值得为它放弃所有的东西。伽利略还是按照教会要求的做了。1623年，他的顺从似乎得到了回报。一位新教皇上任了，他和伽利略成了好朋友。于是伽利略要求教皇撤销1616年的判决。可是这位教皇对教会政治问题很敏感，他只同意进行一种折中处理。这种“让步”式的处理是，伽利略可以出版他的著作，在书中伽利略要同时介绍托勒密和哥白尼的宇宙学说，但是不能在二者之间倾向任何一方。而且教皇还坚持要伽利略在书中说明，从根本上来说，以人的能力去理解宇宙是不可能的，因为若是如此则将对全能的上帝产生不利影响（非常有意思的是，这位教皇的态度与300多年后的今天斯蒂芬·霍金和其他一些科学家在对今天的教皇介绍最新的宇宙理论的时候所得到的反应是很一致的）。伽利略开始撰写他的新著作，虽然他按照教皇开列出的全部条件行事，新书仍唤起了更多的人对哥白尼学说的支持。伽利略简直找不到一个对托勒密模型有利的事例——他当然也绝不想这样做，而且还如实地介绍了他通过望远镜观察所得到的结果。最终，教会把伽利略送上了教会法庭，在那里对他判处了本宅软禁。伽利略还被迫第二次放弃哥白尼学说。可是，这一切已经太晚了。虽然伽利略服从了教会的训令，但出现了一种新的科学的宇宙学说这件事已经广为人知，它很难再被宗教教义所扼杀了。

●1979年，旅行者号行星际探测器拍摄了木星及其卫星的照片。伽利略认证了其中四个最大的（从左到右）：木卫三、木卫二、木卫一和木卫四；但他用他那原始望远镜所看到的全部东西不过是四个位置逐日变化的“点”而已。

●如果伽利略不是出版了他的这本具有轰动效应的《星星信使》，他还不至于彻底地激怒了教会。

●约瑟夫-尼古拉斯·罗伯特-弗勒里（1797—1890）所作的绘画，描述伽利略在1632年面对教会方面的指责而为自己进行辩护。在这稍后宗教法庭就对他进行了宣判。

禁锢知识绝对难以持久。没过多久，教会方面也有了使它自己与科学观察的结果一致起来的愿望。开普勒的关于椭圆轨道的发现和伽利略的观测结果，都是导致支持哥白尼宇宙学说的直接因素；还有唯一一个尚未找到答案的问题是，是什么力量推动了行星在轨道上运行。如果这个问题也弄清楚了，那么教会就必须承认它的失败了。对于教会来说，现在最需要的是找到一个办法，一方面能调整它的观点，另一方面又避免看起来完全改变了原有的主张。

牛顿的不可抵抗之力

是伊萨克·牛顿并非有意地给教会提供了一个下台阶。在大多数人的心目中，牛顿当然是与苹果从树上落到地下的故事以及引力定律的发现联系在一起的，实际上牛顿在科学的其他领域也做出了巨大的贡献。一些人认为牛顿堪称“现代科学之父”，就像斯蒂芬·霍金对伽利略的评价那样。说到底，对现代科学来说，这两位科学家都是至关重要的。牛顿发展了伽利略的工作，他用一系列数学公式描述了力和受力物体的关系。

虽然牛顿在学生时代没有受过好的数学训练，但他却凭着在数学方面的天赋成为剑桥大学的卢卡斯数学教授——就是斯蒂芬·霍金现在的职位。牛顿所做工作最核心的思想是，如果不受外力作用的话，任何物体都将保持匀速直线运动状态。如果物体静止下来，那么一定是有一种外力阻止了它的运动，比如摩擦力和空气的阻力会使滚动的球静止下来。如果一个物体做加速运动或减速运动，或是改变了运动方向，那么一定是由于有外力作用于其上的缘故。

牛顿用数学方法表示了物体运动速度和方向的变化总是与物体质量和作用力的大小有关。物体的质量是与该物体的大小和重量相关联的一种特性。更准确地说，物体的质量可定义为，与物体在得以启动时所需外力的大小有关的，或者说在物体运动中加速时所需外力的大小有关的一种物理量。

上述的运动定律直到今天还被认为是物理学的基础而在课堂上讲授，理解了它就可以进而正确理解引力。牛顿指出，每一个物体都用一个叫作引力的力吸引其他任何物体。一个有着巨大质量的物体可以把质量小的物体吸引到自身之上来。正因为如此，苹果才会掉到地球的表面之上。实际上，苹果也在吸引着地球，只是因为地球质量远大于苹果的质量，所以地球朝苹果移动的距离微乎其微、无法觉察到罢了。也是因为如此，看起来这种吸引就像苹果掉到地上那样，都是沿着一个方向的。引力是很微弱的，把两个大小差不多的苹果一同放在桌子上，尽管它们之间有很小的引力，却不会吸聚到一起来。而且物体间的距离越大，相互间的引力也就越小。

●伊萨克·牛顿。他的家庭背景并不很好。

●落地的苹果也许对牛顿有所启发，但他的引力理论中所用的复杂数学，说明他为了提出这个完美的理论，必定花费了很多精力，而绝不仅仅是顿悟的一闪。

以上的结论与伽利略观察到的结果完全一致——两个大小、重量不同的物体总会以相同的速度落向地球表面。地球的质量与一个人可以在地面上抛出的一般物体质量相比较，是非常巨大的。被抛出物体间的质量差在数学方程中的影响则完全可以忽略不计。这就有点像狂风大作时，风施加在橡树叶子上力的大小与风施加在桦树叶子上力的大小间的差值，完全可以被忽略不计一样。

可是，当考虑的是质量巨大的物体——例如太阳、月球和行星与地球相互作用的时候，牛顿意识到，即使是在距离遥远的情况下，它们之间的引力也是至关重要的。如果没有其他外力作用的话，所有这些天体会在空间沿着某个方向移动，这种运动一般都是直线运动，除非某个天体足够接近另一个天体并对后者施加引力。引力可能还不足以大到使两个天体撞到一起，但它会使运动中天体的轨道发生弯曲。于是，在两个天体的质量、运动速度、方向及距离处于一种合适的均势条件下，就会出现质量较小的天体围绕质量较大的天体旋转的情形。

牛顿提出了一个方程来表示这种关系，并且试着把这个方程用于太阳系。当他将这个和引力有关的数学公式应用于开普勒的椭圆轨道时，发现二者符合得非常好。火星、木星、土星的轨道都完全正确。但后来发现通过公式得出的水星轨道与实测的稍有偏离。考虑到所用的公式在计算其他行星轨道时都很精确，计算水星轨道时所发生的问题就被认为是观测误差造成的。由此得出的结论十分清楚，哥白尼和开普勒是正确的。牛顿终于发现了，是万有引力维系着行星在椭圆轨道上围绕太阳运动。

300多年前建立起来的牛顿定律，直到今天还在用于计算人造地球卫星的速度和运动轨迹，其结果有着足够高的精度。牛顿取得了天才的辉煌成就。由于证据确凿，教会方面不能再否认是太阳位于宇宙的中心而不是地球位于宇宙的中心了。使得教会比较容易地接受了日心说的还有牛顿的另外一个信念。牛顿不相信宇宙还有一个外部极限的看法——就是托勒密宇宙模型中那个在地球之外、上面镶嵌着恒星的大球。在牛顿的促进下，研制出了新的、威力更大的望远镜。使用这些望远镜进行更高精度观测的结果发现，并非所有的恒星都是固定不动的，它们中一些是在运动着，只不过这种运动慢得几乎察觉不到。由于牛顿运动定律的基本思想是认为任何物体都不会自然而然地处于静止状态，所以通过推理牛顿认为，所有的天体的表现都应该与较近的容易观察的行星相类似。它们都应该处于连续不断的运动之中。只要处于其他天体的引力场内，那么引力就会决定着它们的运动轨迹。如果所有天体都在这样不停地运动，那么宇宙的外部极限又该怎样勾画呢？从逻辑上说，宇宙没有必要一定要有一个边缘。基于这种认识，牛顿假定宇宙没有边界，它在时间和空间上都是无限的。

●牛顿的名著《数学原理》。书名体现了牛顿取得成就的领域。他第一次用数学描述了宇宙，完全符合当时的观测结果。

●猎户星座是大多数人都熟悉的，但通过望远镜拍摄的照片显示了比肉眼看到的要多得多的细节。

●牛顿的小型反射式望远镜，它向牛顿展示了更多的东西。牛顿是在反射式望远镜中加入一个平面反光镜的第一人。这使得他能用短得多的镜筒获得更高的放大率。牛顿的望远镜很小，但是却成了后来的巨型天文望远镜的原型。

虽然牛顿的这种观点在一定意义上与教会的教义相违背（按照牛顿的观点就很难为上帝创世确定一个准确的时间和地点），但它至少还是支持了一种无限和永恒的观念，而无限和永恒正是教会要给神所赋予的性质。上帝是全智全能的，即有着无限的智慧和能力，那么他所创造的宇宙也应该是无限和永恒的，就像上帝自己一样。至于上帝如何做到这一点，则不是生命有限的凡人所能理解的了。这时，科学和宗教非常不容易地取得了一致，好在在这场观念与智慧的冲突中双方都没有受到伤害。教会方面承认了，在地球并非宇宙中心而不过是围绕太阳旋转的一颗普通行星这个问题上，科学是正确的。而且，教会也不能确认它在祈祷中常常提及的上帝创世到底发生于什么时候。可是在另一方面，科学的境况好不了许多，它不能说明为什么会存在一个宇宙。科学还不能解释关于牛顿的在引力“统治”下的无限宇宙的一个关键性问题：如果所有的物体在对其他物体施加引力，那么宇宙中所有的天体何以会彼此相距很远地存在如此之久呢？在一个无限和永恒的宇宙中，照理说，由于引力作用的存在，所有的物质都会因相互吸引而形成一个唯一的巨大的凝聚体，可是几千年来人们观察到的宇宙却并非如此。

尽管如此，由于牛顿的关于运动和引力的数学定律能极好地与观测事实相符，他的无限和永恒宇宙的观念很快被普遍接受了，就像以前托勒密的宇宙模型风行一时那样。可是，有一点与托勒密的地心模型不一样的是，牛顿的无限模型存在了刚刚超过200年，新的挑战就来临了。

第三章
宇宙之光

●牛顿认为，没有理由给宇宙的范围设定一个边界；恒星，比如金牛座（接近图片中央）和昴星团（上方的一小团恒星）方向上的许多恒星，有可能延伸到我们永远观察不到的距离处。但我们的观察所能达到的距离会有一个极限吗？

昂首星空

彩虹中的全部色彩

多普勒效应

定位星系

膨胀中的宇宙

昂首星空

在牛顿的无限和永恒宇宙观念的激发之下，一股新的观察星空的热情出现了。得益于望远镜的威力越来越大，人们更着迷于在无限的宇宙中能看多远和都能看到些什么。牛顿想出了一种在望远镜光路中插入一面反射镜的方法，由此可以更方便地观察到更清晰的像，伽利略观察到的那些天体都被放大了和看得更清楚了。可是，当时这种技术的进步并没有在所有的方面都开拓出新的视野。确实，虽然观测行星和彗星给天文学家们提供了令人激动的新知识，但其他东西在改进了的望远镜中仍旧是一些亮点而已，它们不过是越来越多的恒星，几乎没有新的东西。对那些近距离的恒星更仔细地观察的结果，发现它们和古代人用肉眼观察的结果也几乎没有什么不同，是一些闪烁的点光源。

所以，天文学家们开始放弃在宇宙的更远处发现新型天体的打算，进而思索着看到的越来越多的恒星意味着什么。大约在1750年，托马斯·赖特发现在夜空的某些方向上恒星有成团地存在的现象。于是开始出现了“我们自己可能也处于某个相似于我们观察到的那种恒星集团中”的思考。德国哲学家康德观测到了一种“尘埃云”或星云，并且指出这些可能是遥远的恒星集团，就像我们所属于的这种恒星集团一样。我们的恒星集团叫作星系，那些星云可能就是遥远的星系。直到今天仍然在使用星系这个名称。就在几乎与康德同时，法国天文学家查尔斯·梅西叶开始编制关于这些星云的天图，他想给宇宙描绘一个图景。

1785年，威廉·赫歇尔和他的妹妹卡洛琳·赫歇尔发现了新的行星天王星；他们还在一些星云中分离出了独立的点源，并认为这些就是真正的尘埃和气体云中存在的恒星。1840年，第三代罗斯伯爵威廉·帕森斯在爱尔兰中部的比尔城堡建造了他自己的“勒维汉”望远镜。这架望远镜重达10吨，是当时世界上最大的望远镜。使用这架望远镜最终确认了在星系中肯定有一颗颗的恒星存在。在小望远镜中看到的那些不规则的光斑，曾被认为是“不规则形状的恒星”或是被尘埃云包围着的恒星，现在就被认为是形状正常的、成群的恒星了，只不过单个恒星的光已经被整个星系的光芒淹没，以致看起来模糊不清了。

彩虹中的全部色彩

虽然通过观测正在取得新的知识，但天文学家们这时还是感到有些沮丧。如果人类能观测到的太阳系之外的东西只有一些成团的光点，那么仅仅通过观测似乎难以了解关于宇宙的更多的东西。也许到此就达到人类所能得到知识的极限了。这可真是虽然冷静但又有些可怕的想法。

然而就在这个时候，有另外一些科学家在他们的工作中取得了很重要的进展，尽管他们当时并没有意识到他们的工作和宇宙有什么关系。1816年，德国的玻璃透镜制造家约瑟夫·冯·夫琅和费，在慕尼黑附近的实验室中测试他用来制造透镜的光学玻璃的特性。他发现，在使用人造光源时，会有一些不寻常的现象出现。于是他想看一看若是用太阳光作光源，在太阳光被折射后的多色光谱中会不会有相同的现象发生。太阳光被折射后会产生彩色的光谱，这是牛顿在100多年前就已发现的现象，也是今天小学里仍在讲授的初级物理知识。办法是通过一块三棱镜，一束光就会被分解成不同波长的光而组成光谱。光谱是明亮而多彩的光带，一端是红色和橙色，接下来是黄色、绿色、蓝色，一直到另一端的紫色。夫琅和费当初是想通过观察光谱来测试他的光学玻璃是否有缺陷，开始他用的是人造光源（给金属钠加热使其发出黄光）。他注意到，在被折射后的钠黄光光谱中出现了两个神秘的缺口——暗线，而且，暗线出现的位置在每次实验中都是相同的。因为黄光只是光谱的一部分，于是夫琅和费很想知道，在太阳的多色光谱中是否也会出现这种暗线。在他的测试透镜的精密实验条件下，他不仅观察到了彩虹般的光谱，还看到了整个光谱中都存在的许许多多的清晰的线，其中有明显的暗线，还有一些不太清楚的比较淡的亮线。在普通学校的实验室的条件下它们可能不能被观察到，但是夫琅和费却有条件清晰地分辨出它们。

●（左图）当越来越强大的望远镜窥探比近邻恒星更远的星空时，它们开始时看到的全部东西似乎都不过是越来越多的恒星而已。但是有些光点看起来并不是一颗恒星形成的精确的小光点，而是不那么规则的模糊光斑。托马斯·赖特（1711—1786）画出了这些想象中的星群（右图），来说明他对这些恒星如何聚集成群并形成看起来像一个模糊光斑的想法。

接下来，夫琅和费试着分析除钠以外其他一些化学元素加热以后所发出的光。一些暗线依然出现了，只不过出现的位置有所不同。夫琅和费当时还弄不清楚是什么原因造成了这种位置的不同，但有一点可以肯定的是，对于一种元素来说，它的暗线系统与另一种不同的元素所发出光的暗线系统是不一样的。这种暗线系统实际上有点相似于今天在超级市场中用来标明商品价格和说明的条形码。可惜夫琅和费当时不知道，叠加在多色光谱之上的亮线和暗线构成的每一种图样，就是被加热发光的元素的光“指纹”，通过“指纹”就可以证认出相应的元素。当时夫琅和费所知道的，仅仅是这些暗线的存在，并且为了科学目的而应该公布这些实验结果。

现在我们知道，实际上这些谱线是特定波长的光。一种元素或者吸收这种特定波长的光——那它就制造了光谱中的暗线；或者发出这种特定波长的光——那它就产生出光谱中的亮线。这完全取决于每种元素的亚原子结构和该元素对输入的能量的响应方式。但以上这些对理解夫琅和费的发现还不是最重要的。最重要的是，在被折射后的光谱中，存在着可以辨别发出这些光的化学元素的“指纹”（即那些吸收线或发射线。——译者）。只要对“指纹”进行辨认，就可以鉴别出在发光物质中都有哪些元素。

●（上）帕森斯画出了涡状星系的草图，但那时他不知道这是什么。

（下）新近的照片表明帕森斯多么准确地画出了他所看见的东西。

夫琅和费并不是唯一的一个不能立即理解自己做出的发现的意义的人。到了1880年前后，威廉·哈根斯才认识到，这些“夫琅和费线”就是各种元素的特征“指纹”，可以作为鉴别一种元素的特征谱线。哈根斯还进一步指出，这种方法可以用于分析来自太阳和恒星的光，从而可以知道太阳和恒星是由何种成分组成的。当哈根斯分析和比较了太阳和恒星光的谱线之后，发现二者中都有清晰的氢和氦的特征线。于是他自然而然地得到了这样的结论：太阳和恒星主要是由氢和氦组成的，这一点二者颇为相似；而且，在太阳和恒星上氢和氦正在以某种方式发生反应或燃烧，这就像一盏极其巨大的夫琅和费用过的那种灯，在不断地向外发出光和热。

哈根斯的发现当然具有重要的科学意义。可是他的发现还有更重要的哲学上的意义，即太阳和恒星实际上没有什么差别。换句话说，他的发现在贬低人类的地位方面比伽利略证实“地球不是宇宙的中心”的观测结果更加厉害。位于太阳系中心的太阳，在宇宙中绝不是独一无二的，它只是一颗普通的恒星，只是亿万颗恒星中的一颗，而且也主要由氢和氦组成，氢和氦在其上以某种方式在发生反应，并且不断地发出光和热。看来，我们在一个无限的宇宙中的位置是既随机而又平凡无奇的。

●使用爱尔兰中部比尔城堡中巨大的“勒维汉”望远镜，威廉·帕森斯成为在天空中观测到旋涡状天体的第一人。

这一次，无论是天主教会还是基督教的其他教派，都不想质疑这个科学结论了。既然科学把人类贬低到与上帝相比更加无足轻重的地位，那么它只会加强上帝的令人敬畏的力量和无边的智慧。而对于很多已经对任何一种宗教信仰的正确性有所怀疑的科学家来说，哈根斯的发现说明，科学完全独立于宗教，而要全面理解宇宙的机制单独依靠科学研究就能做到。在科学上可能没有给“创世说”留下存在的余地。宇宙是稳定、无限、永恒的，并且可能一直是这样存在着的。而带着各种偏见、宗教信仰和自我肯定的人类，只不过是已经得到科学解释的自然现象的令人惊奇的结果之一。一些科学的思想家开始承认无神论，他们不相信神的存在，认为无神论才是理性的、正确的信仰。

多普勒效应

具有讽刺意味的是，正当一些思想家开始相信科学将导致宗教的终结时，物理学又给了他们一个暂停这种想法的信号，因为关于光的又一个有科学意义的发现似乎支持了教会方面的“创世说”，而不是支持无神论。当时远非人人都能预见到这一点。和夫琅和费大不一样，克里斯蒂安·多普勒意识到了他于1842年在维也纳做出的发现对于天文学具有的意义，但还要经过大约70年，它才导致了宇宙学的一次革命，并且似乎是给教会的创世说提供了证据。

多普勒发现的原理对光学和声学同样有效，先考虑一下声学的情形似乎更容易掌握这一原理的基本点。在一列火车呼啸着进站和出站时，就等于在演示着多普勒原理的声学效应。这时每一个站在月台上的人，都能听到火车接近、通过、然后远离而去时声音的变化。当然，在火车接近时声音会越来越大，远离时声音会越来越小；但除此之外还会有声调的变化：在火车接近时声调越来越高，远离时声调越来越低。然而，如果这时有一个人坐在火车上，他就听不到这种声调的变化。那么，对站在月台上的人所听到的声调变化又该怎样解释呢？

多普勒意识到，声调的变化与声音从声源传播到月台上的测量者所用的时间的变化有关。如果把火车的运动分解成不同的时段来考察，结果会更容易理解。假定在时刻A时，快速接近的火车距测量者的距离是100米，那么声音从火车传播到测量者所需的时间是约300毫秒；而在时刻B时，上述的距离变为90米，但声音的传播速度是不变的（指声音在空气中的传播速度总是不变的。——译者），所以传播这段距离所需的时间就只要270毫秒；即在距离缩短了10%的条件下，所需时间也减少了10%，在时刻B比在时刻A所需时间减少了30毫秒。那么在时刻C、时刻D……所需时间会逐渐减少下去。这意味着，一列正在接近的火车所发出的声音在到达测量者时，好像是被“压缩”了似的。

而一旦火车从测量者面前通过后并远离而去，与上述过程相反的过程就会发生。假定在X时刻火车距离是100米，传播所需时间是300毫秒；在Y时刻火车距离是110米，传播所需时间就变成330毫秒；在Y时刻比在X时刻中所需时间增加了30毫秒。在以后的时刻中，所需时间会逐渐增加下去。这意味着，一列正在远离的火车所发出的声音，在到达测量者时好像是被“拉长”了似的。

●多普勒效应提供了一种难得的分析星光的方法，它使得我们能计算出遥远的恒星或星系的运动方向和速度。

这个关于火车进站的分析似乎和宇宙学相差甚远，和光学多普勒效应、恒星及宇宙创生都没有什么关系。但实际上，多普勒最早是把这种以他的名字命名的效应与光相联系，而不是与声音相联系的。可是要理解光学多普勒效应却要困难得多，因为在日常生活条件下很难进行与之有关的实验。然而，光学多普勒效应对于理解在20世纪初出现的新的宇宙理论却是至关重要的。如果能很好地理解声源接近时的“压缩”效应和声源远离时的“拉长”效应的话，那么就几乎能理解新的宇宙理论了。另一种直接分析声音多普勒效应的办法是：设法描绘出声波的起伏状态，观察在声源接近时这些起伏的被压缩和伴随的频率变高、声调也变高，以及声源远离时这些起伏的被拉长和伴随的频率变低、声调也变低。

●在这条光谱中，夫琅和费线清晰可辨，它们的结构准确无误地揭示了光源的化学成分。光的多普勒效应。

（上）如果一个星系与地球保持不变的距离，那么它光谱中的夫琅和费线就会处在“标准位置”上。

（中）如果它在远离地球，那么夫琅和费线会呈现红移。

（下）如果它在接近地球，那么夫琅和费线会呈现蓝移。

●荷兰的克里斯托弗·比斯-柏洛特完成了验证多普勒效应的一个最著名的实验。他请了一组音乐家坐在火车上，他自己站在车站的月台上，并要求司机加大马力使火车以最大速度从车站飞奔而过，这时音乐家们要不停地演奏同一个音符。这样，他就验证了多普勒效应所预示的在火车接近和远离时的音调变化。

光也是以波的形式传播的——只不过传播速度要比声音快得多。光和声二者都是能量的一种形式。人们都熟悉电灯泡和电炉工作时发光发热的情形，但可能只有为数不多的人了解对声能的某些直接应用，如声呐、声学测深仪等。

人们总是倾向于把光理解为人的眼睛可以看到的那一部分，但实际上可见光只是全部光谱的很小一部分。牛顿让一束光通过三棱镜而得到了光谱，他就把可见光按不同的波长或频率分解开来。位于光谱一端的是红色光，红光的频率低于位于光谱另一端的蓝光。在可见光谱的蓝光部分外面的是频率更高、波长更短的紫外光以及X射线等。在可见光谱的红光部分外面的频率更低、波长更长的依次是红外光、微波、无线电波等。用相片底片可以记录红外光，而无线电波被用来传播广播和电视信号。可见光只不过是整个电磁波谱中一条很窄的谱带。从医院中的X光机到已经进入家庭的微波炉，有多种探测和应用电磁波的方式。

对于希望观测早期宇宙的天文学家来说，电磁波谱的可见光区非常重要。人们对于探测光和热的方法还是很熟悉的，许多人知道用照相底片可以记录X光和红外光。而科学家们还能探测到电磁波谱的其他部分，尽管这些信号可能非常微弱。在发出电磁波的物体温度已经降得很低之后，它所辐射出的能量还是可能被探测到。这就像在已经熄灭的灰烬中人们又看到了一星点的微光。这意味着，天文学家们可以探测到过去曾经有过高温高热，现在经过亿万年之后已经冷却下来的那些事件。这些辐射源中有的距离非常遥远，尽管电磁辐射以光速传播，仍然需要几十亿年才能到达地球。通过考察这些波，人们可以知道在几十亿年前发生过什么事情。对于可见光也是如此，这也就是为什么人们有时候说在望远镜中看到的天体在若干光年之外。用光年来表示恒星或星系的距离，也就是用光在一年中所传播的距离来度量从它们到地球的距离。

虽然多普勒本人已经预见到这种效应会同样适用于声波和光波，但关于光波的多普勒效应的实验却很难在地球环境中进行。因为恒星的距离非常遥远，恒星发出的光到达地球时可能显现出光学多普勒效应。在谈到可见光时，考虑到光速之快，多普勒推断，只能在恒星距离非常远 [1] 并且运动非常快的情况下，才有可能观测到这种效应。否则光波的任何被“压缩”或“拉长”的效应将是极其微弱和很难探测到的。恒星几乎是绝无仅有的距离足够远的足以显现多普勒效应的光源——如果它接近或远离我们的速度足够快的话。多普勒专门选择了两颗恒星进行研究，这两颗恒星被天文学家们认为正在相互绕着对方运行。多普勒认为，如果它们果真如此的话，在任意时刻，将有一颗星朝着我们运动，而另一颗星会远离我们运动。 [2] 这就有点像在一个正在旋转的陀螺表面上的一条直径的两个端点，在某一时刻如果一个点朝着一个观察者运动的话，而另一个点肯定会远离这个观察者运动。多普勒估计，这两颗星如果真相互围绕对方运行的话，那么将会发现来自这两颗星的光在波长上有一定的差异，这将揭示这两颗星在以何种方式运动。

多普勒小心地让来自这两颗星的光通过三棱镜，仔细地观察了它们光谱中氢和氦的夫琅和费线。他果真发现了重要的差异。两颗星的谱线图样完全相同，但却出现在略微不同的位置上。而且似乎是一个是向光谱蓝端移动了，另一个是向光谱红端移动了。

这种现象恰恰是多普勒所预言过的。来自其中一个光源的光频率提高了，发生了蓝移，这对应着光波的被“压缩”；来自另一个光源的光频率降低了，发生了红移，这对应着光波的被“拉长”。发生蓝移说明光源在朝着我们运动，就像在声学多普勒效应中朝着我们开来的火车；发生红移说明光源在远离我们运动，就像在声学多普勒效应中远离我们而去的火车。换句话说，通过分析来自恒星的光，看一看是发生了蓝移还是红移，就能正确判断恒星的运动方向；而且夫琅和费线发生蓝移或红移的程度越大，光波被“压缩”或“拉长”的程度也就越甚，恒星接近或远离我们的速度也就越高。多普勒先生几乎是在忽然之间就掌握了一种确定夜空中所有光源的运动方向和运动速度的奇方妙法。

●半人马座α是由两颗恒星组成的双星系统。经过观测已经确认了二者之间相互环绕的运动。在它们的光谱中发现了周期性的变化，谱线红移和蓝移的变化情况说明了它们交互运动的周期是80年。

于是，天文学家们发现他们有了多普勒频移法这样一种探索宇宙的最新工具，可是另一方面他们也没有认为所有的问题马上要迎刃而解了。当然，多普勒的发现既不会对教会的“科学家”们的神创论给予丝毫鼓励，也不会对牛顿的无限、永恒的宇宙造成任何威胁。多普勒的发现只不过确认了科学家们早已期待的一个结论：恒星是在运动着的。牛顿曾经预言，宇宙中充满了运动着的天体。而自古希腊人在伽利略看见木星周围的卫星之前很久做出他们的观测以来，人们认为大部分运动天体都是在轨道上。然而利用多普勒位移来研究星光，就像伽利略的观测和牛顿的引力理论那样，将对宇宙奥秘的探索产生革命性的影响。到此为止，就缺一个大师式的人物来充分利用这个工具了，而这个人物直到七八十年以后才出现。

定位星系

当这位大师出现的时候，以他表现出的个人能力素质完全能够完成这项工作。埃德温·哈勃于1889年出生在美国。在年轻的时候，他曾经梦想着做一名职业拳击手。他在牛津大学取得了法学博士学位，而后却最终成了一位天文学家。在一些同事的记忆中，20世纪20年代在加利福尼亚的威尔逊山天文台工作的哈勃，是一个勤勉认真的天文观测者，他极为耐心地、仔细地把所有的观测结果放在一起进行综合分析，就像一个谨慎小心的律师在为他的诉讼进行精心的准备。而哈勃的另外一些同事回忆起的则是哈勃观察所有的事物、哪怕是瞬间即逝的事物的天才和灵感。也许哈勃是勤奋与天才二者兼而有之。

哈勃使用了当时威尔逊山上威力最大的望远镜。在他最想从事的研究课题中，首先是关于星系的距离问题，以及通过对星系所发出的光的夫琅和费线的研究和由此进行的对天体运动和化学成分的研究，可能得到的更多的对星系的认识。这时，哈勃手里还有另外一个确定遥远天体的距离的非常有用的工具。

在20世纪之前，有一种测量天体到地球之间距离的基本方法在长达2000年中一直在使用着，而几乎没有任何变化。当然，自从埃拉托西尼及古希腊人用立竿见影法和几何学得出太阳的距离以来，这种方法变得更加精确，但它仍然只能在一定限度之内完成这种测量。数学的发展使得当时测量银河系内较近恒星的距离成为可能，但对更远的恒星就无能为力了。1912年，美国女天文学家赫丽塔·利维特找到了一类恒星，这类恒星对天文学家们测量天体距离大有用处。许多恒星的光度是变化的，有些恒星的光度有着周期性的变化。变化的原因是很复杂的，而且在现在讨论的这个问题中并不太重要，重要的是利维特发现这类恒星的光度变化是有规可循的。这类恒星叫作仙王座δ型变星（中国天文学家称之为造父变星。——译者），得名于第一颗被发现的这类变星是仙王座δ（恒星仙王座δ的中国名是“造父一”。——译者）。

在我们的银河系中造父变星的数量不是很多，因为在数百亿颗恒星中只发现了数百颗。但是如果把其中一颗的光度变化规律描绘在一张图上，就会发现它极具个性——非常有别于其他类型恒星的光度变化——也就非常容易肯定这就是一颗造父变星。这有点像从红色郁金香的花圃中挑出一只黄色的郁金香那么容易。这种变星的真实光度和光变周期之间有一种固定不变的联系。正是这种联系给哈勃提供了一件工具，使用它就可能测量遥远太空的任何一个角落到地球的距离。具体做法大致是这样的，先用传统的数学方法测量出邻近的造父变星的距离并测出它的光度（使用望远镜加光度计等仪器可测量恒星的光度。——译者），这样就得到了一只可用来比较的准绳。例如要测量一个遥远的星系到地球之间的距离，首先必须在这个星系中找到一颗造父变星，然后测量出它的光度，并与已知其距离的邻近的造父变星相比较，通过二者之间光度的比例就可以确定二者的距离的比例，它们之间有一种固定的比例关系；由此就可以进一步求出遥远的造父变星的距离和它所在的星系的距离了。（通过已知的邻近造父变星的周期、距离参数，天文学家们确定了造父变星的周期-光度关系。除了要测出遥远星系中造父变星的光度外，还应测出它的光变周期。这样，利用已知的造父变星周期-光度关系就可以得到它的“期望光度”，然后使用光源视亮度和光源距离的“反平方定律”关系，即光源的视亮度与光源到观察者之间的距离的平方成反比，就可以确定它和所在星系的距离。——译者）

●哈勃（1889—1953）正在观测（右图），他使用的是加利福尼亚威尔逊山天文台的100英寸“胡克”望远镜（左图）。

“100英寸”指的是望远镜主反射镜的直径；至于望远镜整体的大小，可以从与哈勃坐的椅子的比较中看出来，那椅子就在左图最右端的观测平台上。观测室的天窗打开后，望远镜将指向观测天区，观测平台亦将沿弧形轨道上升到望远镜筒顶端的目镜所在的位置旁边。观测目标的光射到望远镜筒底端的主反射镜，然后向顶端反射回来进入目镜。

这就是说，只要在威力强大的望远镜里能够分辨出在遥远星系中单个的造父变星，那么遥远星系的距离也就可知了——哈勃开始通过研究一个个星系来描绘宇宙的图景，这项艰巨的工作曾使有些人望而却步。哈勃意识到，现在不仅可以通过造父变星方法确定星系的距离，还可以通过分析光谱中的夫琅和费线的方法，确定星系中恒星的成分；还可以通过星系中某元素特征谱线的多普勒频移，确定星系的运动方向和速度。即多普勒频移越大，光波被“压缩”或“拉长”的程度也就越大，星系远离或接近的速度也越高。哈勃和他的研究小组非常耐心地分析来自每一个星系的光及它的光谱，由此来构筑尽可能完善的宇宙图景。

不出所料，他们发现氢和氦是在所有星系中存在最多的元素。这就重新验证了哈根斯的结果。而出人意料的一点是，所有他们分析过的星系的光都发生了红移，换句话说，似乎所有的星系都在远离我们。更有甚者，从他们证认出的造父变星来看，河外星系到地球距离之远大大超出了以往人们的想象，有的竟有几十亿光年之遥。哈勃和他的同事们还意识到，由于河外星系所发出的光在到达地球之前要旅行如此之长时间，今天我们所观察到的星系乃是它们在遥远的过去的形象，它们也已经走过了漫长的演化之路。有的星系距离达80亿光年，它的光谱红移远大于其他的星系（现在已观测到众多的距离超过100亿光年的河外星系。——译者）。换句话说，这些最老的和最远的星系，远离我们的速度也最快，大大超过那些和我们邻近的星系。

膨胀中的宇宙

当时，人们还不能立即理解哈勃的科学发现的全部意义。人们以前还很少见到过这样的场合：周围的东西都在纷纷远离。一个可用的例子是膨胀中的气球，在吹气球之前先在气球上画上一些任意的点。把气球吹起来，气球表面就开始膨胀了。这时气球上的点与点之间的距离就会越来越大。与这样的情形相类似，我们的宇宙也处于某种形式的膨胀之中。只通过分析星光就能断定宇宙处于膨胀的运动之中，这可真有点异乎寻常。以致很多物理学家在第一次听到这种标新立异的说法时，都情不自禁地怀有疑问，哈勃所说是否真的是正确的，或许还存在另外的解释。但是，哈勃建立了通过光谱红移给出的星系的速度，与通过星系中造父变星的光度给出的星系的距离之间的十分确定的关系。哈勃的观测是高度一致的，离地球给定距离的所有星系都以相同的速度运动着，而且星系的距离越远，其退行速度就越高。事实上，哈勃给出了一个数学方程式来精确地表达这一关系，即所谓“哈勃定律”。这个定律居然能和任何新观测到的星系的相关数据都符合得非常好。

●哈勃发现河外星系的距离异常遥远。本图所示的涡状星系到我们的距离大约是1300万光年，换句话说，接收到的这个河外星系的光是在1300万光年前从那里发出来的。

●这些旋涡星系是哈勃在1925年从他的观测资料中作为这类星系的例子挑选出来的。哈勃星系按照不同的形态分成椭圆星系、不规则星系和旋涡星系等，这种分类方法直到今天还在被广泛地使用。

对于大多数对无限永恒不变的宇宙坚信不移的无神论科学家来说，膨胀的宇宙是一个接受起来非常困难的概念。任何一个膨胀的东西都很难说是不变的。所以对哈勃观点进行贬低或否定具有很强的诱惑力。可是，新发现至少已经使一个研究小组的科学家们都兴奋异常；而且特别是还有另一位想象力出奇地丰富的天文学家。他是梵蒂冈的一位牧师，他给出了对哈勃宇宙膨胀说的最具戏剧性的解释。

[1] 恒星的距离非常遥远不是显现多普勒效应的必要条件。关键的条件是恒星接近或远离我们的速度足够快。——编者

[2] 仅当两星组成的双星系统的质心相对于我们为静止时才如此。如果这个质心远离我们或者接近我们，那么两星也可能会同时远离我们或者接近我们，当然也可能一颗星接近我们，另一颗星远离我们。——编者

第四章
原初时刻

●像鹰状星云这类壮观的尘埃云，广达数十亿英里，含有极丰富的氢分子，现在被认为是典型的恒星诞生的地方。在哈勃发现宇宙膨胀之后，它们都不过是必须统一考察的一幅难以置信的拼图中的一个拼块而已。

一切都是相对的

陷入时空

爱因斯坦的一次画蛇添足

恒星的生与死

1927年，一位比利时耶稣会的牧师，同时也是一位起领导潮流作用的理论宇宙学家乔治·勒梅特正在梵蒂冈天文台工作。他在为爱因斯坦的理论和数学方程而冥思苦想。勒梅特自己说他当时很想要提出一种宇宙模型，这种模型应该符合爱因斯坦的理论；但另一些人却深信，勒梅特想要的是一种包含宇宙创生说的科学宇宙模型，也就是被牛顿的无限永恒的宇宙概念排斥的东西。对于天主教会来说，非常重要的一件事就是，找到一种与各种科学上的发现都不相矛盾、而又符合《圣经》中的“创世说”的宇宙模型。在梵蒂冈天文台工作的科学家们发现这可是一项艰巨的任务，于是勒梅特当时非常想找到新证据，来说明宇宙是有限的、因此宇宙也必然有一个起始之点。

一切都是相对的

勒梅特致力于研究爱因斯坦的理论，当时爱因斯坦已经以最富想象力的科学家而闻名于世。为了生计和支撑撰写关于物理学定律论文等学术研究工作，爱因斯坦曾经效力于在瑞士伯尔尼的专利局。他的第一个重要的成就在1905年公之于世，这就是狭义相对论；另一个重要的成就是1915年发表的广义相对论。两个相对论所处理的都是观测者与观测者所看到的事件之间的关系的问题。狭义相对论详细说明了当观察者和事件是以一种恒定不变的速度相联系时会发生什么；而广义相对论还考虑到了引力，也论述了当运动物体在加速或减速时将要发生的事件。这两个相对论都是很难读懂的理论，然而它们却使得爱因斯坦在科学界声名大振。爱因斯坦当时倒是没有刻意去创立一种关于宇宙的理论，但他的理论却无可避免地引起了宇宙学家们的兴趣，因为爱因斯坦理论导致了那些自牛顿时代以来从未遭受过挑战的基本物理学定律的重写。

爱因斯坦指出，不管在何处观察，观察到的发生某一事件的物理规律应该是相同的。这个观点实际上是基于这样一种看法，即不同的观察者观察同一个事件，可能会得到不同的结果，这要取决于他们观察时所在的相对位置。这种观点是受到日常生活中的一些经验支持的。其中一个大多数人可能都经历过。当两列火车停在同一个火车站上时，如果有一个人坐在一列火车上透过窗户来观察另一列火车，当他观察到火车慢慢开动起来时，他很难一下子判断究竟是哪一列火车开始开动了。他能确切地知道的，只是两列火车中间肯定有一列开动了。这就是相对论的观点。

现在来假设这样一种情况，一个人坐在火车上，另一个人站在车站的月台上看着火车飞驰而过。在火车上的人面前的桌子上有一个茶杯，茶杯与人之间的距离约有60厘米，在这个人看来，茶杯是静止不动的；但是，在月台上的人透过车窗观察到的，却是茶杯与火车在一起狂奔。

爱因斯坦的非凡洞察力表现在，他认为物理学定律必须改写成使得运动定律具有内洽性，比如在以上不同观测者看到茶杯的不同情形的例子中必须对加速度和动量这类相关概念做出说明。而这意味着要理解时间和空间的本质以及它们对发生在其中的事件的影响。归根结底，不同观测者对茶杯观测的不同结果，是由于他们相对于茶杯的不同时间、空间关系。其中一个在时间和空间随同茶杯一起运动，所以他与茶杯的相对距离和位置总保持60厘米不变；而另一个观测者相对于运动的茶杯来说是静止在时间和空间中的，所以茶杯是在运动之中并飞快在视野中消失。

●阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955）本来无意于亲自去揭开宇宙之谜。但是就如在物理学其他的领域中一样，爱因斯坦的革命性理论已经赋予了宇宙学最具根本性的变革。

陷入时空

为了描述上述的这种关系，爱因斯坦推导出了一组数学方程式。概括说来，这些方程给定了时间和空间的性质，它们对于宇宙学家们是至关重要的。首先，时间和空间在爱因斯坦的数学表述中看起来是极为相似的东西。因此，牛顿对引力的解释必须完全改写，尽管它似乎是很精确的。爱因斯坦指出，两个物体并非如牛顿所描述的那样直接地互相吸引，而是每个物体对周围的时间和空间产生影响，引力则是这种影响的结果。如果这种解释还难以理解，设想用一个较重的物体（例如炮弹）来代表太阳，把它放置在一大张紧绷的橡胶薄片上，这张橡胶薄片就代表时间和空间；于是，炮弹的重量会使薄片下沉，在炮弹周围形成一个圆锥形的坑。这种形状会令我们回忆起在生活中见过的一个充满水的水池，如果拔下底部排水管上的塞子开始放水，那么在水池中的水面上就会出现一个在旋涡中的圆锥形下陷。

●人们经常这样来说明爱因斯坦的广义相对论，用一个放在弹性橡胶垫上的重物来代表恒星或整个星系，再画上一些网格来代表时间和空间。重物的质量越大，空间和时间凹陷的程度也就越深，那些从附近经过的东西也就越难逃脱坠落在这个大质量物体上的命运。

爱因斯坦解释说，当一个大质量的物体以上述的方式引起时空的弯曲时，这种弯曲的时空会自然而然地影响到在其中运动的任何较轻物体的运动轨迹。所以如果用一个较小的球来代表地球或别的行星，那么这个小球（地球或其他行星）就会在代表时空的橡胶薄片上滚向炮弹（太阳）这个大球造成的凹陷（弯曲时空）运动。如果小球运动速度很低，那么它就可能掉入凹陷之中，与大球挨在一起（这就如同牛顿看到的苹果从树上落下，掉到地球表面上）；但如果小球的运动速度足够快，那么它的运动轨迹只会稍稍向凹陷所在的方向偏移一点，然后从另一面滚出来，并继续向前运动。而如果小球的运动速度既不太慢也不太快的话，就会形成它围绕凹陷的不停的圆周运动，这就像杂技运动员有时骑摩托车表演的“飞车走壁”。

●乔治·勒梅特（1894—1966），一位天主教教士，也是比利时最著名的天文学家。他在喜欢佳肴和美酒的同时也是教廷科学院最活跃的成员。但是世界各地的科学家们很晚才注意到他的“原始原子”理论。

这样描述引力的数学方程式可以得到与较简单的牛顿方程式相近的结果，但爱因斯坦的结果更精确地给出了水星围绕太阳运动的轨道，而描述水星公转轨道恰恰是牛顿力学所遇到的一个极大的困难。这个例子有力地支持了爱因斯坦的理论，或者说它至少也是对牛顿引力理论的一个非常好的修正。在后面要谈到的关于日全食和星光偏折的例子，更是对爱因斯坦理论正确性的极好的证明。这使得物理学家们从此形成了一种定式的思维：如果一种结果符合爱因斯坦理论，那么它大概就是正确的。

正是在研究爱因斯坦方程的过程中，勒梅特发现了一些足以使他惊喜的东西。从爱因斯坦的数学方程式得到的结果之一是，宇宙并不是稳定不变的，相反地是动态的。要理解这一点非常简单。既然任何具有质量的物体都会使时空发生弯曲，那么一个天体经过另一个天体近旁时，它就会被拉得更近一些。如果宇宙是静态的，那么宇宙中所有物体终将被吸引到一起，因而一切物质迟早都会落入最大的时空凹陷之中。这个问题和牛顿在发现万有引力定律之后所为之忧心忡忡的问题是完全一样的。但宇宙中的物质何以千百万年来一直维持着一种分散状态，而没有因引力作用而形成一个“超级”大块物体呢？然而，牛顿的理论只局限于物体间的相互吸引，爱因斯坦的理论却包括了对质量引起的时空弯曲的数学表述；所以在牛顿的系统中由引力引起的宇宙的全部质量凝聚到一起几乎是不可避免的，但爱因斯坦的系统却不尽如此。在爱因斯坦系统中，时间、空间的状态可以随其中质量存在的情况不同而变化，所以时间、空间都是动态的而非静态的，时空或宇宙都不可能是永恒的。它们可以变得大些或小些，因此可能会有时间、空间慢慢地膨胀或收缩的情况发生。

爱因斯坦的一次画蛇添足

爱因斯坦自己也意识到了这个问题的其中含义，并对自己的方程会导致如此之结果有些耿耿于怀。作为牛顿的无限而永恒的宇宙观念的坚定的拥护者，爱因斯坦要迫使自己相信一定能找到一个相关的物理学定律，它能把宇宙的整体膨胀或收缩的性质排斥在外。一定有一种因素，它能容忍局部的变化存在，例如质量会影响到其周围时空的弯曲程度，但它却不会影响宇宙的整体状态。基于这种信念，爱因斯坦在他的方程中引入了一个附加的因子，即所谓“宇宙学常数”，它会导致微弱的斥力，可以和万有引力相抗衡；这样一来，就能消除宇宙的整体膨胀或收缩等全局性动态变化，宇宙就可以“回归”于永恒状态了。

但是，勒梅特却认为完全没有必要加上这样一个多余的“宇宙学常数”。假定描述一个有着轻微膨胀的宇宙的数学模型是正确的，这意味着，膨胀的力抵消了引力，那么宇宙中的物质将能继续保持分散状态。而且，如果膨胀力稍强于引力，那么宇宙就会继续膨胀下去，将来的宇宙比今天的宇宙会占有更大的空间尺度。这种情况也意味着，过去的宇宙比今天的宇宙占有较小的空间尺度。因此，如果不断地把时间上溯，越早期的宇宙就会越小；那么总会有足够早的某个时刻，宇宙是处在它的最小的状态。

于是勒梅特提出，宇宙会有一个起始之点。而这个点正是教会方面正在苦苦寻找的上帝创世的时刻。这时勒梅特确信他已经找到了一个完美无缺的宇宙模型：上帝创世时最初是创造了一个“原始原子”，它不断地长大、膨胀起来，就像一颗小小的橡果长大成为一棵参天的橡树那样。同时，这个宇宙完全遵从这个时代的科学“教父”爱因斯坦的数学方程式，这样也就解决了爱因斯坦原来的方程式预言宇宙膨胀而产生的难题。

可是令勒梅特感到失望的是，爱因斯坦本人对他的见解却十分不以为然。爱因斯坦认为，勒梅特并没有很好地掌握有关的物理学原理，而且还暗示，宇宙必然应该是无限、永恒和亘古不变的；原始原子和由此而来的创世时刻的说法是荒谬的。如果连爱因斯坦本人都断然否定勒梅特的观点，那么科学界有谁还能相信他的天方夜谭呢？

然而天主教会方面自然而然地对勒梅特观点颇为满意和赞赏，勒梅特也由此受到鼓舞而对自己的观点坚信不移。时隔不到两年之后，勒梅特听到了一则使他欣喜过望的消息：有更多的证据显示宇宙是处在膨胀之中。哈勃等科学家观测到了许多河外星系光谱的红移现象，按照多普勒效应，这恰恰意味着宇宙在膨胀。

现在只剩下一个时间的问题了。爱因斯坦对哈勃的研究工作很感兴趣并决定到威尔逊山天文台去拜访他。同时，勒梅特在加州理工学院组织了一次专题讲座，还安排了爱因斯坦和哈勃在那里会面。在演讲中，勒梅特一步步地陈述了他的“原始原子”理论，说明宇宙创生于“没有昨天的那一天”。他不厌其烦地展示了导致结论的整个数学推导过程。当演讲结束时，他几乎都不敢相信自己的耳朵了。勒梅特看到爱因斯坦站起来并大声说，这是“我所听到过的最美妙和最完满的演说”，爱因斯坦还表示，制造出一个“宇宙学常数”乃是自己一生中“最大的失误”。

有了一个包含有创生时刻的宇宙模型，这在天主教会看来是一次重大的胜利。这个模型符合《圣经》中所描述的图景，还得到了这个时代的最伟大的科学家的全力支持。而且，如果仔细地分析哈勃的数据，甚至可能得出宇宙的时间标度。先计算河外星系的退行速度（退行速度可从各个星系光谱的红移量得出），和在不同时间的河外星系的距离以及星系之间的相互距离（距离尺度可由分析在每个星系中找到的造父变星的数据得到），然后再把时间上溯，进而计算出所有星系原本集中于一点的那个时刻就成为可能的。这将是勒梅特的所谓宇宙创生的时刻，它大约是在150亿年前。这种起始于一点的、动态的宇宙模型和以前的模型相比较有着本质的不同，它清楚地预示着，关于宇宙是无限和永恒的观念是错误的。

可是，一些有名的科学家——特别是那些坚定的无神论者，却仍然对此持有异议。如果要认真面对宇宙是从比原子还小的某种东西中生长出来的观念，这对他们来说是太荒谬了。在剑桥的一个颇有影响的研究小组已经近乎找到了另外一种解释。他们认为，为什么不能设想我们所看到的仅仅是宇宙的一部分呢？也许我们能看到的这一部分宇宙的确是在膨胀，但是在宇宙的另外的部分，在我们的视线之外的宇宙中，宇宙也许是在沿相反的方向运动，是在收缩着的。宇宙就像一只装满水的在永远不停地冒泡和沸腾的大锅，其中包含了在不同局部位置的膨胀和收缩，总体来看仍是恒稳态的。他们争辩说，爱因斯坦方程毕竟是既容许膨胀，也容许收缩的。

●爱因斯坦（左一）参观哈勃完成了他的历史性观测的威尔逊山天文台。而后爱因斯坦与哈勃、勒梅特一起推心置腹地讨论了他们各自的观点。在这次会见中爱因斯坦意识到他的“宇宙学常数”是一个错误。

恒星的生与死

在主张“稳恒态宇宙”的人中，有当时最有名的科学家之一的弗里德·霍伊尔，他是一位物理学家和坚定的无神论者。稳恒态理论的论点之一是，在宇宙中我们所在的这个正在膨胀的角落里，星系间的相互距离越来越大，会有新生的恒星出现来填补由于膨胀所遗留下来的空间。霍伊尔最重要的科学成就之一，就是从这一点出发而对恒星的生命过程所给出的解释。20世纪初，科学家们在研究构成宇宙的所有化学元素的性质方面，以及组成化学元素的比原子更小的粒子（亚原子粒子）的性质方面，已经取得了重要的进展。当霍伊尔和他的同事们研究恒星的性质时，他们十分清楚地知道，宇宙中最主要的化学元素只能在一种极高的温度和极高的压力条件下才能被合成——这种条件远远超出了任何在地球上曾经存在过的环境条件。这一看法导致了这样的结论，这些最主要的元素可能形成于恒星内部。霍伊尔他们推理出，如果稳恒态宇宙理论要求有新生的恒星来填补星系膨胀后所遗留下来的空间，那么恒星是否也应该具有一种动态的生命过程呢？在这一过程中有诞生有死亡，在恒星生命过程中产生出了各种化学元素。霍伊尔和他的同事们所建立起来的图景概括说来是：当空间中的氢原子由于引力而逐渐地凝聚到一起，形成越来越大的球体时，恒星就这样形成了。在恒星像滚雪球那样越滚越大时，因为引力而造成的恒星内部压力也越来越高。这种压力会逐渐地高到把一些氢原子紧紧地压合在一起，以至于它们将发生聚变反应，形成氦原子，这是比氢重的最轻的原子。

如同任何核反应一样，核聚变过程伴随着巨大的能量释放（在地球上发生这种能量释放的最具戏剧性的例子是氢弹爆炸。但是和在恒星上的核反应相比，氢弹的爆炸应该属于微型的爆炸事件——这就像一个普通的小小气球的爆炸与地球那样大的球体的爆炸的对比关系）。在氢聚变为氦的过程中，能量释放会引发两个方面的作用。一是很大一部分能量产生的向外的压力与正在形成的恒星内部由引力造成的向内的引力方向相反，产生力的平衡，这使得恒星有一个长达数十亿年的相对稳定的状态。尽管在其内部仍在发生着剧烈的核反应，但恒星不会像炸弹那样爆炸解体，也不会由于引力作用而坍塌，这是力的平衡所维系的结果。二是核反应所产生的部分能量变成了光和热从恒星内部向外辐射出来。这样，霍伊尔关于恒星中元素合成的理论也解决了为什么恒星会发光这个古老的天文难题。

●稳恒态宇宙模型的理论家弗里德·霍伊尔（左），赫曼·邦迪（右）。他们同属于一个很小然而影响力却很大的研究组。他们对宇宙起始于一个很小的点的观念进行了严厉的质疑。

然而，霍伊尔等人也指出，恒星上的氢元素总有一天要消耗殆尽。到那时候，氦就成为恒星上主要的元素。由于没有足够量的氢燃料参与核聚变，向外的压力会减小；这时向外的压力和向内的引力的平衡就被打破了。随着引力产生的压力的增强，它把先前核聚变中产生的氦元素压得很紧密，而且越来越紧。于是，在氦原子之间就会发生聚变反应，反应的产物将是更重一点的元素。这样的过程会一步步继续下去，从最初的元素，到二级的生成元素，再到下一级的生成元素……它们依次成为在恒星上占主导地位的元素；这个占主导地位的元素成为恒星中聚变反应的燃料，直到引力形成的压力进一步增加并紧压原子而生成下一个更重的元素。

由于引力的大小取决于恒星总质量的大小，因此有可能通过计算得出不同质量的恒星会有的不同最终结局。当恒星上的聚变过程产生了包括铁的所有元素时，需要极大地增加温度和压力才能引发下一级的聚变。小质量的恒星不能提供如此高的温度和压力，因为它的引力产生的向内压力终归有限，不是足够地大，于是在生成铁以后，聚变反应不能够继续下去了，恒星的死亡阶段即将来临。在引发氦的核聚变之前，并非全部的氢都聚变成了氦；同样地，在引发更下一级的核聚变之前，也并非全部的氦都已聚变出了比氦重的元素。所以，小质量的恒星在死亡之前含有到铁为止所有的轻元素。在恒星死亡并冷却下来之前，所有的较轻的元素都会发散到宇宙空间之中，只留下铁质的星核，还能继续在一段时间内发光发热，这就是白矮星。在进一步冷却成为褐矮星后，冷的铁核将不再发光。如果它在以后的时间中没有机会被引力或宇宙中其他种类的力所推动而与另外的某个天体相碰撞，恒星的这种最后的遗骸将永远留在宇宙空间中。（这一段中的有关提法值得商榷。根据现代通行的恒星演化理论，小质量恒星内部的核聚变一般只发展到其产物是氧、碳等的阶段，并不能发展到聚变产物是铁的阶段，白矮星的主要成分也不是铁元素而是碳等。——译者）

●关于恒星最终结局的艺术创意画。处于前景位置的是一颗褐矮星（右上），两颗白矮星（中上和中左）在各种暗物质（见第八章）之外的远方发出光芒，观察者的位置相当于在某个星系（左下）的边缘上，网格线（右下）表示黑洞（见第十一章）是怎样造成了时间和空间的弯曲。

●这幅超新星爆发事件产生的极其有趣的爆震波（天鹅圈）的照片，是用哈勃空间望远镜拍摄的。爆炸的恒星产生的高温能使广达数十亿英里的宇宙空间发亮，并创造比铁更重的所有元素。

可是，对于质量更大的恒星，即使上面的引力作用不能大到引发产生比铁更重的元素的核聚变，它的巨大的引力也可能对铁核发生挤压作用，直到它发生内爆，这种过程也会释放巨大的能量。于是，恒星将在一次猛烈的爆炸中“寿终正寝”。在爆炸的短时间内，可能形成高温和高压的环境，足以使任何种类的重元素聚合而成。在天文望远镜中已经观测到这类突然出现的所谓超新星事件。超新星爆发的结果是，有巨大的发光尘埃云冲向四周的太空，使得恒星生命中产生的那些元素都散布到了广袤的宇宙空间之中（现在已经知道在超新星爆发中还可能产生出更致密的中子星或脉冲星——一种奇异的辐射出极有规则的高频射电脉冲的天体。这说明在超新星爆发时的极高温度下，会引发不同寻常水平的核反应，在其中可以生成那些最重的元素）。

事实上，霍伊尔和他的同事们所作的一些预言后来都被观测所证实了。使用夫琅和费发现的光谱中的谱线，科学家们分析了来自超新星的光谱，确认了超新星中都有哪些元素。如同霍伊尔和其他稳恒态宇宙的理论家所预示的那样，在超新星中有几乎所有种类的重元素。解开超新星之谜的同时，科学家们使用装备了折射分光系统的望远镜观测了诸多的恒星，在恒星光谱中发现了从最轻的元素一直到铁的几乎所有元素的特征光谱。他们还发现恒星的光有时会减弱一直到消失。而且，因为有关核物理的数学描述越来越臻于完善，人们对核聚变的认识也日趋深刻。毫无疑问，霍伊尔对恒星生命过程的理解是正确的。

初看上去，上述的出色工作支持了稳恒态宇宙理论。因为它不仅表明了恒星可以在宇宙中诞生，而且指出了在恒星上能合成出宇宙中所有的元素。这个理论似乎描绘出了一个很有说服力的图景，至少对于那些无神论者来说是这样；他们希望找到一种途径，使宇宙中万事万物的存在并不需要一个创世时刻和勒梅特的原始原子。至少在当时，构想出一个有着内部动态系统的无限、永恒的宇宙模型来解释哈勃观测到的红移是有可能的。但是，即使是恒星中元素形成这种成功的理论也已经埋下了瓦解其自身的种子。稳恒态宇宙理论最终没能长期地与大爆炸理论相抗争。

第五章
遗迹、奇点和纹波

●拥挤在苍蝇座周围的不计其数的恒星位于我们银河系中一个恒星高度密集的区域，它们只是数十亿个星系中一个星系的一部分，而每个星系又是能量、运动和绝妙事物的独一无二的混合体。很难想象，如此丰富多彩的种种东西怎么能够全都起源于一次爆炸。

大爆炸理论成熟了

来自宇宙的干扰

坠入洞中

宇宙中的纹波

毋庸置疑，关于恒星生命周期的理论是人类智慧所取得的巨大成功。这表现在霍伊尔和他的同事们的稳恒态理论赢得了密切的关注，并且在一段时间内得以与大爆炸理论分庭抗礼。可以肯定地说，作为一位科学家，霍伊尔受到了斯蒂芬·霍金充分的尊敬。在20世纪60年代，斯蒂芬曾经希望霍伊尔作为他在剑桥的博士研究生导师。而实际上斯蒂芬的博士学位是在另一位稳恒态宇宙理论的支持者丹尼斯·夏玛的指导下完成的，夏玛后来转向支持勒梅特的宇宙起源学说。而霍伊尔直到今天还明确地倾向于稳恒态宇宙理论。

大爆炸理论成熟了

有若干证据的出现使得很多人像夏玛那样转变了观念。第一次可能也是最有力的一次对稳恒态理论的打击，是这一理论的拥护者们自己在解释在恒星上形成那些化学元素的过程时出现的。的确，是最初的氢元素在恒星生命过程中形成了后来的所有种类的元素。但这样也就提出了一个问题，最初形成恒星的氢元素又是从何而来的呢？根据亚原子理论（关于原子内部粒子的理论。——译者），需要在超常高温的爆炸中，亚原子粒子才能合成为氢。于是很自然地，人们设想的一种可能性就是，氢元素是在勒梅特的原始原子发生爆炸时极高温度下形成的（这恰是稳恒态宇宙理论的科学家们想要否定的观点）。在20世纪40年代末的一次无线电广播节目中，霍伊尔把这个难题置于一边，并断言对此会存在另外的解释，“如果宇宙起始于一次大爆炸”，他不无嘲讽地说，“这种爆炸理应留下某种遗迹，那就请把它找出来吧。”

●拉尔夫·阿尔弗（左）、汉斯·贝泽（中）和乔治·伽莫夫在1948年联名发表了一篇论文，但是实际上贝泽却没有为这篇文章做任何工作，是伽莫夫为开一个玩笑而加上了贝泽的名字。这篇论文后来被叫作“阿尔法-贝塔-伽马大作”。不过贝泽可不仅仅是一个好听的名字，他荣获了1967年的诺贝尔物理学奖。

然而，更具讽刺的是，霍伊尔为了抨击大爆炸理论而创造出来的名字从此却青史永驻，他对大爆炸理论支持者提出的找出大爆炸遗迹的挑战，却导致了足够支持这个理论的证据的出现。霍伊尔不仅没能驳倒大爆炸理论，从长远来看倒是促进了它的发展。事实上，在1948年，几乎是与霍伊尔和他的两位在剑桥的同事邦迪、戈尔德第一次正式宣布他们的论点支持稳恒态宇宙的同时，另一组物理学家已经收集到了导致与他们相反结论的证据。对于运气不佳的霍伊尔来说，1948年成了因其失误而难忘的一年。

来自宇宙的干扰

1948年，乔治·伽莫夫和他的学生拉尔夫·阿尔弗得出结论，如果发生过大爆炸，霍伊尔所说的大爆炸遗迹就应该存在。他们经过计算，认为爆炸时曾产生出大量的热，以合成形成第一批恒星所需要的氢元素，事实上还同时合成了一些氦元素。按照他们的说法，氢元素占80%，氦元素占20%。这一比例与用夫琅和费的光谱分析方法得到的最早期的星系中氢和氦的比例完全相符。他们还坚信，合成这些元素的高温火球的剩余热量到了100多亿年后的今天也不会完全消失。

伽莫夫本性幽默，他在汉斯·贝泽事先一无所知的情况下，就把他列为论文的署名者之一，目的仅仅是凑成“阿尔弗，贝泽，伽莫夫”三位作者，而这三个姓氏的字头正好与希腊字母中的前三个“α，β，γ”谐音。伽莫夫了解贝泽，知道他绝不会为这个玩笑而恼怒。不过，他却没能想到后来会有更大的笑话发生，任何聪明的人对此都始料不及，这后来在科学界中传为佳话。

在20世纪60年代，美国新泽西州的普林斯顿大学有一个研究小组，正在计划寻找伽莫夫等人的论文中所预言的背景辐射（即霍伊尔认为不可能找到的“遗迹” ）。他们精心地设计着相关的实验。为了从来自宇宙中的诸多信号中提取出他们要寻找的微弱辐射，所用的仪器必须经过仔细的校准。而且，为了用已知的温度来为探测对象的温度定标，他们还在实验中准备了一个“冷源”。在这个小组中工作的罗伯特·狄克和他的同事们，自信已经把探测仪器设计得完美无缺。有一天午餐时间，他们正在一边品味三明治，一边讨论下一步的工作，忽然电话铃响了，去接电话的是狄克。打电话来的是受顾于贝尔电话实验室的工程师彭齐亚斯和威尔逊，他们正在准备无线电接收天线以进行卫星传输实验。在他们的工作中遇到了一些“干扰”问题。为了排除“干扰”，他们检查了天线，甚至清除了巨大牛角形天线中的鸽子粪便——但是“不幸”的是“干扰”依旧如故。为了确定在各个方向上都存在的“干扰”的温度，他们也和狄克小组一样在探测系统中附加了一个“冷源”。当他们得知狄克小组正在倾注全力研究宇宙辐射时，便主动地来联系，希望得到帮助以弄清“干扰”的问题。

实际上，彭齐亚斯和威尔逊已经对那恼人的“干扰”的性质了如指掌。当狄克的同事们把在电话交谈中得到的信息综合起来时，他们开始渐渐沉默了。从电话中他们知道在电话的另一端有人正在用冷源确定所探测到的辐射的温度，知道了这个温度比绝对零度高3度、总保持在3K，这个辐射来自空间的所有方向上。狄克的情绪变得一落千丈，他的同事们也都有相同的感觉。这次电话之后，狄克说：“我们输掉了。”他们原先满怀希望以为这项发现能获得诺贝尔奖，结果别人已经率先发现了这种辐射。贝尔电话实验室的这两位工程师可谓精明能干，他们偶然地发现了邻居的科学家小组正在努力寻找的东西，即霍伊尔提到过的大爆炸遗迹。彭齐亚斯和威尔逊最终荣获了诺贝尔奖。

●普林斯顿大学的大卫·威尔金森和他为探测大爆炸遗留下来的辐射而帮助研制的角形天线。

●贝尔实验室的巨型牛角形天线（左图）。鲍伯·威尔逊和阿诺·彭齐亚斯（右图）用这架天线偶然地发现了大爆炸遗留下来的宇宙微波背景辐射，并荣获1978年诺贝尔物理学奖。

坠入洞中

不管是谁发现了宇宙背景辐射，大爆炸学说终于得到了强有力的实验证据。这是在斯蒂芬·霍金正在攻读博士学位期间发生的事情，也可能是致使他选择大爆炸理论和爱因斯坦相对论作为博士论文主题的原因之一。你可能还记得，当爱因斯坦会见哈勃和勒梅特，并承认他的“宇宙学常数”是一个巨大的失误时，他的方程预示着宇宙处在微微膨胀的状态之中。这正好可以回答牛顿对于他自己的无限永恒的宇宙模型所感到困惑的那个问题：既然宇宙无疑地是被万有引力所主宰，为什么全宇宙的物质没有最终地凝聚为一体呢？现在有了一个现成的答案：已经为哈勃观测到和为爱因斯坦所预言到的宇宙的膨胀趋势，从相反的方向抵消掉了万有引力。

鉴于以上的事实，一些理论物理学家开始研究相对论的方程，看它对宇宙另外还能预示着什么。因为斯蒂芬·霍金计划把与此相关的问题作为学位论文的专题，导师夏玛就到牛津大学去，听取正在研究爱因斯坦理论的数学家罗杰·彭洛斯的相关见解。彭洛斯正在研究爱因斯坦方程可能导致的另一种结果，即由于引力的驱使，宇宙中大量的物质会坠入一个体积不断变小、密度不断变大的很小区域中，他称这个区域为“奇点”。

对于物理定律，科学家们承认，这种情形在一定条件下具有理论的意义；但如果这些条件不具备，那么如果发生坍塌，那些曾正确预示会发生坍塌的物理定律就会全部乱套。为了尽量维持物理定律不至于变得无效，科学家们希望从数学上能推演出另外的结果来取代坍塌。然而数学却未遂人愿，彭洛斯的结果显示坍塌在所难免。对于一般公众来说，这种物质的坍塌既荒唐而又难以置信；科学家们要将其视为像日常生活那样真实也非易事。然而我们在后面将看到，这的确有着极大的理论意义。事实上，彭洛斯所描述的正是一个黑洞，坠入黑洞中的全部物质都会被压缩到一个奇点上。斯蒂芬·霍金意识到，如果把时间反演、把彭洛斯所描述的坍塌过程逆过来，那就恰恰是大爆炸的过程。斯蒂芬推论说，彭洛斯的奇点，就是爱因斯坦理论中等同于勒梅特所说的原始原子的东西，它会发生大爆炸，其过程与黑洞的物质坍塌过程相反，并把物质释放出来。

斯蒂芬·霍金和彭洛斯在1970年发表的论文中用数学方法证明，如果爱因斯坦方程是正确的，则黑洞必然要导致奇点，它必定在宇宙形成之始就存在了。这时，物理学就面临着一种危机，即如果物理学定律不适用于宇宙诞生的那个时刻，那么它们就不具有普遍的适用性。但是相当多的物理学家此时已经接受了“宇宙诞生于一次大爆炸”的说法，他们似乎不需要更多的解释。因为那篇论文论述的基点是爱因斯坦方程是正确的——迄今所有的观测证据都支持爱因斯坦方程的正确性，所以宇宙只能诞生于一次大爆炸，因为这是爱因斯坦方程可能导致的唯一结果。

●毕业于牛津大学之后，斯蒂芬·霍金作为研究生于1963年来到了剑桥大学。

天主教会方面则高兴地看到，霍金的观点支持了勒梅特牧师的宇宙创生模型，于是给他颁发了“罗马教皇奖章”。这或许是一个公开的象征，说明始于伽利略时代的教会与科学界不和谐的关系已经修复。尽管如果教会发现伽利略乃是斯蒂芬·霍金心目中的英雄时，难免陷于尴尬。

●罗杰·彭洛斯（站在汽车踏板上）在丹尼斯·夏玛（他的旁边）说服下，将他的非凡数学才能应用于宇宙学研究。夏玛当时是霍金的博士学业的导师，所以他是霍金和彭洛斯合作的促进者。

宇宙中的纹波

斯蒂芬·霍金关于奇点问题的研究为宇宙大爆炸理论提供了理论上的依据。大爆炸理论的最新的实验证据（有人认为是决定性的证据），得自于“宇宙背景探索者”卫星（COBE）。彭齐亚斯和威尔逊在1965年发现了大爆炸遗留下来的宇宙微波背景辐射之后，霍伊尔等人认为温度太均匀了，不可能导致星系在其中演化成功。而如果对宇宙背景辐射的解释不是来自大爆炸，就会给稳恒态宇宙模型留下立足之地。面对这一挑战促使一部分大爆炸理论的支持者开始努力寻找宇宙背景辐射中的扰动（即微小的温度变化，这样星系在其中就有形成的机会）。

如果在宇宙背景辐射中没有微小的温度差异，那么在宇宙的演化中就不会有任何变化发生。一切都存在于一碗热量均匀的能量汤中。当亚原子粒子出现时，它们会均匀地向四面八方散开。物质的分布状态没有致密和稀疏之分，到处都是均匀的。但是，宇宙真实的演化过程却绝非如此。大量的物质会凝聚到一起而形成星系，在星系与星系之间隔着巨大的空间。在宇宙演化的最初阶段，只要在不同的空间存在很小的温差，就能解释上述的演化过程。在温度稍高一些的点上会有较高的能量，那里也聚集了较多的物质粒子。引力将这些较密的粒子群吸引到一起，形成更紧密的团块，此后还会把形成于较冷区域的粒子都吸引过来。较冷区域失去了物质粒子，变成了星系之间的空间地带；而在温度较高的区域的物质粒子则形成了最初的星系。

●彭洛斯所描述的恒星坍塌为一个奇点的过程是对黑洞（见第十一章）的最好的理论解释。这幅艺术创意画把奇点描绘成在黑洞深处的一个黑点，它是这样的致密，包括光在内的所有东西都不能逃脱它的引力场。在外面的三条光线受到奇点和黑洞的引力作用而弯曲，但它们最终还是逃脱了。第四条光线恰好处于被截获和能逃脱的临界状态而绕黑洞运动。在最里面的第五条光线则完全被截获了，它永远不能再从黑洞逃脱。

伯克利大学的物理学家乔治·斯姆特和一组实验宇宙学家，想在实验上证明大爆炸理论是正确的。为达此目的，他们想找到宇宙背景辐射中的微小温度变化。他们认为最初在彭齐亚斯和威尔逊的实验中所用的仪器根本不能探测到这种变化，于是他们必须研制出一套有足够高灵敏度和高精度的仪器，并且要尽量消除各种可能的干扰。例如地球大气层也能引起背景辐射的微小温度变化。

为了把重量和体积像一辆小汽车大小的复杂设备送上天空，他们原计划使用充氦气球。这只气球要有一个足球场那样大，但气球的壁会像塑料袋那样薄，因此它很脆弱。它也很容易受风的影响而改变方向，致使操作人员很难得知气球进行观测的位置。当然可以遥控气球的位置和取得观测数据，但在观测结束引爆气球并打开降落伞让设备徐徐落下时，很不容易控制使它落在安全和方便的地方。如果这些昂贵的设备有任何损坏，显然所付出的代价是很高的。

出于上述这些理由，他们选择的下一个方案是使用U2飞机。一个特制的机舱盖用来把灵敏的探测器直接固定在机舱之外，因为即使透过机舱窗口上的玻璃也会对他们的观测形成障碍。他们后来还发现，飞机不停的飞行和有限的飞行时间也对观测造成了不利的影响。因为飞机不能像气球那样驻留在高空的同一个位置上，而且由于燃料问题，即使飞机重复飞过天空的某一点，也难以取得足够的数据。看来，正如他们早已预见到的那样，唯一最现实的选择应该是人造卫星。人造卫星完全在地球大气层之外工作，可以借助于小型电机来遥控点火，使它准确停留在地球同步轨道的指定位置上，这使得它作为一个观测平台有和气球一样的稳定的效果，同时有优越的工作环境。

这些科学家知道，从美国国家航空与航天局（NASA）为他们的实验争取一个机会，可不是一件容易的事，但他们依然非常认真地做着准备。令人欣喜的是，他们居然得到了发射卫星进行实验的机会。在完成了卫星制造和所有设备及遥控系统的测试之后，由于NASA的航天器方面的问题，发射计划被推迟了一段时间。1989年，他们的计划终于付诸实施了。COBE卫星由火箭携带升空，几乎立即就接收到了从卫星发射回来的准确无误的观测数据。他们很快就对彭齐亚斯和威尔逊的宇宙背景辐射观测结果进行了确认；但后来又花了两年的时间来处理COBE的数据，消除干扰和模糊不清之处，最终由计算机绘制出了图像。

●如果宇宙起源于大爆炸，则宇宙要成为我们今天看到的宇宙，下述关键的东西必定是真实的：

（1）大爆炸后的一秒钟内，所产生的能量的温度必须有微小的不均匀性，这种不均匀性只能在“热雾”冷却到一定程度后变得透明时被探测到；

（2）这种冷却出现在大爆炸发生30万年后；

（3）由于这种微小的温度差异的存在，星系及星系间的空间才得以形成。

●乔治·斯姆特与他的研究组讨论他们用过的一个早期探测器的细节。他们研制的探测器必须比彭齐亚斯和威尔逊的探测器灵敏得多，才能保证观测到背景辐射中的微小温度差异。

1992年初，斯姆特发现了一件事令他激动不已。在计算机根据COBE数据绘制的一张关于早期宇宙的图上，显示出了结构上的细微变化。虽然斯姆特认为这种变化是真实的，但是为了保证这些变化的绝对真实，他还是要求组内的一位同事独立地再次处理这些数据，但是仅告诉这位同事，他认为有一种特殊的处理方法看来是很有希望的。第二天早上，斯姆特在办公室门下发现了一张计算机图像，这张图和斯姆特自己用计算机绘制出来的一模一样，上面还贴有一张写着“Eureka”字样的纸条（据说当阿基米德发现关于浮力的阿基米德原理时，曾高喊着“Eureka”，意为“我找到了” ）。

斯姆特用粉红色和蓝色分别来代表计算机图像中温度较高和温度较低的区域，这种图像一时间就传遍全球。通过COBE观测到的宇宙背景变化的结果曾受到质疑，并被反复地核实和验证，但不久后其意义就得到广泛承认。由大爆炸所遗留下来的宇宙背景辐射中确实存在着细微的温度变化，使得星系从中得以形成并演化成今天的样子。大爆炸理论再次得到实验的支持。

从勒梅特在1927年提出关于原始原子的设想，到霍金对相对论的研究以及COBE的观测结果对大爆炸理论的进一步证实，这一过程跨越了不足50年。与托勒密的地心说在1500年中一直占统治地位相比，前一过程是非常短的。而牛顿的无限、永恒的宇宙模型也曾在长达近200年中独领风骚。所以，尽管大爆炸理论现在被人们普遍地接受了，但在今天它也并非被完全彻底地接受。毕竟，要人们相信在我们这个多彩的星球上的万事万物，包括山脉、海洋、动物、植物，还有我们人类自己，都是来自一个奇点，一个比原子更小但是密度却异乎寻常地高的东西，这真是太勉为其难了。

●建造中的COBE卫星。它所需要的探测器要能经受得住卫星发射升空时产生的应力，并仍然能够记录下它所探测到的辐射中不到一度的温度差异。

地球的质量虽然巨大，但在宇宙中不过就像汪洋大海中的一滴水。如果大爆炸理论是正确的，那么大爆炸一定产生了构成围绕太阳运行的行星的所有物质，这也包括我们的地球。而太阳也不过是银河系中几十亿颗星星中的一颗小星星（现代天文学认为银河系中有1000亿颗以上恒星。——译者）。在宇宙中的几十亿个星系中的每一个星系都是在大爆炸后从一个奇点中产生出来的（迄今为止天文学家已经观测到的河外星系超过了1000亿个。——译者）。大爆炸发生后，星系们都在相互远离而去，一直到150亿年以后的今天，膨胀仍然在继续。

●COBE卫星发射升空。

●（左图）乔治·斯姆特和他最早使用过的一种探测宇宙背景辐射不均匀性的角状天线，他认为这种不均匀性的存在可以导致在大爆炸后星系等的形成。

（右图）计算机绘制的宇宙背景辐射图，它揭示了不均匀性的存在。斯姆特将其比喻为“宇宙蛋”，从中可以孵化出宇宙的一切。

如果从哈勃红移的计算结果出发，把空间和时间上溯，就会出现所有的星系都集中在一个点上的情况，这是一个必然出现的结果，也是在20世纪中物理学得到的一个最令人吃惊的成就。存在众多的各种证据说明这个结论是正确的，所以现在要推翻它是越来越困难了。除了哈勃的观测结果之外，爱因斯坦的广义相对论、斯蒂芬·霍金后来的研究都支持了这种理论。彭齐亚斯和威尔逊以及斯姆特的最新观测结果都显示出，我们有能力掌握宇宙的宏观运动状态，尽管初看起来这是很困难的。在宏观物理学研究取得如此惊人的成就的同时，微观物理学也同样迅速地发展着。这个另外的物理学分支有助于我们对物质的本性有更多的了解，从而有可能揭示宇宙中大量的物质是从何而来的奥秘。

第六章
原子的故事

●在有些星系的中心，用望远镜看到了向空间射出的长达数十亿英里的物质喷流。人们不禁遐想，有些喷流可能会形成与我们的地球相似的行星，甚至我们自己的血肉之躯也许是由这样的喷流形成的。

大大小小的万事万物

是巫师还是科学家

称量元素

门捷列夫洗纸牌

温暖的蓝光

大大小小的万事万物

古希腊人对周围世界的一切都寄予深深的思索，正如他们对宇宙本质的冥思苦想一样。他们的思想不知不觉地演变成物理学的一个分支。这个分支与宇宙学和天文学平行发展，但与它们没有结合在一起。到了20世纪，人类对宇宙本质的认识，已经从毕达哥拉斯和埃拉托西尼的数学表述发展到了爱因斯坦的数学表述。他们都试图用方程和公式来描述太阳、恒星和行星等的纷繁复杂的关系。而爱因斯坦的理论主要是关于时间、空间和引力的本质的，并不涉及微观的原子的组成与排列方式。物理学在爱因斯坦相对论那里达到了登峰造极，被认为是宏观物理学。但研究微观世界的问题也是十分必要的——今天我们称之为粒子物理或量子物理，然而微观物理学与宏观物理学的发展模式却截然不同。

宏观物理学仍旧按照经典物理学的模式发展。关于宇宙本质的理论，要用精心的观测或实验的结果来判断它正确与否。这种观测或实验的结果又可以导致新的科学观点的出现，而新观点同样要用观测和实验来决定其生死存亡。托勒密的宇宙观看似正确无误，但伽利略的观测结果一旦出现，就导致了它的寿终正寝，给建立在牛顿运动理论基础之上的新宇宙学问世创造了契机。多普勒效应和夫琅和费关于物质特征光谱的发现，都是经过了实验的检验和确认的，这使得建立在哈勃观测结果基础上的、起始于一个奇点的宇宙模型问世成为可能。爱因斯坦的数学表明了，这样的宇宙是怎样演化的和它怎样服从于关于时间、空间的物理定律，但却没有能完全解释宇宙中的物质（包括星系和其中的几十亿颗恒星、我们的太阳和它所属的行星）是如何从唯一的基本的初始状态——勒梅特的原始原子中创生出来的。

认为万事万物是由一种或若干种基本物质组成的观念可谓由来已久。古希腊人和他们以前的人类一样，认为气、水、火、土这四种物质构成了我们周围的各种物体。气、水、火、土总是通过某种方式结合起来而组成万事万物。它们中的每一个都有独特的能力。例如水可以溶解物质，火可以加热和熔化物质，空气能吹散火和使水蒸发，土是固体物质，它使其他三种物质可以作用于它而产生新的物质。

古希腊人也坚信，所有物质都可以被不断地切分得越来越小，一直到不能再分下去为止。这种不能再分的最小碎块他们称之为原子。在希腊语中“原子”一词即“不能分割”的意思。所以，当毕达哥拉斯试图用数学的和谐来描述地球和恒星之间的关系时，人们也逐渐地倾向于相信在地球上的各种物质之间也应该具有类似的和谐的关系；存在着一些基本的结合方式和顺序，可以用来解释这些物质之间的关系。

●一直到1500年前后，在欧洲人们还认为由四种基本元素组成了自然界的所有物质。这四种基本元素是气、水、火、土。画中的飞鸟代表了不可见的空气，而土则被认为可以包容其他所有的物质。

是巫师还是科学家

研究物质基本结构的工作在最初时并不是为了认识世界的目的，而是在试验能否把一种物质变成另一种物质。最早进行那些实验的是一些炼金术士，实验是很不科学的。在炼金术士头脑里更多的是迷信和非常古老的观念。炼金术是要找寻一种方法把一些普通金属变成如黄金这样的贵金属。炼金术士们相信，依靠火的力量再加上一些合适的神奇的配方就可以把一种元素变成另一种元素；他们要做的就是在合适的条件下不断地把一些物质混合、加热，并认为终将碰巧达到目的。他们把粪和尿这些令人厌恶的东西溶入水中，有些气体就会从这种混合物中生成。

他们把一些固态物熔化后混合到一起，或者从熔化的混合物质中分离出一种物质来。然而这些都不能实现炼金术士们预想的那种物质之间的神奇转变。于是他们转而求救于占星术和神秘主义，企图另寻途径找到物质转变的秘密。这样，他们就放弃了原先认为火这种来自太阳和恒星的能量可以创造出新的物质的信念。事实上，当教会成为当时的学术中心时，它就宣布炼金术是魔法和巫术，下命令查封或焚毁炼金术的文献。

●这幅15世纪的绘画把炼金术士表现为庸医。由于炼金术并不能真的点石成金，甚至在中世纪它就已经名声扫地。

然而，我们从后文将看到，炼金术士们已经相当接近正确地认识物质的科学本原和宇宙中无限多的各种物质的来源，这一点颇有些不可思议了。炼金术士们毕竟相信来自太阳和来自恒星的能量有一定的联系。尽管遭到教会方面的抨击，但炼金术确实给科学提供了研究认识物质本性的很多有用的东西。

称量元素

炼金术士们的全部分解、溶解、气化和熔化物质的技术，都被最早的化学家们继承下来，用于分解他们可以得到的物质。不久之后他们就意识到，有许多东西是由一种或多种化学物质组成的化合物，可以用与炼金术士们使用的非常相似的方法把化合物分解开来并予以辨认。化学家们还进一步认出了不能再继续分解下去的化学物质，这些似乎是最基本的物质，所以称之为元素。他们假定元素是组成所有物质的基础。

当然，最早的化学家们不可能想到，在20世纪时，按照大爆炸理论，科学会认为所有的物质都来自单一本原。所以在理论上他们不曾去关心已经发现的各种化学元素相互之间是否有着一定的联系，或者是否存在把一种元素转变成另一种元素的可能性，然而他们也不大相信各种物质之间完全不存在联系。在这个时候已经发现了60种以上的化学元素。显而易见，古代的关于气、火、水、土是构成所有物质的本原的理论是错误的，可是，如果60多种不同的元素都可以归结为各自的基本原子，那么作为物质基础的原子的种类又似乎太多了。

当时，原子是物质的基础的观念没有受到质疑。人们接受了这样一种观念，一种元素可能分解到的最小“碎片”就是那种元素的原子。对早期的化学家们来说，发现各种元素之间的奇妙关系似乎比弄清楚原子的性质更重要，所以当时化学研究的焦点集中在怎样区分不同种类的原子这一问题上。化学家们注意到，有不同种类的元素的性质在某些方面是相似的。例如，所有的酸都能溶解金属，一些气体很容易燃烧，有些却能迫使正在燃烧的蜡烛熄灭。于是，化学家们自然地想到应该把化学元素分组归类，并且按照呈现出的不同性质给化学元素排序。这是当时化学家们面对的一个非常有趣的挑战性课题；并且，这一课题开始时并没有和确定已经发现的各种元素的原子的大小、重量和质量的工作发生任何联系。

事实上，测算有关原子的这些细节是一项非同小可的工作，人们没有办法剥离一个原子并对它称重和度量；然而一件可能做到的事是，在化学物质混合起来发生化学反应之前对它们称重和度量；而在发生化学反应之后，再测量出化学反应中产生的新化合物的重量和体积。通过这种方法，化学家们建立了关于不同元素的重量和体积的相对大小的认识。有些物质数量很大然而却很轻，有的物质数量不多相对说来却很重。化学家们也认识到，将某种物质的温度升高一定度数总是需要一定量的热量，而将另一种不同的物质的温度升高同样度数则可能需要不同数量的热量。可以用一个特殊的数字来表示升高每一种物质的温度所需的热量，这个数字叫作比热。从与各种元素相关的这一系列数字量，化学家们能得到表示每一种元素原子质量的数字量。尽管当时化学家们还不能用毫米或毫克为单位来表示出每一种元素原子的大小和质量，但至少他们能以一种元素为标准单位，然后计算出其他元素的相对值来。最初是以氧为标准单位，后来是用碳作标准单位，关键之处是对每一种元素都给出了质量或原子量的数值。

●多米特里·门捷列夫（1834—1907）是家里14个孩子中最小的一个。最初他显得是一位很平常的学者，但后来却出乎人们意料地在化学研究中取得了突破，成为世界著名的科学家。

然而，早期给出的各种元素的原子量似乎有些随意性，并且看不出它与60多种不同元素类似或不同的化学性质之间的关系，所以这些数字曾被认为就如已发现的元素种类数一样，是没有什么意义的数字。化学家们由此认为，不管会发现多少种元素，也不管元素的原子量是多少，原子量将不会揭示不同元素之间的关系，不同元素化学性质的相似性也与原子量无关——一直到多米特里·门捷列夫才证明并非如此。

门捷列夫洗纸牌

看来从孩提时代起门捷列夫就对化学怀有浓厚的兴趣。他的母亲在西伯利亚开着一间玻璃制造工场，在那里为了对在熔炉中熔化的玻璃染色，使用了很多种化学制剂。门捷列夫目睹了人们仔细地对加入玻璃的化学制剂称重以控制玻璃的不同颜色，这使得门捷列夫意识到，不同元素的原子量比以前人们所理解到的可能还要重要得多。

后来，在玻璃制造工场毁于一场大火之后，母亲认为到了该认真地考虑儿子前程问题的时候了。1848年，为了让门捷列夫能到彼得堡读大学，他们开始了从西伯利亚到彼得堡的长途旅行。据说他们用了两年的时间才走完这段2250公里的路程。也就在刚刚到达彼得堡的时候，母亲就去世了。但是她的决定已经给儿子选择了终生的事业。像许多学子一样，门捷列夫终于有了自己的生计。他为一项政府计划工作，受命把一些石油产品分类。由此，门捷列夫得到了一种认识方面的启发。他从这里想到，所有的物质都能按某种方式分类，特别是各种化学元素。

据说在一天晚上，门捷列夫正在写作他的关于这一题目的论文，但还没有想好怎样最后完成它。他感到有些累了，于是就躺倒在床上。然而在梦乡之中他却找到了他要找的灵感。为什么不按原子量来对各种元素分类呢？他突然间感觉到这种分类方法要比按元素的化学性质来分类优越得多。他拿出了一副扑克牌——看来门捷列夫很喜欢打扑克牌——把已知的各种元素的符号和原子量都各自写在一张牌上。然后就思考着怎样排列每一张牌。

门捷列夫终于有了重要的发现，不管是在梦中还是在排列纸牌的桌上。如果作两项假定，则初看起来没有任何关联的各种元素的原子量就变成了非常有意义的序列。这两项假定是，在一些已经发现的元素之间还有某些尚未发现的元素，以及已经知道的一些元素的原子量需要做一定的稍许改变（当时还没能精确地测量一些元素的原子量，这些假定今天看来并非不合理）。在对纸牌的顺序进行了若干次移动和调整之后，门捷列夫终于发现了第一版的正确的元素周期表。在其中元素被分成了不同的族，在每一族中各种元素的原子量的差别是有规则的。

●将各种不同比例的化学品与熔融的玻璃混合，可以得到各种各样的颜色。大概就是这种生产过程使门捷列夫最先想到了原子量的重要性。

●叶夫根尼·巴巴耶夫教授对门捷列夫发现周期表的方法赞叹不已。

当时门捷列夫并不很明白为什么各种元素会结成这样一种关系。但是，后来人们发现，每一种新元素的发现就正好能填补元素周期表上留下的一个空缺，这就证明了门捷列夫是正确的。现在我们知道，原子量每增加1就可以解释为增加了一个亚原子粒子，同时导致了从一种元素到下一种元素的变化。不同元素之间的差异就来自组成各种元素的原子内部的粒子数的差异。假如没有门捷列夫的发现，我们的认识就不能达到这样深刻的程度。他给我们指明了理解物质本性的正确方向以及各种元素之间的关系。如果我们认为所有物质都来自大爆炸，就必然存在着一种途径；沿着这个途径，所有的元素、所有的物质从那个共同起点上演化到了今天的形态。

温暖的蓝光

据说门捷列夫去世之前曾经说，如果要更深入地了解物质的本性，应该更仔细地研究元素铀。若是门捷列夫真的这样说过，那么他的预言就真的是很神奇的。因为在19世纪末，特别是在法国，元素铀的性质给原子不可分的观念带来了质疑。亨利·贝克勒尔是持有这种质疑的人之一，他发现了铀似乎在发射某种射线，继而决心弄清楚辐射出来的到底是什么。作为第一步，贝克勒尔想看看铀的辐射是否如他猜想的那样是一种能量。他从一开始就相信太阳光能够激发这种能量释放，并能使照相底片感光（当时刚刚发明了摄影术）。贝克勒尔用厚的黑纸把一张没有曝光的底片包起来，再小心翼翼地把几块晶体铀盐放在黑纸包的上面。可是因为适逢天气转阴，他决定把实验推迟几天。于是他把这些东西都收藏到一个大抽屉里，等待着晴天的到来。当天气放晴，他再取出他的试验品时，所发生的事情却使他大吃一惊。

更多的是出于直觉的驱使，贝克勒尔在暗室中打开黑纸包并使底片显影，他的直觉得到了回报，底片上的接近铀晶体的位置上出现了黑影，其效果就如同这里发生了曝光一样。当然整个底片是没有曝光的，这无疑地是铀晶体所发出的辐射所导致的结果。与光相比有所不同的是，铀的辐射有穿透黑纸的能力。

早在60年前，米歇尔·法拉第就发明了发电的方法，在贝克勒尔的时代科学家们已经能用测量电流强度的办法来测量各种形式的功率和能量。在巴黎，皮埃尔·居里和玛丽亚·居里夫妇决定设计一个实验来测量贝克勒尔所发现的来自铀的辐射的强度。他们已经了解到，沿着其在空气中传播的轨迹，铀的辐射具有导电的性能，所以对一个放置铀样品的金属板充以电荷，然后测试铀的辐射是否能把电荷传递到放置在它的正上方的另一个金属板上。像金和铜等别的元素是不会具有这种性能的，但铀却可以；实验结果显示了来自铀的辐射的确能使空气具有导电的能力。

为了确认有关铀辐射的强度，居里夫妇又设计了可以重复进行的实验，实验的具体目的是，在使用更多铀样品和对下方的金属板充以更多的电荷的条件下，测量辐射强度是不是恒定的。虽然没有办法直接测量辐射强度，但从法拉第的研究中已经知道电流可以使导线发生偏转，所以他们就把上方的金属板和一根导线连接起来；结果确定无疑地表明，由于有从下方的金属板到上方的金属板的电流通过，导线发生了偏转。然后，他们另外产生一个其强度可以精确控制的电流，以反方向通入同一根导线中，这个电流会使导线向相反的方向偏转。在使导线回到原来的位置后，测量出这个反向电流的大小，就知道了需要多少能量才能与铀样品所辐射出的能量相平衡，这样就能计算出辐射能量的大小了。

居里夫妇非常仔细地进行了他们的可重复实验，使得他们得以测量出铀辐射能量的微小变化。这是他们的不朽功绩。他们接着发现了一些不同寻常的现象。他们提取铀的原材料本来是沥青铀矿，后来他们设想，如果直接使用这种未经提纯的原材料而不用提取出来的铀，也许会节省时间。在使用原材料的实验中，考虑到杂质的原因，他们原先估计只能测量到较弱的电流，然而出乎意料的是，这时他们所测量到的电流比以前使用纯铀做实验时得到的电流强度要大得多。对这一现象只有一种可能的解释，即在沥青铀矿中含有一种与铀不同的新元素，它能产生比铀的辐射更强的辐射。现在面临的一个挑战是，怎样把这种新的未知元素分离出来。

为了把沥青铀矿的成分分离出来，居里夫妇进行了艰苦的工作。他们使用了所有的传统化学方法，包括加热和溶解等。在每一阶段他们都要弄清楚分离出来的物质是什么，他们燃烧这些物质，用折射方法得到物质的光谱，然后观察在光谱中能得到怎样的夫琅和费线图样。如果他们发现了全新的谱线图样，就进而分析这是不是某种新元素的光指纹。实际上，他们在沥青铀矿中发现了除铀以外的两种新的放射性元素，一种是钋（以玛丽亚·居里的祖国波兰为其命名），另一种是镭。

●亨利·贝克勒尔（右图）（1852—1908）在无意中发现了放射性。他起初认为只有在阳光照射下铀盐才能对底片发生作用。因为遇到了阴天，他把铀盐放在了包着底片的黑纸包上面，又把它们一同放在抽屉里等待晴天的到来。三天之后他把底片拿出来显影，发现底片已经在铀盐作用下产生了斑块（上图），尽管黑纸包从未打开过。

●玛丽亚·居里（1868—1934）了解到了贝克勒尔的发现，便立刻决定把更深入研究物质放射性本质作为她自己的研究生学位论文的基本内容。

第二种元素镭几乎是人皆尽知而且难忘的。在化学中它具有无可怀疑的重要性，居里夫妇计算出了它的原子量，它正好填补了门捷列夫留下的未知元素造成的在元素周期表上的一个空缺位置。它也受到了一般公众的关注，即使是最不具备科学素养的人也很容易理解镭的辐射是能量的一种形式。居里夫妇分离出了少量纯净的镭，它在夜间的实验室中闪闪发光。这种美丽的蓝色光于是被认为是有益的和奇妙的光芒，是一种可以用来治疗疾病的和用作装饰物的美好的光芒。有一位在巴黎女神游乐厅表演的女舞蹈演员，甚至请求居里夫妇给她提供一件覆盖着镭的舞服，好让她在黑暗中翩翩起舞。

当时还没有认识到镭的放射性辐射对人体是非常有害的。皮埃尔·居里曾经因为用手拿了沥青铀矿而致使他的手受到灼伤。居里夫妇二人的去世都被证明是与他们暴露在镭的辐射之中有关。不管怎样，从镭的原子中辐射出来数量可观的能量是千真万确的事实，这能量所携带的热和光使当时不仅仅包括科学家的许许多多的人着迷和倾倒。那么，一项挑战又摆在了科学家的面前，在镭原子内部发生了什么事情使得它向外辐射能量？

●玛丽亚和皮埃尔·居里夫妇率先发现镭时，人们想当然地赞赏镭是一种奇妙的好东西。当时无人意识到放射性也有其负面作用。

●1909年已经发现镭具有强大的医疗功用。人们毫不犹豫地立即付诸应用，甚至用于纯粹的化妆品。它似乎能够有效去除难看的胎记。

虽然对物质本性的研究似乎不是宇宙学家们直接关注的事情，但这些问题的解决对他们来说也是非常重要的。这个时候，牛顿的无限永恒宇宙模型仍然占有统治的地位。持无神论观点的科学家们不想接受上帝创造宇宙的说法，所以解释清楚所有已知元素在宇宙中是怎样自然地演变的就成了最具关键性的任务，这似乎是反驳宗教的神创论者们的最有效的途径。神创论者们宣称，宇宙中存在着如此之多种类的物质，而且能以我们认识到的这种方式来创造世界，这只能是神的智慧的结果。在居里夫妇的时代，对神创论持反对意见的人们对宇宙中物质的演变过程还所知甚少。组成各种元素的原子似乎是作为组成万物的基础材料而存在的。门捷列夫的元素周期表显示出各种原子之间有一种可以预知的关系，但只有这些还不够，还不能给出为什么会存在各种元素这个问题的完美解释。

●很快地又开发了镭的商业用途，带夜光的钟表成为流行时尚。镭所发出的温暖的蓝光甚至被认为可以用来固定发型。

有些元素的原子会辐射出能量，这一现象的发现暗示着，对物质本性可能会有一种全新的解释。会不会存在比原子更小的粒子？如果存在，它会不会对科学家们理解宇宙中各种物质的演变过程有所帮助，而不必要去借助于神创论了呢？于是，比原子更小的亚原子物理学的时代来临了。它只用了20世纪开始的几十年的时间，就使得维系了2000多年的观念归于破产，原先认为是不可分的原子终于被证明是可分的了。

第七章
创造一切的能量

●我们觉得我们的地球十分庞大，但它不过是大爆炸的能量所创造的宇宙中全部物质的极小部分而已。

因近于炼金术而不安

解析原子

回到爱因斯坦

云雾室中的径迹

寻找反物质

模拟大爆炸

迄今为止的故事

因近于炼金术而不安

恩内斯特·卢瑟福是一位来自新西兰的实验物理学家、居里夫妇的朋友。他决定把居里夫妇关于镭的实验继续下去。他发现了一种精度更高的方法来研究镭和其他的放射性元素的辐射。居里夫妇研究表明，在镭的辐射与空气混合后，空气就变成了可以传导电流的导体。卢瑟福希望了解，镭的辐射是纯粹的能量流还是镭的蒸气与空气的混合物，或者是携带着能量的另一种物质粒子。他设想，除了居里夫妇测量到的能量以外，在辐射中可能还有以气态存在的另外的物质。

●恩内斯特·卢瑟福（1871—1937）。他经常和其他一些与他齐名的科学家合作。

为了证实自己的假设，卢瑟福制作了两个探测室，两室中间有活动阀门连接，可以人为地打开和关闭。在阀门关闭的条件下，他使一个探测室中充满了的镭的辐射，用居里夫妇使用过的方法仔细地测量了其中气体携带的电荷量。当电荷量等于居里夫妇所测得的数值时，卢瑟福就肯定在探测室中的的确是镭的辐射。接着他就打开连接两个探测室的阀门，开始测量第二个探测室中的电荷量。这时他始终监视着两个探测室电荷量的变化，并且要把从开始打开阀门到两个探测室的电荷量达到相等时所经过的时间记录下来。卢瑟福推断，在这个时候，第一个探测室中的辐射已经扩散到第二个探测室中，并且两个探测室达到了平衡。最关键的因素是达到平衡状态所需的时间，因为这时人们已经知道，气体扩散所需的时间与气体的原子量成正比关系。卢瑟福希望以此来判断，以蒸气形式扩散的物质到底是不是镭。

可是，卢瑟福在多次进行的实验中发现，扩散所需要的时间与镭的相比较是完全不同的。这清楚地显示，辐射应该来自在元素周期表中原子量低于镭的某种元素。换句话说，卢瑟福已经发现了一种新的比镭轻的元素，这种元素同时生成于镭的辐射中。实际上，卢瑟福做的大多数关键性的实验所用的材料是释放氡气的钍元素。所以他是从错误的推理出发却得到了正确的结果。他计算得到的氡的原子量偏低，但显示出与镭的原子量截然不同，有一种新的未知元素存在于其中，这绝不是蒸气状态的镭。在推进人类对物质的认识方面，卢瑟福实验的最重要的意义在于，它所揭示的元素转变过程是在自然状态下自发地发生的。毫无疑问地，一种元素变成了另一种元素。这正是炼金术士们长久以来梦寐以求的那种过程。据说当时卢瑟福的一位助手苏迪曾喊道：“我的天哪，卢瑟福，我们已经发现了嬗变！”

卢瑟福曾经为他所做的一切居然可能转弯抹角地和名声扫地的炼金术联系起来，真的感到有些恐惧。他拒绝使用炼金术士们常用的“嬗变”这个词来称呼他所发现的过程（“transmutation”曾被用来描述“点石成金”或“羽化成仙”的过程），以免招致对他的工作的科学性的怀疑。可是实际上他的工作确实证实了元素的转变过程，他所做的实验就揭示了这种转变；至少在一些特殊条件下，伴随能量释放的过程，一种元素可以由另一种元素产生。这可不等同于炼金术士们那种把一般金属变成黄金的美梦。但至少证明了，一种化学元素变成另一种化学元素不仅仅是可能的——这是一种自然发生的过程。

●卢瑟福（右）和汉斯·盖革在一起测量α粒子镭射。1908年，他们合作研究设计了现在被称为“盖革计数器”的辐射探测器的原型。

宇宙学所关心的是，如果这种转变过程适用于所有的化学元素，而一切事物又都来自大爆炸，那么起码在理论上可以认为，大爆炸当时的无论什么产物能够一步步演变为现今宇宙中的所有物质。对于卢瑟福来说，他那时关心的并不是马上去证明他发现的放射性元素的这种转变过程是否适用于全部化学元素，他所面临的下一个挑战是，研究原子内部的何种机制造成了不同元素的转变。

解析原子

20世纪初期，科学家们已经在研究原子结构方面做了很多工作，其中包括发现了原子的若干组成成分。例如，英国物理学家汤姆森发现了电子。到汤姆森的实验以前为止，电被认为是能够在一些适用的金属制成的导线中流动的能量，它或可以由化学方法产生（就像今天仍在使用的汽车蓄电池），或可以由机械方法产生（使线圈在磁场中运动）。另外还知道了可以控制电流在导线中沿两个相反的方向流动，以及就如同不同磁极具有的性质那样，沿相同方向流动的电流相互排斥，沿不同方向流动的电流相互吸引。用正电荷和负电荷来描述电流的不同方向，这种概念已经建立起来。可是，当时并没有人清楚电流到底是由什么组成的。

汤姆森发现，组成电流的是一种粒子。当电流在一支特殊的玻璃管中流动时，就可能探测到这种粒子。这种特殊的玻璃管后来被叫作阴极射线管。它的内部是被抽成真空的，但实际上其中还是残留着一些气体。管的两端装有金属板，板上可以充电，一端充以正电荷，一端充以负电荷。此时，即使两板之间没有导线连接，在其中也将有电流通过。利用这种装置，在没有导线连接两个金属板的情况下，汤姆森可以观察电流中有什么东西，而不会出现来自导线的干扰。由于玻璃管中残留气体的存在，当电流通过时，在管中出现了闪光。在汤姆森之前，就有科学家试图解释出现闪光的原因，但汤姆森被认为是第一个证明了闪光是一种名叫电子的微粒组成的粒子流造成的。在电子流独自行进时并不发生闪光，由于管中气体的存在，电子与之发生相互作用，于是产生了闪光。

汤姆森还发现，由电子流产生的闪光流会受到磁场的影响而发生偏转。分析闪光流偏转的方向，汤姆森断定，电子流所携带的是负电荷。再由闪光流在磁场中偏转的程度，汤姆森计算得出，电子的质量比已知的最轻的氢原子还要轻得多。这是否意味着，电子是比原子更为基本的粒子呢？若是如此，能否发现其他具有合适重量和物理性质的东西也可能是原子组成部分呢？很多科学家开始探索除电子之外在原子内部还有何许之物，并设想原子可能有的结构形式。有一种观点认为，带负电荷的电子以某种方式分布在每个原子都有的一个核的周围，原子核所带的是正电荷；这两种电荷之间的吸引力维系了原子作为一个整体而存在。

●（上图）约瑟夫·汤姆森（1856—1940）在他的关键实验中使用了阴极射线管（下图）。在此之前，德国的科学家们曾认为阴极射线管中的效应是由电磁辐射引起的，而汤姆森证实了这是一种由电子引起的效应。

卢瑟福继续发展了这种理论。他的进一步研究表明，放射性物质辐射出的能量有三种不同的形式。根据他的一系列实验结果，发现一部分辐射能可以穿透薄的重金属做成的靶子，另一部分能量则不具有这种能力。而且，一部分穿透金属靶的辐射能可以被更厚些的金属靶反射回来，其余的辐射能则具有极强的穿透能力，再厚的金属靶也不能阻挡它们。被薄金属靶反射的那一部分辐射能被称为α粒子，能穿透一定厚度的金属靶的辐射能被称为β粒子，而穿透能力最强的那部分辐射能则被称为γ粒子。不久，卢瑟福又给出了α粒子的两个重要性质。首先，从在磁场中发生偏转的情况来分析，这种粒子应该带有正电荷；其次，它们的质量与预期的氦原子核质量严格地相等。卢瑟福设计了一个实验，用α粒子来轰击用金箔做成的靶子。他希望根据α粒子从金箔上散射回来的情况来了解α粒子的更多性质。金箔被放置在一个圆柱形的容器里，在金箔后面的容器壁上还放有感光底片。通过底片记录下的α粒子的径迹，可以判断粒子被金箔散射的角度。事实上，在每个α粒子撞击金箔时，都会发生一次闪光，闪光可以被记录在底片上；这样，卢瑟福就能对每次闪光的记录进行显微观察，由此粒子被金箔散射的角度就可以确定下来。

●卢瑟福的很多实验结果都是在玻璃容器内取得的。在图中的容器中卢瑟福进行了α粒子轰击金箔的实验。

使卢瑟福感到意外的是，一部分α粒子在从金箔反弹时具有很大的偏转角。卢瑟福认为这只能解释为，由于α粒子和金原子核都带有正电荷，是这两个正电荷之间的直接斥力造成了超乎寻常的大偏转角。这一现象也意味着，在金原子核与其外部的电子之间存在着相当的空间，这才致使原子核的正电荷产生如此之大的影响。由此卢瑟福推断，电子应是在核外一定的距离上绕核运动。

加速粒子

卢瑟福和丹麦物理学家玻尔，以及其他一些科学家，实际上已经揭示了所有化学元素原子的整体结构。但他们能接下去继续认识这些比原子更小的亚原子粒子性质的细节吗？卢瑟福关于进一步研究的设想简单而明了，他决定建造一部可以击碎原子的机器。这种机器就是粒子加速器。在加速器中，粒子可以被加速到如此之高的速度，当它与放置在加速器另一端的靶子相撞时，靶上的原子将立即破碎。

●在这个装置中，卢瑟福研究了α粒子的性质。

也就在第一个关于粒子加速器的实验被付诸实施的同一时期，宇宙学家们已经熟知了哈勃的观测结果和大爆炸理论。他们对是否能发现更基本的亚原子结构怀有特殊的兴趣。如果大爆炸理论能够成立，那么必然存在着一种途径，使在一个点上发生的爆炸能产生现今宇宙中的所有物质。如果粒子加速器能揭示物质的真实性质，那么也就可能由此而发现最基本的物质是怎样产生于大爆炸之中。反之，如果实验显示在大爆炸中不可能产生最基本的物质，那么大爆炸理论也就不能成立了。

现代的粒子加速器可以是非常巨大的。如设在瑞士的欧洲联合核子物理中心（CERN）的加速器，其加速环的长度达到27千米，它位于地下，甚至延伸到了法国境内，还有一部分扩展到了一座山的下面。在原理上，它与卢瑟福的只有2米长的在玻璃管中的加速器是完全相同的。它的功能首先是产生粒子，然后是使粒子加速到具有足够高的速度。

卢瑟福在实验中利用了电的性质。他在玻璃管的两端装上了像电池那样的一正一负两个电极，这样在玻璃管中就建立起了一个电场。对电场找到一个恰当的比喻有些困难，但从具有电场的玻璃管的一端到另一端，有点像一个陡峭的山坡，如果有一只球从山顶上开始翻滚而下，它的速度会越来越快，在到达底端时，它就被加速到了最快；在粒子加速器中，与球等效的是电流，电流由带负电荷的电子流形成，从玻璃管具有负电极的一端流出，这相当于球在山顶的情形；在玻璃管的另一端有正电极，这相当于山的底部；由于正电极的吸引力，电子就在管中被加速。即使加速的行程还不足2米，当电子到达正电极所在的另一端时，它所具有的速度也使得它对靶子有足够大的撞击力。它将击碎靶子上的某些原子，而靶子通常就是一个简单的金属盘。碰撞的结果可以用盖革计数器来记录，这种装置是由卢瑟福和汉斯·盖革设计，专门用于放射性或辐射能的探测的。那么，如果说无论何时，只要一个原子发生破碎，都要伴随着能量的释放，粒子加速器能够证明这一点吗？

●欧洲核子研究中心的欧洲粒子物理实验室的专门实验区。可以清楚看到，需要多少仪器设备来约束和引导实验中的粒子。粒子通常是在直径仅几个厘米的管道内加速的，管道处在磁体和探测器组成的“箱子”中间。欧洲核子研究中心的最大实验区（见左上部的插入小图）采用这种类型的环状管道，它位于地下100米，长27千米，经过日内瓦飞机场，进入法国境内，在一片山脉的丘陵下面通过，然后返回瑞士。

为了保证盖革计数器所记录的肯定是电子击碎靶上的原子之后的真实产物，玻璃管中的空气被彻底地抽空了，所剩的只有真空和一个作为电子束轰击目标的靶子，除此之外没有任何别的东西。这样一来所探测到的结果就是肯定无疑的了。当一个原子破碎为亚原子粒子时，总是能探测到原子所释放出来的能量。靶上物质中原子的衰变是人为地造成的，但其衰变的方式与放射性元素铀和镭等的自然衰变严格地相同。

这些实验结果的含义是很清楚的。原子中具有能量，当原子破碎时，就有能量释放出来。但这样就又导致了更多的问题。是否还有什么别的东西构成了亚原子世界？在原子内部除能量之外，是否还有其他所谓“不可再分”的基本的成分？在最初的原子模型中，原子核和电子似乎都有着十分合适的位置，那么它们各自在原子中起何种作用，而各自的性质又怎样呢？

粒子加速器的实验结果开始给出一些不同寻常的可能的答案。如果原子中的电子和核的质量之和即整个原子的质量，那么前述的从原子中释放出来的能量，就来自这些粒子本身和它们结合到一起的方式。在镭的自然放射性衰变中，如果产生了一种比较轻的元素，它的原子量肯定小于镭的原子量。那么，在衰变过程中，是否有部分粒子以某种方式转变成了能量呢？

回到爱因斯坦

随着粒子加速器被改进得更加复杂而精密，人们能够精确地测量在电子与原子的碰撞中有多少能量释放出来，以及靶上的物质同时损失了多少质量。碰撞的规模是可以控制的——可以用不同质量的原子和粒子作靶——但最引人注目的一件事是，释放出的能量总是与靶上质量的损失量成正比关系。这暗示了能量和质量在一定方式下可以相互转换。至少有一些亚原子粒子在原子衰变过程中被以能量的形式释放出来。

对于科学家们来说，在他们第一次体会到这一点时，并不感到很为出乎意料。因为爱因斯坦早在他的狭义相对论中，就以著名方程E=mc2 预言了质量和能量之间的关系。爱因斯坦指出，这个方程是在狭义相对论中用来描述光速不变的数学方程必然要导致的结果。在这个著名方程中，能量E恒等于质量m乘以一个常数，即光速c的平方。这个方程还预示着更为不同寻常的现象：在运动物体的速度较慢时，其质量增加得也较慢；而当它的速度增加到很快，甚至接近光速时，其质量也会飞速地增大（在狭义相对论中，直接表示物体的运动质量随其速度而变化的方程式是m=m0 /（1-v2 /c2 ）1/2 ，这里m代表物体的运动质量，m0 代表静止质量，v是物体运动速度，c为光速。根据这个方程，物体的运动质量会因运动速度的提高而增加——译者）。

对于大多数人来说，接受这种观念是很困难的。在日常生活赋予我们的经验中，物体的质量和光之间绝没有任何联系。当然我们也不具有运动速度接近于光速的任何体验，所以我们通常也无法检验爱因斯坦的观点，就像它听起来那么绝无可能一样。但是，在粒子加速器中，被加速的电子流在与靶发生碰撞之前其速度是接近于光速的，已经探测到了它们加速后增加了的质量。

这些从粒子加速器得到的结果，又一次验证了爱因斯坦的与直觉经验相悖的理论的正确性，确认了质量和能量是可以相互转换的。随着电子的加速，它们的能量增加了，即方程一端的E增加了；而由于光速c是一个常数，方程中的c2 不会变化，所以，为了维持E等于mc2 ，质量m就必须变化了。这些听起来不可能发生的事，对于加速器中的电子确实发生了。对宇宙学家们来说更重要的是，这个实验结果显示了，相对于所有的物质，能量是最基本的。当物质破碎或衰变过程发生时，会很明显地有能量释放出来，可是，这一过程是不是可逆的呢？能量可不可以转变为亚原子粒子以组成原子呢？在大爆炸最初的瞬间，是否产生了足够的能量供后来转变成宇宙中的所有物质之用呢？

云雾室中的径迹

粒子加速器使人类获得了关于物质的相当多的知识。在最早的加速器中，使用盖革计数器来记录碰撞事件的产物就可以了。但另一种改进了的记录方法又出现了。1895年，英国物理学家查尔斯·威尔逊开始研究第一个云雾室装置。这实际上是一个充满气体和水蒸气的箱子。它的特点在于，可以把在其内部的饱和气体中通过的带电粒子的径迹显示出来。虽然粒子很小以至于不能被直接观察到，但它在云雾室中的径迹却大得能被肉眼直接看到。这种情况就好比观察空中的飞机，你也许不能直接看到飞机本身，却能由看到飞机拉出的烟迹来判断飞机所在的位置。带电粒子在饱和气体中划过就如同飞机在潮湿的大气中飞行。

●CERN的计算机模拟出的粒子碰撞图。这幅图是计算机根据从放置在发生粒子碰撞位置的大型探测器所得到的数据而绘制出来的。粒子在碰撞前经过环绕长达27千米加速路程的加速，已经具有极高的速度。

自那以后，云雾室被广泛地用于亚原子粒子的探测。现在，可用来探测亚原子粒子的就不仅仅有云雾室了。电子探测器可以探测粒子运动的径迹，还能把这些径迹在计算机的屏幕上显示出来。这样，几乎可以直截了当地分析在粒子加速器的一端所发生的碰撞事件；从不同粒子的不同径迹组成的图案中，能得到诸多有意义的结果。因为，在典型的情况下，会有很多条径迹突然从一个点上迸发，这就显示出有很多带电粒子被同时释放出来，所以碰撞事件发生的准确位置就可以严格地判定。通常情况下实验装置还被置于磁场之中，这样由粒子在磁场中偏转的方向就可以判定粒子所携带的是正电荷还是负电荷。而粒子在磁场中发生偏转的程度，则取决于粒子的质量等特殊性质。这样，经过长时间分析，就可以得到各种不同种类的粒子所独有的特殊径迹形状。例如有些粒子的径迹只是稍稍有所偏转，有些是快速地形成向内的螺旋线。换句话说，每一种粒子都有自己的独具特征、可以辨别的径迹。每当碰撞后出现一种新的、很明显的是未识别的径迹时，径迹的长度、弯曲的程度等就会给出相关粒子的质量和行为特征的线索。用这种方法，如果理论所预言的某种粒子一旦真的在粒子加速器中产生出来，它很快就能被“验明正身”。

寻找反物质

由粒子径迹的特征，科学家还证明了另外一种与人们的直觉经验相悖的理论是正确的。狄拉克是英国剑桥大学的卢卡斯数学教授（即现在斯蒂芬·霍金以及300多年前牛顿所担任的职位），他指出，从理论上来说，每一种粒子都应该有它的镜像粒子。这是从描述可以结合为原子的粒子必然具有的行为的数学方程出发所作的一种明确的预言。但这预言似乎有些令人吃惊和会把人引入困境。如果电子具有一种名为反电子的镜像粒子（携带的电荷与电子的相反），那么组成原子核的粒子也应该具有反粒子。而且，既然带负电的电子与带正电的原子核组成了原子，那它们的反粒子又组成了什么呢？难道是反物质的原子吗？

对物质和反物质同时存在的理论推论进行全面考察之后，存在着反物质的观念变得更为混淆不清和令人困惑。假如粒子和它的反粒子不期而遇，它们必然要发生湮灭，转变为纯粹的能量。如果从理论上说在物质周围会有等量的反物质，那么宇宙中的物质何以长期存在并且很容易被探测到呢？物质和反物质早就应该在一起湮灭了，或者即使不发生湮灭，我们也应该能观测到与物质等量的反物质，显然我们还没有观测到这些反物质。

作为解开这个难题的第一步，很重要的一点是，找到证据来说明狄拉克理论并不是完全错误的。科学家们首先得证明反物质存在的真实性。考虑到宇宙中存在着如此之多的物质，任何反粒子都可能已经与它的粒子相遇而湮灭，那它就不会长期留存下来；所以我们能探测到的反粒子可能只会来自外太空，在地球引力作用下它们会冲入大气层；这时它们会与它们的镜像粒子相遇而发生湮灭事件，就如狄拉克理论所预言的那样。

于是，探测反物质的计划变成了一项探险事业。物理学家们坚信，如果把云雾室放置到高山之上，即在大气层中尽可能高的高度上，就可能探测到反物质。事实上科学家们得到了应该得到的回报。1932年，安德森在他的云雾室中发现了一条和电子的径迹几乎完全相同的径迹，但只有一点不同，这是一条电子径迹的镜像径迹。换句话说，这条径迹属于电子的反粒子（仅仅在一年以前当狄拉克从数学角度出发进行预言时，称之为正电子）。如果正电子真的存在，那么反粒子和反物质的存在也就是真实的了。那么狄拉克的理论也就获得了实验证据的支持。

模拟大爆炸

也是在1932年，在英国剑桥卢瑟福加速器实验室工作的约翰·考克罗夫特和恩斯特·瓦尔顿，第一次成功地击碎了锂原子。这次实验的时间比发现电子镜像径迹的实验稍早一些。物理学家们这时已经熟悉和接受了这种观念，在加速器中可以制造出反物质粒子，而在与其他粒子相遇后，反物质粒子又很快地消失了。反物质粒子从产生到消失还不到1秒的时间。物理学家们也很熟悉在径迹之间存在的空隙。有时在碰撞发生后很短的时间内，突然会凭空出现一对径迹。它们不是偶然地出现的，一定是碰撞时先生成为某种东西分裂为二时产生了两个径迹。但是它们看起来和碰撞事件没有联系。观测到这样的现象是因为，有些径迹没有被观测到，但并不意味着那里一无所有，而是因为产生这些径迹的粒子不带有可以被探测器记录的电荷——就像光波那样。

●保罗·狄拉克关于反物质存在的预言是这样地与直觉相悖，以至于许多人认为这是不可能的。但是在他做出预言之后不到一年，反物质就被探测到了。

最后，关于碰撞后的纯能量阶段的这些空隙的解释，却对宇宙学家们理解宇宙中的物质如何从大爆炸而来提供了帮助。随着加速器发展得越来越完善，它的规模也变得越来越大。之所以这样是因为，粒子在加速器中被加速的路程越长，它所获得的速度也就越接近光速，它的运动质量也就越大，在碰撞时产生的温度和压力也就越高。所以卢瑟福式的直线加速器所用的玻璃管越长，电子在其中所获得的动能就越大。于是，人们建造了更长的直线加速器。

在另一方面，业已证明，可以建造一种加速器，让粒子沿着环形轨迹运动，也能获得使其加速的效果；基于粒子所带电荷的极性，用磁场就能控制其运动方向的偏转。剩下的问题只是如何建造环形管或隧道让粒子在其中加速，以及设置合适的磁场。现在已经建造了许多这类的回旋加速器。加速器规模越大，其建造和运行的费用也就越高。当然这种大型加速器的科学价值是无法估量的，它使我们得以开展对高速、高温下碰撞的研究。

●卡尔·安德森在解说他用来探测反物质的实验装置（左图）。有两个巨大的由在黑色管子中循环的水来制冷的电磁铁，一个云雾室就放置在两个电磁铁之间的通道中，在云雾室中发生的任何事件都可以被拍照。这样安德森就能发现通过云雾室中的任何粒子的径迹。一张照片（右图）显示出电子路径的镜像路径，这是第一次探测到反物质。

理论工作者已经计算出在大爆炸中要产生出宇宙的全部物质需要有多高的温度。有一点似乎是很明显的，如果能在加速器中获得接近这样的高温的条件，也许就能在很短暂的一瞬间看一眼在宇宙大爆炸的高温下发生过的反应。在现今功率最大的加速器上，已经能短暂地达到当初大爆炸时一瞬间的温度。

由数学推导所得出的大爆炸时的温度是如此之高，甚至在爆炸后不到1秒钟的时候，温度就开始明显地有所下降了。但仍然还维持着很高的温度，高得超出我们的想象。从在加速器中的这样高的温度之下发生的碰撞中所发现的事实堪称令人惊奇。起自碰撞点的径迹与低温下碰撞产生的径迹比较很不相同。这时不再是有许多条径迹直接地起始于碰撞点上，而是根本没有这种径迹可观察到。在碰撞发生后的一段较短的时间之后，粒子的径迹才得以出现。为什么在碰撞之后径迹不能马上出现呢？这里只有一种可能的解释，即在极高的温度下，碰撞只产生纯粹的能量，而后在这些能量中才产生了粒子和反粒子。

●不可能用图来严格、正确地描述宇宙的演化过程。在短短一瞬间，宇宙由一个没有大小的点膨胀为超乎我们想象地大。

在最初3秒钟之内，大爆炸产生的能量变成了奇异粒子。在这种任何物质都不能稳定地存在的高温环境中，这些粒子相互之间发生碰撞，又重新变成能量，然后又形成新的粒子。

在第3分钟时，刚刚形成的宇宙温度降了下来，足以形成组成原子核的质子和中子。

在此后的30万年之内，这些粒子组合到一起形成了第一批氢原子和氦原子，又由于引力作用它们得以聚集到一起形成巨大的云团。

在10亿年之后，它们被压缩得足够紧密，恒星诞生了，星系也开始形成。在诞生150亿年之后的今天，宇宙和它的亿万个星系还在显露出这种还在进行中的演化的线索。

这一结果对宇宙学来说，是足够使人为之一振的。在加速器中的实验说明了，在接近于大爆炸初始温度的温度之下，只有能量可以存在。当能量冷却下来时，在其中才产生了粒子和反粒子。这就是物质和反物质最初产生的由来。还有，这样一种解释与其他所有已知的大爆炸存在的证据都是相一致的。同样地，它也与能给出我们今天所见到的宇宙的和宇宙起始于一次爆炸的那种数学模型相一致。于是，又一种听起来不可能的理论获得了实验证据的支持。

然而，如果不涉及反物质的问题，上述的观点会更容易地被人们所接受。粒子加速器中的径迹所给出的证据丝毫也没有说明，为什么我们在宇宙中能观测到如此之多的物质而只能观测到极少量的反物质，或者为什么物质和反物质没有在它们形成后的短时间内全部湮灭。迄今为止最好的解释是——这只是一种未被证明的理论——在大爆炸中产生的物质和反物质只是近似地等量，物质的总量稍稍多于反物质的总量。物理学定律的某些方面使得这种不平衡在理论上还是可行的。就如有的理论所预期的那样，物质和反物质本来应该一起湮灭的，但是稍多一些的物质在大湮灭之后幸存下来，形成了今天宇宙中的一切。从爱因斯坦的方程，包括E=mc2 ，也可能得出需要多少能量才能转化为现今宇宙中所有的物质。事实上，可能只需要在粒子和反粒子的各自总量之间的稍许差异，就能有足够的粒子来形成现今宇宙中的全部物质。

迄今为止的故事

当然，在还没有弄清楚全部事物的情况下，我们却认为得到了一幅舒适、纯粹、已经全部被证实了的动态宇宙图景，这是一件使人感到不安的事。可是，至少我们现在对物质的理解和我们现在已经有的对宇宙的理解这二者是惊人地互相符合的。所有的数学方程也能和谐地构筑起一幅精度令人赞叹的演化图景。

一切都起始于那次在开始时除了能量以外什么都没有产生的大爆炸。随着冷却和向外扩散，能量的密度开始发生变化。这使得在一些较热的点上，在大爆炸后的1秒钟之内，能量开始转变为粒子和反粒子；而在那些较冷的点上就形成了宇宙中最初的空隙地带。绝大多数粒子和反粒子开始通过引力互相吸引，当它们靠得足够近时，电磁力便使它们结合在一起；大部分的反粒子都在湮灭中消失了，遗留下来的多余物质在旋转中逐渐凝集成为不规则的团块。直到大爆炸的3分钟以后，对于将要组成新的物质的亚原子粒子来说，温度还是太高了。但在这之后它们开始组成原子核。大约再需要30万年的时间，才由冷却后的电子与原子核相结合形成第一批原子。有约20%的核是较重的氦原子核，其余80%是组成氢的氢原子核。而其他化学元素的形成则要晚得多。

根据几乎所有的数学方程，需要大约10亿年的时间，多得数不胜数的氢原子和氦原子才由于引力而凝聚到一起，这种凝聚而成的团块也有千千万万个，其中每个团块后来又形成了宇宙中巨大的天体，典型的是整个星系。随着引力作用使原子被压缩得越来越紧密，氢原子开始了聚变反应。就如弗里德·霍伊尔和他的同事们所预言的那样，在正在形成的星系中恒星也开始形成了，它们发出光和热，恒星生命周期开始了。在恒星的内部，所有的重化学元素也开始形成。首先是氢原子聚变为氦原子，然后在氢燃烧殆尽时，氦又开始燃烧，这样一步步地聚变下去，聚变的结果是其产物越来越重，各种重元素就这样形成了。与此同时，引力作用也使得恒星的密度变得越来越高。

当在恒星上的核聚变能生成越来越重的重元素时，按照恒星质量的大小，恒星的归宿会有所不同。有的恒星在死亡时把产生的元素随外壳一起抛向太空，而留下一颗白矮星，一个重元素构成的幽灵将在空间游荡。有的恒星会发生一次超新星大爆炸，在爆炸中能产生比铁更重的元素，这些元素飘浮在太空中，直到引力驱使它们形成新的天体。如果有足够多的物质聚集在一起，一个新的恒星将会诞生。但是如果在其上没有发生新的聚变反应，就可能形成一颗类似于我们的地球的行星。在合适的条件下，生命可能得以在行星上进化。这就是我们人类今天能出现在这个宇宙中。我们对这些神奇的事物的观察完全是为了人类自身。经过150亿年的演化，宇宙变成了今天我们看到的这一番面貌。

现在有很多人不相信这个听起来难以置信的故事。可是，当我们把在宏观物理学和微观物理学中所获得的所有零散的证据汇集到一起时，就会发现很难得到除此之外任何更好的结论。我们能见到的周围事物是这样地博大精深而又细微复杂，要想象出对它的更令人心服、美妙与合适的解释，肯定是非常困难的。从最早的肉眼直接观测，到对数学的富于想象力的应用，宇宙学也走过了漫长的道路。

囊括了支持这个宇宙演化故事的所有论据之后，我们似乎已经有了对宇宙中一切事物的几乎是尽善尽美的理解，但事实上还有很多尚未解释的东西。我们应适度地以谦虚的态度提醒自己，面对着首先是伽利略的观测结果，还有哈勃的令人瞠目的新证据，宇宙学家们是怎样地一次次从根本上更新自己的观念。然而，现有的关于宇宙膨胀的证据似乎是正确的。可是且不要忘记，它们在很大程度上仅仅是出于对我们能观测到的这一部分宇宙的光的分析。我们有充分的理由相信，还有很大一部分宇宙我们尚未观测到。事实上我们只看到了宇宙的一小部分。大多数宇宙学家相信，可以说还有90%以上的宇宙的本质有待于去揭示，我们看到的仅仅是冰山的一角。

第八章
黑暗中的求索

●巨大的仙女座星系是一个典型的旋涡星系，但我们实际看到的是它的多大的一部分呢？它那含有大量恒星的中央部分大概还不到它的全部物质的1%；多达99%的物质可能是看不见的暗物质。

不可见的巨大晕轮

搜寻MACHO的人们

宇宙的最终归宿

不可见的巨大晕轮

这是一个风雨交加的夜晚，冷风从门的下面袭来，这提醒着人们感觉到在室内有多么舒适，没有人愿意在这个时候外出。但是，薇拉·罗宾却决定外出去参加美国天文协会的年会。对每个会员来说，在讲台前面对全体听众发言都是很难得的机会，特别是对于女性，能得到这种机会更是非同寻常。而且薇拉很明白，她这次是要把一种带有革命性的观点公之于众。她无所畏惧地把婴儿安置在汽车的后座上，然后就与她的父亲一起在呼啸的寒风中出发了。父亲是被请来在她发言时照顾孩子的。

薇拉认为，关于星系的自转，有些东西还不为大多数天文学家和宇宙学家所理解。如果假定星系中的恒星像引力制约下的太阳系中的天体那样，不受约束地通过万有引力相互作用，那么就不会有我们所观察到的这种星系自转。薇拉反复地分析了对不同河外星系的观测结果，她坚信自己在这一点上是正确的。星系的自转就像一个整体的轮子，所有的恒星都步调一致地围绕着星系的中心旋转。对这种现象只有一种可能的解释，那就是在我们看到的星系中，还有很大一部分并没有被观测到，而这另一部分的质量要远大于我们看到的有恒星在其中闪闪发光的这部分星系的质量。是这另一部分不可见物质的引力驱使恒星在它们现在的位置上运行，并使得它们好像是一个巨大的不可见轮子上的“发光钉子”。一些恒星深入这些不可见物质之中分散开来，成为星系的巨大旋臂，它就如同在一杯咖啡上面的旋涡状奶油。

薇拉·罗宾提交了她的论文之后，所得到的反响却使她大失所望。似乎没有人认真地对待她的观点。或许这里有作为大多数的男性听众的男子沙文主义在作祟，他们可能对于接受居然有一位女性可以成为一名“严肃的”天文学家和宇宙学家这一事实，看来根本没有思想准备。这种令人惊讶的偏见倒是没有直接破坏薇拉的学术研究，但是这种对其研究结果的拒绝却使薇拉感到十分失望。是不是被观测结果误导了呢？她的自信心动摇了。她在风雨之夜又回到了家中，从此之后她在数年之内都不再研究宇宙学，而代之以专心操持家务。

具有讽刺意味的是，薇拉的确是正确的。当然，要证明那些我们还不能探测到的物质的存在是相当困难的。但薇拉所预言的这些不可见物质的存在，后来却得益于计算机模型的帮助而被证实了。现在，通过分析光谱和造父变星的周期、光度关系等办法来精确地确定恒星和星系有关的距离，是完全可能的。在一定的时间间隔上重复地观测可以发现相邻恒星的相对位置变化，这种方法与早先注意到太阳系中行星位置相对变化的方法是严格一致的。应用牛顿的和爱因斯坦的关于万有引力的方程来处理太阳系中行星的距离问题，整个太阳系的天体运动状态就清楚了。既然如此，为什么我们不用同样的原理来建立起关于星系的计算机模型呢？

●在其他物理学家拒绝相信她关于暗物质的观点时，薇拉·罗宾几乎放弃了宇宙学。可是，事实上错了的还是那些物理学家。

可以根据引力的数学方程式和观测到的所有恒星到星系中心的距离，编制出相关的计算机程序，这就使得我们能预测恒星围绕星系中心的运动；作为对比，可以用同样的数学方法建立起关于太阳系的模型。如果关于太阳系的模型是成功的，那么在没有其他因素影响的情况下，也可以期待关于星系的模型会大获成功。但是，虽然使用这些方程在计算机上的确可以模拟出一个太阳系，而且可以非常准确地预测出观测到的太阳系的真实运动，但在建立模型以预测星系的运动时，却出乎意料地遇到了失败。换句话说在星系中肯定存在着一些我们没有考虑到的因素。由于并没有任何证据说明除了引力之外还有其他种类的力可以对宇宙的结构发生影响，则唯一合理的可能性就是，在星系的周围存在着暗的不可见物质，它们包围着星系，就像一只巨大的晕轮。通过在计算机程序中加入代表这些暗物质的参数，就可能使计算机模型准确地预测出星系的真实运动。

碰巧的是，能最好地描述大爆炸的计算机模型都预示，除我们观测到的以外，在宇宙中还存在另外的大量的物质，这样一来，暗物质的存在就变得不容置疑了。并且，所有的数学方程都给出一个惊人的结果，暗物质的质量大约占宇宙总质量的90%。但是暗物质到底是什么呢？它们是什么样子的呢？它们是不是和组成我们所看到的闪闪发光的恒星的物质是一样的，只是还没有被引力拉入那个炽热的世界之中？我们已经确切地发现，在恒星上形成的所有元素在地球上都存在，几乎没有一种元素在我们发现它时的那种形态下发光——像镭这样的强放射性元素除外。所以它们的确能以暗物质的形式存在。但暗物质远在茫茫的太空之中，我们怎样才能探测到它们？可是至少我们知道到哪里去找它们，在可观测的星系的周围，那里预期存在着由暗物质组成的晕轮。但是如果它们不能发出任何的光和热，我们又怎样确认它们呢？

●这是一幅关于仙女座星系周围的暗物质晕轮的艺术效果图。晕中的暗物质被认为是中微子，但同样可能含有MACHOs和WIMPs。我们现在只知道那里肯定有某种物质，因为它已经对该星系内的可视恒星产生了引力效应。

搜寻MACHO的人们

最早决定去迎接暗物质问题挑战的天体物理学家们，自称他们是在寻找MACHO（“Massive Astrophysical Compact Halo Ob-ject”的缩写，意为“晕内大质量高密度天体” ）。为了解释星系的运动，暗物质需要具备某些性质。暗物质必然具有质量，所以会受到引力的影响。它们应该存在于星系的晕轮之中，并且可能是小体积和高密度的。当然没有任何理由去假定暗物质具有MA-CHO这个缩写在字面上包含的“男子汉气质”，但它也许的确能给研究者们一个为之不懈努力的目标。

这些科学家确实看准了方向。爱因斯坦曾预言，就像一般认为的那样，光是沿着直线传播的；但是，如果在光的传播路途中经过大质量物体的附近，那里由于大质量的存在而引起时间和空间的弯曲，会使光的传播路线发生弯曲。他甚至能计算出光线弯曲程度的大小。这在那个时代是一种带有革命性的理论，它促使科学家通过一个非同寻常的实验来证明它。

就在第一次世界大战刚刚结束的时候，英国天文学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿和他负责的研究组希望证明，当太阳运行到一些恒星和地球之间时，太阳的引力场是否会使恒星光线在到达地球之前发生弯曲。当然，相对于恒星的光来说，太阳光实在太明亮夺目了，致使我们无法看见恒星；只有在一种情况下除外，那就是在日全食期间。爱丁顿和他的研究组预先仔细地研究并记录了一些特定的恒星与其相邻恒星在夜晚时“正常”的相对位置，此后又在1919年发生的一次日食中检验了当太阳位于同一批恒星和地球之间时这些恒星的位置，具体的做法是，当月球遮挡住了全部太阳光时对太阳所在的位置用底片拍照。结果应该是其他的恒星都出现在正常的位置上，当然那些视位置最接近太阳的恒星除外。

如果爱因斯坦的理论是正确的，太阳的引力场肯定会对那些从其中经过的恒星光线产生影响，使其发生弯曲，这样恒星的视位置就会有所移动，即偏离了它的正常位置。事实上如果爱因斯坦完全正确，这些恒星就肯定会出现在爱因斯坦的方程所给出的位置上。果然，1919年日食来临时，那些恒星真的准确出现在预计位置上。

爱丁顿的实验非常重要，因为它证明了爱因斯坦的引力理论是正确的。更具意义的是，它表明在光线经过任何拥有质量的物体附近时的确发生了弯曲。正是这一重要结果引发了正在搜寻暗物质的MACHO研究组的新的研究灵感。科学家们想到，如果在星光经过的地方有足够的暗物质存在，那么相关的恒星看起来会更亮一些。这个结论是很符合逻辑的，但导致这一结果的原理却较为复杂。

●亚瑟·斯坦利·爱丁顿（1882—1944）在恒星性质和结构研究方面多有建树，而且还对爱因斯坦广义相对论有极好的理解，所以他能设计出验证广义相对论的实验。

恒星所发出的光射向四面八方，但只有朝着地球这个方向传播过来的那一小部分能够被我们所接收到。假如恒星的光在传播途中经过了一块块的暗物质，暗物质的引力会使光线一次次地遭受弯曲，这样就可能使得一些本来其传播方向不是朝着地球的光线也到达了地球上。这样就使得恒星看起来亮得多了。

这种现象被称为“引力透镜”效应，因为它很类似于凸透镜的聚光效果。这就如用放大镜来汇聚太阳光，在放大镜的焦点上甚至能把纸张点燃。对MACHO研究组来说最重要的一点是，引力透镜效应发生的基本条件是，从恒星发出的光在传播到地球之前曾穿越于暗物质之中；所以如果引力透镜效应能够被确认，那么这也就等于已经获得了暗物质存在的证据。

要肯定是存在着引力透镜效应，则相关的暗物质应该是凝聚成巨型团块的状态，团块有着相当大的质量和密度。这样的大质量物体恰好是在恒星演化的末期应该出现的。霍伊尔等曾计算了演化中的恒星是如何维持着聚变反应，聚变过程一步步地生成着元素周期表中的下一个较重的元素。首先由氢生成氦，然后逐次是各种重元素，一直到铁（只有较大质量的恒星可以演化到生成铁。——译者）。较轻的恒星可能不会达到聚变生成铁的阶段，因为它的质量所产生的引力即向内的压力还不能大到生成铁或比铁更重的元素。所以到这一阶段这类恒星就会一步步地走向死亡，冷却后的星体变成了褐矮星，不能再发光——这就是很典型的大块的暗物质，这恰恰正是MACHO研究组希望通过观测来确认的东西。

但是这绝非一件轻而易举的工作。他们选择南半球来作为观测地点，观测的目标在大麦哲伦云区域内——大麦哲伦云是一个较小的河外星系但距离我们较近。之所以选择它是因为MACHO研究组认为，那里有一个应该包含许多暗物质的很合适的晕。可是，这个星系中有千千万万颗恒星，他们怎样选择合适的恒星在每个夜晚进行观测，并且希望其亮度在一两个月的时间中明显变亮呢？

对这个问题的考虑导致了一种计算机控制的望远镜投入使用。这种望远镜可以自动地选择最有希望、最值得研究的观测区域；它是通过计算机来监视天空，由自动程序来辨认其光度随不同的夜晚而发生变化的那些区域。一旦这种区域被确认了，就要非常仔细地研究那里所发生变化的细节。

●我们在大麦哲伦云——一个只能在南半球看到的小星系中观测到的恒星的运动表明，它周围可能有一个包含许多MACHO的巨大的暗物质晕。

使得MACHO研究组高兴的是，他们的努力带来了很有希望的结果。已经有一些实际的观测目标很符合理论预期中的对象。例如有一颗恒星在一个月的时间中变得亮得多了。还有更令人兴奋的，有一组恒星按顺序表现出这种效应，显示出有MACHO类的物质顺序地在它们前面虚掩而过。所以现在我们已经获得了很具说服力的暗物质存在的证据。然而，还有两个关键性的问题有待于找到答案。其一是，那里到底有多少这种暗物质？其二为，是否所有的星系的运动都能用这种暗物质来解释？

宇宙的最终归宿

薇拉·罗宾曾经指出，暗物质可能多达宇宙物质的90%，这意味着我们看到的数以千百亿计的恒星只占宇宙总物质量的10%。基于所发现的现象的特点和出现的频率，MACHO研究组很有信心地认为，他们观测到的天体可以占总量一半以上的暗物质。可是，这些发现又导致了许许多多有待于回答的新问题。已经有迹象表明，要弄清楚宇宙物质的总量、宇宙物质的密度以及所产生的引力大小，还需要做大量的研究工作。给出有关的答案这些已经不是简单的学术研究性问题，有关的答案还将有助于我们预见宇宙演化的最终结局。

可能的答案彼此是截然不同的。宇宙的一种结局是戏剧性地走向终结，即膨涨中的宇宙逆向地转变为收缩，在一次大坍塌中回到那个什么都不存在的奇点上。对此当然用不着有任何担心，即使发生大坍塌，那也肯定在几十亿年以后的遥远的未来。另一种结局是，膨胀无休止地进行下去，但膨胀的速度越来越慢，然而却不会完全停止。

●（左图）这5个位于空间深处的看起来很相似的发光体是“哈勃”太空望远镜观测到的，它们实际上只是两个天体。在中心位置的是离我们相对较近的星系，距离为4亿光年；它周围的4个像来自同一个更为遥远的类星体，其距离约为80亿光年。中心星系的引力效应使得类星体的光在到达地球之前发生了弯曲，所以我们看到了一个类星体的4个像。这是MACHO研究组正在应用的“引力透镜”效应的著名例子。

（右图）MACHO研究组成员合影。

人类未来的后代们所能看到的是这两种截然不同答案中的哪一种呢？一个关键的因素是，我们必须首先了解宇宙中的暗物质总量到底有多少。哈勃等人关于河外星系光谱红移的观测结果再清楚不过地显示出宇宙在膨胀。证据是，最老的星系（即那些距我们最遥远的星系）也是那些退行速度最快的星系，而较近的也是较年轻的星系其退行速度也肯定较慢。所以我们所讨论的宇宙膨胀，绝不是说一个星系、一颗恒星或一颗行星在膨胀，而是指随着时间的推移，星系间的距离变得越来越大。现今大多数宇宙学家和天文学家都相信，宇宙膨胀的原动力来自那次大爆炸。无论如何这种原动力是存在的。我们还知道的另一点是，退行的速度会逐渐地慢下来。

这一结论来自对星系光谱红移程度的不间断的观测，其结果显示出退行速度在随时间而一步步地变慢。这意味着有一种力量在反抗导致膨胀的力量，结果是使膨胀变得越来越慢，如果不是这样，那么膨胀就会无休止地进行下去了。反抗膨胀的力量最重要的就是引力。按照牛顿和爱因斯坦的理论，宇宙中的物质总量越多，其总的向内的引力就越大，这会导致物质向中心位置集中，并聚集成一个巨大的团块。当然。今天的宇宙并没有停止膨胀，因为大爆炸形成的导致膨胀的力量大于引力形成的导致收缩的力量。

可是膨胀毕竟是在逐渐地变慢。这说明，宇宙中至少有足够的物质来形成这股使膨胀变慢的引力，但是只有这一点还不能说明宇宙物质总量所形成的引力能否使膨胀完全停止下来，以及能否接下去开始收缩，使宇宙空间变得越来越小、物质密度越来越大而进入大坍塌阶段。也许宇宙中根本没有足够多的物质以产生足够大的引力来彻底阻止膨胀，只能使膨胀逐渐变慢一点而已。

看来现在要得到一个令人满意的结论是困难的。要弄清楚宇宙物质的总量，我们还有很长的路要走。MACHO研究组现在研究探测到的MACHO形式暗物质总量，甚至还不能解释星系的自转运动。那么，其他的暗物质又是什么呢？

一种潜在的有希望的线索来自亚原子物理理论。在粒子加速器中已经观察到，能量可以变为粒子，而粒子又可以变为能量；在一些极端的条件下，能量和物质都力图进入更稳定的状态，便显示出这样一种反复变化的奇异性质。在这时产生的一些粒子也的确是奇异的，它们的性质也十分与众不同，在实验中探测它们颇为困难。但当我们对剧烈的核反应过程进行理论解释时，它们的存在就是至关重要的了。用数学来模拟大规模的核反应，只有在考虑了这些奇异粒子存在的前提下，结果才是正确的。因为在大爆炸时必然发生了巨大规模的核反应，则那时肯定有大量的这种奇异粒子产生。这就使得对它们的探测变得很重要——也许从这里能找到对暗物质失踪问题的解答，以及关于宇宙最终归宿问题的谜底。

●虽然宇宙学家承认我们现在没有足够的资料，无法知道有关答案，但他们还是喜欢推测宇宙未来的结局究竟是怎样的。

第九章
探奇之旅

●三叶星云是一个主要由氢元素构成的巨大气体云，离我们大约3000光年。它在自身内部的年轻恒星的紫外辐射作用下发出红色光辉。这类气体云的存在，使我们想到宇宙中也可能存在由尘埃构成的另一类巨大云团，它们没有被恒星照射，因而是不可见的暗物质云。

垂钓中微子

中微子质量之谜

寻找WIMPs

MACHO研究组已经体会到寻找一般的暗物质是非常困难的。从千百万颗恒星中找出一颗在暗物质从它到地球之间的空间穿越时，亮度会增加并为时一个月之久的恒星，这绝非易事；可寻找那些具有奇异性质的暗物质就更是难上加难的挑战了。宇宙学家们从理论方面的计算了解到的这些粒子的性质决定了，要探测到这一类粒子是一项异常艰巨的任务。

垂钓中微子

有事实充分证明，必须去认真地寻找中微子。根据有关的方程，在核反应中会产生大量的中微子，可它们必定微小，而且在运动过程中又不与任何其他物质发生作用才可以穿过其路径上的任何东西——包括我们人的身体；太阳上的核反应所产生的中微子可以连续地穿透我们的身体。这些不可见的微小粒子穿越任何障碍时都畅通无阻，它们甚至可以穿越地球，在到达地球的另一面后继续它们的旅程。这种性质使得我们没有探测它们的机会。按照有关的理论，中微子既不带电荷，又不具有可探测的质量，而正是这两种性质的存在使得物理学家们探测到了在云雾室和加速器中的其他种类的粒子。

●沃夫冈·泡利（1900—1959），奥地利物理学家，他因发现有关亚原子粒子的定律而荣获1945年诺贝尔物理学奖。他在1930年首先提出存在着中微子，中微子产生于所谓“β衰变”中，例如在原子弹爆炸过程中。恰好在泡利获得诺贝尔奖的那一年在广岛投下的原子弹就是一个中微子源。

那么，为什么要费力地去探测一种没有质量的粒子呢？概括说来，如果探测到的中微子真的不具有质量，那么中微子的存在就不会对宇宙中的引力有任何影响；在这种情况下，中微子就不可能是失踪的暗物质的一部分。而如果中微子具有质量，就算是这个质量微乎其微，那么数量巨大的中微子就可以组成即使不是全部也是大部分失踪的暗物质。

1930年，沃夫冈·泡利在解决核反应中能量的平衡问题时预言，可能存在着中微子。25年后第一次探测到了中微子，又过了10年之后人类又探测到了在宇宙演化过程中在一定条件下自然地产生的中微子。美国科学家弗里德利奇·赖恩斯是这两次科学发现的核心人物。在赖恩斯还很年轻的时候，他就以喜欢尝试不可能发生的事物而远近闻名。他也梦寐以求地要找到中微子，但他关于这一目标的第一个想法显然是根本不可能的。他曾想，既然中微子是核反应的产物，那么核爆炸的中心才是探测中微子的最理想位置。他很认真地思考研制一个可以放置在原子弹内的中微子探测器的方案，但是几乎不可能设计出一个既灵敏又不会在核爆炸中损坏的探测器。

●弗里德利奇·赖恩斯曾经在1949年—1953年期间为美国特殊武器计划而工作，他应该早已接触过了他所希望的能从中探测到中微子的那种炸弹。

赖恩斯在20世纪50年代干了一件近乎发疯的事情。经过计算，他认为一个输出能量远小于原子弹爆炸能量的核反应堆，也能够产生足够多以至于很容易在电站附近被探测到的中微子。核反应中产生的其他亚原子粒子会被屏蔽物阻挡在内部，但中微子却能穿透这层屏蔽物而飞到四面八方。可是，知道了这些粒子会飞到哪里并不等于可以探测到它们了。我们要探测的毕竟是一种不带电荷、如果有质量则也微乎其微的粒子。

●1945年在广岛投下的原子弹就是一个中微子源。

一种解决问题的方案是，不去探测中微子本身，而是去探测中微子在穿越物体时所产生的效应。因为即使是质量最微不足道的粒子在与其他物质碰撞时，也会释放出一份很微小的能量，这份能量就像是极为短暂和微弱的闪光——就如卢瑟福在他的导致了原子结构发现的金箔实验中所观察到的现象。中微子可能也不外乎如此，当它们与其他物质相撞时就会出现某种它存在着的迹象，这种迹象至少在理论上可以被探测。而且，研制这种能够探测记录微弱闪光的探测器相对来说是不太困难的。问题是在于，怎样辨别这些闪光是来自中微子而不是来自其他粒子。在一个没有经过专门设计的实验环境中，如果记录到了成千上万个闪光事件，其中只有约一个是来自中微子的。这样，从众多的事件中提取出中微子事件来就有如大海捞针了。

可是，赖恩斯很喜欢富于挑战性的事情。他想，如果可以做到尽可能地仔细排除那些非中微子事件，这样就能把中微子闪光事件的候选者减到足够地少。于是，就可以更仔细地研究每次闪光的性状是否符合有关中微子的理论。要做到这些，必须首先找到一个合适的实验地点。赖恩斯把他的实验安排在了很深的地下，因为只有穿透能力极强的中微子才能到达这里，这样其他种类粒子所造成的干扰就减到了最小。另外，他还很小心地把探测器屏蔽得比在一旁的核反应堆更加严严实实。不过，设计核反应堆的工程师们要做的是把亚原子粒子挡在反应堆之内，而赖恩斯和他的同事们要做的是尽可能把其他种类的粒子挡在探测器之外。这样一来就只有中微子这类的穿透能力极强的粒子能够到达探测器并产生闪光。

在上述条件准备就绪之后，他们进行了一系列的校准实验，包括有意识地向探测器中注入电信号，希望以此来模拟所要探测的中微子。完成这项实验需要异乎寻常的细致入微。这意味着要使电信号逼真地模拟中微子的性质，这样探测器上产生的结果就会与真实的实验中的中微子效果毫无二致。在这些校准实验完成之后，又对用电学方法产生的人工中微子进行了实验，发现它们所产生的结果与电信号模拟的相一致，完全在预料之中。此后接下来事情就是等候中微子降临了。这有点像钓鱼，在钓钩、钓线、钓坠等都准备好了以后，就只有“太公钓鱼，愿者上钩”了。

每当检测到一次有可能是中微子事件的信号时，就把所有的关于这次事件的数据记录在计算机中，并认真地加以分析。只有在任何其他可能的解释被彻底排除之后，研究组才确信是探测到了一次中微子事件。这种过程很像是侦探小说中关于那些谋杀案的破案故事。在嫌疑人被一个个地排除在外的情况下，剩下的最后一个很可能就是真凶，这样案子就接近于宣布告破了。同样地，只有在中微子是对探测器所记录下事件的唯一可能的解释时，才能确认是真的探测到了中微子。赖恩斯和他的同事们为自己的业绩感到颇为自豪。事实上在那个地下实验室里，他们很快地做到了在每小时里大约可以探测到三个中微子。

中微子质量之谜

确认了中微子的存在仅仅是迈出了第一步。宇宙学所真正关心的是，虽然知道了在人工核反应中能产生中微子肯定能说明在恒星上的核反应乃至大爆炸中很可能产生中微子，但是还不能说明在恒星上的核反应乃至大爆炸中一定能产生中微子；如果在来自外空间的辐射中也能探测到中微子，这对于宇宙学的意义就非同小可了。如果能确认中微子具有质量，尽管其质量微乎其微，它们就能构成宇宙暗物质的一部分。

赖恩斯未能解决中微子的质量问题，但他终于确认了，在宇宙演化过程中中微子可以在自然状态下产生。他所使用的方法很有些孤注一掷和铤而走险的味道。他把探测器及其屏蔽装置安放在尽可能深的地下，还要离开任何核动力工厂，与原子弹实验场尽可能地远，那个地方的局部地质情况也不应该产生中微子。这样才能保证所探测到的事件只有一个来源即外太空。他使用了一个在南非的金矿，并在1965年发现了一个如果说不如黄金那样贵重，但也属“稀世珍宝”的在射向地球的宇宙射线中的中微子。

有另外一些科学家也在继续进行着关于中微子质量的实验，其中一个在法国北部工作的研究小组已经接近大获成功。叶斯·德克拉斯及其研究组的工作室设在一座核电站附近的经过翻修的城堡之内，所做实验的设计方案和思路与赖恩斯的相比有相当的水平。他们的前一半实验是在比利时的另一座核电站附近完成的。在那里他们很好地重复了赖恩斯探测中微子的实验过程；不仅如此，还仔细地测量了从探测地点到核电站的反应堆核心部位的距离。他们的目标是想知道在离开反应堆一定的距离上、在一小时中能探测到多少个中微子。当有关的这些数据被详尽地记录下来，并且在可以对数据进行预测的理论框架也建立起来之后，就可以搬迁到在法国的另一个实验基地去了。在法国，他们照原样重复进行在比利时做过的实验，不过这一次是在更远的精确测量过的距离上进行实验。目前他们还继续对实验装置进行校准，仔细地寻找由于实验地点变化而引起的任何可能的变化。他们接下来想做的是测量由于离开反应堆的距离增大是否引起了被探测的中微子的总出现率有所降低。

他们的思路是这样的，如果这种降低是存在的，则只能归因于中微子的衰变；这种衰变使中微子变成其他种类的粒子并释放出能量，就如同镭等放射性元素的自然衰变那样。而呈现这种衰变性质的元素必然要具备的条件之一是具有质量。所以如果中微子真的在衰变，那么就意味着它必然具有质量，虽然要严格确定其质量的大小需要更为精心设计的实验才可能完成，但至少我们可以知道，在宇宙中自然状态下能够产生中微子，以及因为中微子具有质量，宇宙中的至少一部分暗物质可以由中微子组成。

●叶斯·德克拉斯在法国北部一座核电站的外面，他希望在这里查明中微子是否有质量。

与此同时，理论物理学家们从另一角度找到了一种检验中微子是否具有质量的途径。它采用了与证明薇拉·罗宾的关于宇宙必然存在暗物质才能解释星系自转的观点的同样的计算机模拟方法，很快地被发展得日臻完善。例如卡洛斯·弗伦克是一位墨西哥籍宇宙学家，其父是日尔曼人，他用这种方法建立了宇宙的整体模型。弗伦克代表了科学家们越来越多的为解开宇宙奥秘而进行的全球性合作，他现在是达勒姆（Durham）大学的教授。

弗伦克建立了一个数据库，其中包括了几乎所有已知的关于宇宙的基本数据，如当前宇宙膨胀的速率，河外星系的尺度大小和质量大小，它们相互之间的距离等等，这些给弗伦克建立计算机宇宙模型提供了必要的基本信息。在计算机上，他可以随心所欲地让模型随时间向前推移或者向后推移。弗伦克还在模型中加入了解释宇宙运动状态的方程式。这包括了爱因斯坦的广义相对论与预期中的粒子和能量所具有的特性（其中多数已经在粒子加速器中被证实了）。之后，他让计算机在已经输入到程序中的所有条件的基础上，自动地建立起宇宙的模型。显然，如果所有必需的因素都考虑到了，就可以指望计算机能给出一个在大爆炸的150亿年以后与我们今天所观测到的宇宙完全一样的宇宙。

●在气泡室中的粒子径迹显示出一次中微子作用事件。中微子来自图的上方，它在与质子相互作用时导致了粒子的溅射。因为中微子不带电荷，所以看不到它，但是碰撞却给出了它存在的线索。

●宇宙结构的典型电脑图。黄色图根据对真实宇宙的观测数据绘制；绿色图是在假定暗物质是热的（例如中微子）前提下，由计算机产生的模拟图；蓝色图是在假定暗物质是冷的条件下所产生的图，它显然更像观测的真实宇宙（黄色图）。

他所得到的第一个宇宙模型，其中只包括了宇宙中的能见物质。不出所料，这个模型完全不像我们这个真实的宇宙。模型中的宇宙没有足够的物质来产生足够的引力而导致星系演化，而是由弥漫在空间的稀薄物质组成的——物质是不均匀的，但都被云雾所包围。

这种结果似乎证明，在这些可见物质之外一定存在着暗物质，它们对宇宙演化机制有着实质性的影响，尚有待于去发现。所以弗伦克和他的同事们转而计划建立另一种模型，其中的中微子被假定具有质量，它们组成了那些踪迹难觅的暗物质。为了确保一切因素都被认真地汇集到一起，又对模型进行了长达数月的调试，终于“万事俱备，只欠东风”了。这一回得到的模型应该更接近于我们已知的真实的宇宙了。

在看到新的宇宙模型给出的宇宙图景时，弗伦克和他的同事们激动得几乎屏住了呼吸。的确，新模型中有星系形成了。可是，这种成功带来的激动突然间又戛然而止，新模型中的星系形状完全不像我们观测到的真实的星系，虽然被假定有了质量，但处于快速运动中的中微子却无力使星系中的物质凝聚得足够紧密以形成真实星系的形状；另一方面，中微子也产生不出与设想的暗物质引力相当的引力。看来会存在着另一种未被发现的奇特粒子。

寻找WIMPs

弗伦克于是在计算机上编制程序来模拟这种新粒子的性质。如果它真的存在，那么经调整后的模型就会更接近真实的宇宙。但他所得到的结果却远远说不上激动人心。这种粒子的运动速度看来应该比中微子要慢得多，有相对大的质量，较少与其他粒子发生相互作用；它们能产生足够大的引力使星系物质凝聚得足够紧密。新粒子不久就有了“冷暗物质”的称号，意思是它的运动速度慢并且具有较少与其他粒子发生相互作用的惰性；相比之下，中微子的运动速度快，属于典型的“热暗物质”。

●卡洛斯·弗伦克绘制了宇宙整体模型的计算机图像，揭示出星系是怎样分布的。

然而，有一件事倒是颇为使人振奋。这就是，计算机所预言的有关这种新粒子的性质的一些细节，与物理学的完全独立的另一个分支——量子力学（关于亚原子粒子和它们组成原子时的相互作用性质的物理学）所预言的一种粒子的性质细节很是相仿。从量子力学所得到的物质基本组成方式的动力学，必须假定有一种未知粒子存在才能成立。这种粒子的性状与弗伦克这些天体物理学家的计算机所得到的粒子的性状几乎完全相同。于是，科学家们尽快确认这种粒子是否真的存在的愿望迅速变成了激情。

在宇宙学中，MACHO这个字头缩写词已然被用来描述某种暗物质。有人用同样的办法以WIMPs一词来代表上述这种新的未知粒子。WIMPs是英语中“弱相互作用重粒子”的字头缩写词。与其他物质只有很弱的相互作用，这意味着要探测这种粒子是极端困难的。因为它们只有很小的概率与其他物质相互作用，所以探测到它们的机会也就很少。这与探测中微子所遇到的困难是十分相似的。所以，科学家们理所当然地使用了与赖恩斯探测中微子时的实验装置类似的装置，如深深的矿井才是最理想的实验地点，探测器必须严严实实地屏蔽起来等。当时有一个非常合适的矿井，位于英格兰北部的约克郡。这是一个特别深的钾矿井，以这里做实验地点可谓特别理想，在这里几乎完全没有对探测器的任何干扰。于是，来自谢菲尔德大学的一个研究组，把他们的实验装置安装在了这个矿井中距地面1.6千米深处。就像赖恩斯和德克拉斯他们的做法一样，谢菲尔德大学研究组的人也耐心地坐下来等待着任何结果出现。可是，他们没有得到像人们在探测中微子时所得到的结果。迄今为止在世界上其他地方也没有探测到WIMPs粒子。

●尼尔·斯普纳在布尔拜矿井下进行他的实验来探测WIMPs。据他的父亲说，这是英国最深的矿井。

●这是哈勃空间望远镜获得的一幅令人惊奇的真彩色图。其中值得注意的并不是较大的或显出黄色的光斑（这些都是前景恒星和星系），而是那些小小的蓝色亮点，它们都是直接观测到的约80亿光年以外的星系。因此，我们看到的是它们在宇宙生命极早期的样子。蓝色产生于强烈的恒星形成活动。虽然那里肯定有暗物质，但没有明显迹象证明它的存在。

可这个研究组远没有灰心丧气。他们认为，由于WIMPs的弱相互作用特性，因而不可能轻而易举地探测到它们。在研究组成员的心目中，成功只是一个时间问题；他们应该做的是持之以恒以及不断地改善探测器的灵敏度，直到有WIMPs被探测到为止。改善探测器的工作招致了很多困难，因为越精密的探测器就越容易在矿井下的气压变化中损坏。由于这种原因，研究组已经损失了两套昂贵的实验设备。

●桑德拉·法博，是圣克鲁兹的加州大学的天文学和天体物理学教授，正在绘制星系的大规模运动图，她相信这种运动是由暗物质引起的。

谢菲尔德研究组持之以恒的精神，终于从天文学家的新近观测结果中得到了鼓舞。女天文学家桑德拉·法博住在美国加州圣何塞，她和她的同事们在一项合作研究中完善了分析天体的光的方法，由于她们充满活力和具有执着精神，这项工作被戏称为“七武士”。她们已经能得到关于恒星和星系的相对运动的三维图像，而这并非她们工作的初衷，但这一结果却使得她们能勾画出一幅宇宙的三维立体图。当这一结果发展为动态的计算机模型时，有一种使人惊讶的运动方式被呈现出来。

虽然就整体范围来说，宇宙中的星系是在相互远离而运动，但在宇宙中很大的区域中也出现了逆向运动，这往往包含了整个星系团。例如我们的银河系所在的巨大的本星系团，似乎就在以很高的速度朝着一个被称为“巨引源”的区域运动。这显示出，在宇宙中有更强烈的引力效应存在，完全不受星系周围的晕轮的影响，而是来自具有WIMPs性质的暗物质。WIMPs暗物质造成的影响比MACHO的和中微子的要大得多。

上述的这些只是强调宇宙中还有许许多多的未解之谜。除了可以把时间上溯到大爆炸最初的1秒钟以内之外，宇宙学家们还无力解开所有的关于暗物质问题的谜底。还没有人能肯定地预言宇宙的最终命运。宇宙是否会在膨胀结束后的大收缩中、经过大规模的坍塌而回到那个奇点状态呢？或者宇宙会永远地无休止地膨胀下去，虽然膨胀速度会逐渐地减慢，但却永远不会停止呢？最终的答案在很大程度上取决于尚未露出“庐山真面目”的暗物质，或者是有待于其他一些前所未闻的事物被发现之后，关于宇宙的这些问题才会真相大白。

第十章
地外智慧生命和类星体的困惑

●射电望远镜开始接收到来自遥远的宇宙深处的奇怪信号时，立刻激发了一连串简直难以置信的宇宙学研究活动，这些研究终于导致了黑洞的发现。

监听来自宇宙深处的信号

类星体的奥秘

类星体和黑洞

原子弹小组

接近黑洞

监听来自宇宙深处的信号

20世纪50年代，一种新的研究宇宙的方法崭露头角了。射电望远镜是在20世纪30年代发明的，到了50年代其分辨率——区分来自遥远的宇宙深处的射电信号的波长的能力——才有了极大的提高。这一进步带来的结果是，在宇宙的很多方向上都探测到了射电信号。于是，有不少人大胆地设想，考虑到我们人类在不断地通过无线电波发出广播信号，那么在我们接收到的来自宇宙中的无线电信号中，是否有其他高度文明的生物所发出的广播信号呢？

这并非荒诞不经的幻想。在我们的地球上已经进化出了人类这样的智慧生物，而地球却不大可能是宇宙中唯一具备了类似的环境条件的行星。尽管地球是围绕太阳旋转的九大行星中唯一一个有智慧生物在其上生活的行星。太阳是银河系中1000多亿颗恒星中的一个，而在宇宙中又至少有数百亿个星系。在宇宙中多得数不胜数的恒星中，难道说只有太阳有一颗有智慧生物能在其上生存繁衍的行星？在如此众多的恒星中，在那些类似于我们的太阳的恒星周围，非常有可能有与我们的地球类似的行星存在。在这些行星上肯定会具备适合于智慧生物存在的理想自然条件。人类早已知道，太阳与其他星系中的其他恒星几乎没有什么不同，也没有任何特殊之处。在宇宙的其他角落中很可能存在这样的行星，与人类相似的智慧生物已经在那里繁衍生息。

●在澳大利亚的射电望远镜阵列，它能综合处理各个子望远镜的数据而得到分辨率很高的图像，这相当于一个直径6千米的单个望远镜所得到的分辨率。

●光学望远镜不能长期置于露天环境之下，它需要圆顶的保护。一个圆顶正在转动之中，以使观测得以开始。

以上的这种观点，即不排除有来自宇宙其他角落的智慧生物在与我们通信联络的可能，引起了科学界的足够重视。在美国政府资金的支持下，建立了SETI研究所（SETI是“寻找地外智慧生物”的字头缩写）。它的目标是通过分析来自宇宙的射电信号来寻找地外智慧生物，这种方法实际上是分析射电信号的性质，确认它是经过智慧生物人为地处理的，还是完全与智慧生物无关的从某种自然过程中产生的随机和任意的信号。这项工作在今天仍在进行之中。令人遗憾的是，除了取得了部分信号处理方面的技术改进的成就外，SETI计划迄今还仍旧一无所获。美国政府甚至已经放弃了支持SETI的初衷，SETI之所以今天仍得以继续下去，是幸运地得到了计算机产业界的支持。但是，SETI还是已经为科学做出了一些重要的贡献。它发现了并弄清楚了来自宇宙中的大量的无线电信号和它们的性质，虽然这些信号不是人为地发射出来的。

类星体的奥秘

当射电天文学家们的射电望远镜探测到大量射电信号时，其他天文学家很自然地也把光学望远镜对准了一些从那里辐射出强烈的射电信号的天区。在分析来自这些方位的可见光时，经常会看到一些使人感到奇怪但又并非完全不能理解的现象，这些现象能够解释射电信号。已经确认，引力会使恒星甚至整个星系相互接近甚至融合为一体，这种过程常常会伴随猛烈的碰撞。在用光学望远镜观测强射电源所在的位置时，有时会看到类似于两个星系发生碰撞、产生强烈的核反应并辐射出射电波。可是也并非所有的射电源都是产生于这种机制，有些射电源看起来是很平常的。然而正是这些看起来很缺乏活动性的区域，对在那里产生射电波的机制进行解释最为困难。

这使天文学家们感到迷惘。他们在这些射电波发生的地方能看到的往往只有一颗像是普通恒星的天体，它的大小与旁边的亮度差不多的恒星也几乎毫无二致。那么，为什么这些类似普通恒星的天体会辐射出射电波，但是在那里并没有发现任何天体碰撞现象存在的证据呢？当天文学家们用通常的光谱分析方法来分析这些对象的光谱时，就越发感到莫名其妙了。在通常情况下，天体的光经过折射后被分解成光谱，经过对其中的夫琅和费线的证认，就可以确定恒星的化学成分；而恒星的运动速度和运动方向则可以由分析谱线是发生了红移还是发生了蓝移及红移或蓝移的程度来得出。而这一次面对一颗这类“恒星”的光谱，几乎所有的人都无所适从了。首先就弄不清楚为什么这颗“恒星”会产生射电波，其次在它的光谱中找不到通常在其他恒星上存在的那些化学元素的特征谱线，这可真是奇怪极了。而对其中一个这种奇异的天体，人们还是给它冠以了传统式的、非个人化的、听起来有些平淡无奇的科学编号，编号的形式与给其他恒星的是一样的，它就是3C273。

加州理工学院的马丁·施密特意识到了3C273的光谱红移程度之大，从而发现了类星体的本质。

第一个独具慧眼弄清了事实真相的人是有着荷兰血统的美国科学家马丁·施密特。施密特在1963年指出，3C273的化学成分实际上与其他恒星和星系的化学成分是完全相同的。可是这一结论根本没有把3C273带回天文学和宇宙学的传统王国；相反，施密特的发现甚至比关于在宇宙中其他位置上存在着异类的文明生物的观点还要使人大吃一惊。施密特的发现是，3C273的光谱中的夫琅和费线并非消失了，而是发生了极大程度的红移，它们甚至几乎要移出可见光谱的红端而到达了红外线区域。

这一现象表明，3C273正在以难以想象的高速相对于我们退行，其光谱红移量指示出它的退行速度高达每秒47400千米。在天体物理学概念中，只有光才可能比它运动得更快。它相对于我们的距离有几十亿光年。这当中的意义也是非同寻常的。我们在望远镜中观测到的是宇宙中最古老的现象，它们距离我们也很远很远，然而看起来却像是和与我们邻近的恒星那样亮，因此它必然包含异常巨大的能量才能够发出如此强大的光和热；如若不然，它们何以看起来和邻近的、发出的光传播到地球所经过的路程要近得多的恒星一样亮呢？所以无论3C273是什么样的天体，我们都能肯定它是非常古老、距离非常遥远、辐射出极高的能量的非常明亮的天体；而且经过计算，就一个具有上述这些性质的天体来说，3C273的相对体积又是非常小的。这些事实使得天文学家们更为大惑不解了。因为3C273和后来发现的若干个与它类似的天体看起来酷似恒星，它们于是被赋予了现在已经流行起来的名字——类星体。

类星体和黑洞

神秘的类星体使天文学家们和宇宙学家们陷入了冥思苦想。是否在一些理论例如广义相对论中，已经包含了关于类星体性质的一些线索呢？类星体与现今流行的宇宙演化的理论框架是否能够相容呢？类星体是否会给整个宇宙学带来新的面貌，以致我们不得不彻底改变我们的宇宙模型，就像托勒密宇宙模型被牛顿宇宙模型或牛顿宇宙模型被大爆炸宇宙模型取而代之那样？类星体的发现，促成了来自世界各地的具有一流水准的观测天文学家和实验物理学家在1963年举行了一次讨论会，地点在美国得克萨斯，于是会议自然地被称为“第一次得克萨斯会议”。可是很有趣而且奇怪的是，后来的几次会议虽然并没有在得克萨斯举行，却居然被称为“第二次”“第三次”“第四次”得克萨斯会议。

●一幅典型的光学望远镜得到的照片，一个星系位于较近的位置，许多恒星或星系位于距离我们更遥远的空间中。从理论上说，这些亮点中至少有一个是类星体而不是恒星。（左上角小图）一幅射电望远镜得到的图像，它可能揭示出事情的真相。在图的上部有一个圆盘状的强射电源，它发射出一股长达120万光年的巨大喷流。

在第一次得克萨斯会议上，在理论天体物理学家们之间一个最大的分歧点，是爱因斯坦方程（就是在本书第五章中所述及的彭洛斯以及斯蒂芬·霍金后来在奇点理论中又发展了的方程）预言的所有物质将会向一个点上坍塌的疑问。在几年前，美国物理学家罗伯特·奥本海默对爱因斯坦的关于物质坍塌的理论及方程提出了质疑，引起了一场不小的震动。可是，由于种种原因，爱因斯坦和奥本海默从来没有当面讨论过奥本海默的观点。首先，因为奥本海默参与了在洛斯阿拉莫斯的美国原子弹研制计划，一度离开了理论物理学；即使在二战结束之后，由于冷战的需要，奥本海默仍然留下继续参与了该项计划。所以直到1955年爱因斯坦在普林斯顿辞世，奥本海默一直没有机会向爱因斯坦表达自己的观点。

●罗伯特·奥本海默（1904—1967）以领导了制造出第一颗原子弹的在洛斯阿拉莫斯的“曼哈坦”计划而闻名于世。他对理论物理学也做出了举足轻重的贡献。

在许多方面，奥本海默对爱因斯坦理论的异议与乔治·勒梅特和爱因斯坦之间关于爱因斯坦用一个宇宙学常数来避免使宇宙处于膨胀状态所发生的歧见很是类似。爱因斯坦早已清楚地知道，他自己的方程式预示了物质会坍塌到一个密度极大的奇点上，可是由于某种原因，爱因斯坦不相信真的会发生这种坍塌。所以爱因斯坦认为，当物质坍塌到一定的高密度状态时，它会开始反抗向内的压力，这样坍塌就会停止下来。而奥本海默则认为，应该把这种理论上的物质坍塌的极限放在一旁而置之不理，让它照旧坍塌下去。这等于是在批评说，爱因斯坦这样做是又一次在自己的方程中设置了一个不必要的“刹车器”（就像他曾经制造出一个不必要的宇宙学常数一样）。可是由于这两位科学家从来没有面对面地讨论过有关的问题，人们只能推测，也许爱因斯坦会向奥本海默承认自己是犯了一个错误，就像他曾经向勒梅特承认是自己犯了一个错误那样。

当参加1963年那次得克萨斯会议的理论天体物理学家们了解到奥本海默将参加会议时，都怀着很大的兴趣希望了解奥本海默的观点和进展情况。除了讨论爱因斯坦是否正确的问题以外，还有其他的理由说明奥本海默工作的特殊意义。这次会议的基本议题是类星体问题。当时已经知道，类星体现象涉及极高能释放过程，而奥本海默所研究的数学问题也包含了超能量辐射概念。于是人们自然而然地开始认真地思索，在爱因斯坦方程与类星体的高辐射能之间是否存在着任何关联。人们期待着奥本海默详细说明他的工作，并指出到哪里去寻找对类星体的解释。

可令人遗憾的是，在这次会议上奥本海默却显得非常沉默和尽量不去引人注目。一种可能的原因是，他曾经参与了美国原子弹研制计划，出于政治方面的原因他当时处在情绪非常低沉的状态。在20世纪50年代初期，美国出现了对共产主义过敏的情绪。其中包括令人生厌的麦卡锡主义，怀疑一切同情共产主义的人。由于反对研制氢弹，奥本海默被疑为是危害公共安全的人，他对研制美国的原子弹所做的贡献也被一笔勾销。这些原因致使奥本海默对任何存在争议的问题噤若寒蝉，即使是对纯学术问题也是如此。

●参议员约瑟夫·麦卡锡滔滔不绝地对被他宣布为共产主义同情者的人提出指控。

原子弹小组

然而在得克萨斯会议上还是有不少没有保持沉默的人，其中就有约翰·惠勒，一位广受欢迎的来自普林斯顿大学的讲师。他也曾经一度参与了美国原子弹研制计划。惠勒素以敢于面对严峻的挑战和采用反常规的方式处理问题而闻名。他向与会人士建议，如果能在理论上清除爱因斯坦理论所预言的物质神秘坍塌的疑点，那么也许关于类星体的诸多疑点也就迎刃而解了。一批年轻的宇宙学家受到了惠勒建议的鼓舞，像丹尼斯·夏玛、罗杰·彭洛斯以及当时未参加会议、但也受到影响的斯蒂芬·霍金。惠勒的学生基珀·索恩也在其内，他后来和斯蒂芬·霍金工作于同一研究领域，并且曾经因为和斯蒂芬打了一次赌而引起了一场风波。这些人都命中注定地成了理论物理学家，并且在后来的岁月里对数学做出了不可估量的贡献，虽然在这些领域中一些早期的工作是由别人完成的。而非常有讽刺意味的是，其中很多人有着与奥本海默一样的背景——曾经参加了原子弹的研制工作。

●约翰·惠勒曾经在奥本海默领导下在洛斯阿拉莫斯参与了原子弹计划，他继续推进了奥本海默对爱因斯坦方程所作的工作。

当时最迫切地要做的一件事是，找到物质能够按照爱因斯坦的方程所预示的方式实际发生坍塌的理论根据。如果如同许多人所设想的一样，物质坍塌这件事只是在理论上有发生的可能性，那么在宇宙中就没有物质坍塌的真实存在，则物质坍塌也就和类星体无关。所以首先要做的一件事是检验爱因斯坦的计算，看它是否适用于物质在高能状态下的行为。这项工作需要大量的数据处理和通晓高能物理学，这就是为什么惠勒和他的同事们转而向曾从事原子弹研制的科学家们求助。

曾从事原子弹研制的这批科学家具备两种重要的基本素质。其一是他们有着使用巨型计算机的丰富经验，美国政府曾经向原子弹研制计划的关于核爆炸的复杂计算提供了巨型计算机，当时只有最重要的政府计划才能得到此种特殊待遇。而且，随着冷战的缓解和原子弹计划的基本完成，计算机的使用率不像以前那样高了。其二是这些物理学家有着丰富的高能量爆炸物理方面的专门知识，根据爱因斯坦理论，这种高能量爆炸现象存在于坍塌物质的中心和类星体的中心。这样，最先进的技术与掌握专业知识的人结合起来，就能很好地解决内容复杂而冗长的计算问题。因此，在原子弹计划实验室工作的这些物理学家逐渐地转向了研究宇宙学。人们也对他们能顺利地、比想象的更快地破解类星体的谜团而寄予厚望。

接近黑洞

他们所遇到的第一个挑战是，对于一颗大质量恒星来说，在它坍塌时是否存在着除了超新星爆炸以外的可能性。如果这颗恒星质量足够地大，它是否可能有这样巨大的引力、在它坍塌过程中任何东西都不能有幸逃逸呢？是否属于这颗恒星的所有物质、包括它的能量，都将被迫集中在一个密度越来越高的点上呢？如果是这样，这正是爱因斯坦方程所预示的东西。在宇宙中一个极不寻常的位置上，令人难以置信地吞啮着周围的一切，甚至连光也不能幸免于难，惠勒称这种有巨大破坏性的不祥之地为“黑洞”。这个名字已经被广泛地接受。

●由于美国国防部的需要，最早的机械式计算机发展成了第一代电子计算机，它以手工在卡片上穿洞的办法来输入数据。

旨在证明黑洞存在的数学计算异乎寻常地复杂和冗长，即使对于当时最快的计算机来说也是如此。在20世纪60年代初，没有高速和性能完善的现代集成电路，计算机还处于很原始的类型。研究冲击波、核辐射、核反应等相关现象需要处理大量的数据，都在实验室里先由穿孔机上制成穿孔数据纸带，然后才被输入到计算机中。事实上，由计算机得到的所有结果都被送到了在普林斯顿的惠勒那里。

●被恒星围绕着的一个黑洞的艺术想象图。那颗明亮的前景恒星可能是一个双星系统的一个子星，另一个子星则坍缩成了黑洞。

对于惠勒的学生们来说，老师是一位很具有启发性的先生，他不时地用一些出人意料的办法来鼓励学生们。每当有学生表达出有创新意识的思想时，他甚至会点燃鞭炮来祝贺。他对于研究工作的活力与热情之高到了传奇的程度。一天上午惠勒走进教室，他的激情可谓前所未有。他刚刚得到了消息，立即学生们大声地喊道：“已经彻底证明了，黑洞确实能够存在！”他又燃放了几支鞭炮以示庆祝。

可是，这个理论结果还不能证明黑洞实际上存在。人们只是由此而得知，在动态的核反应理论中，允许有物质坍塌为黑洞的这种可能性。这意味着有这样的质量足够大的天体，由于引力作用会在某一时刻坍缩并不断地变得越来越致密。有一些恒星的质量似乎真的有这样大，在已观测到的天空中也肯定有整个的星系至少在理论上会在这样一场坍塌中归于毁灭。但是这并不意味着在实际上它们肯定将毁灭，或者有一些与它们同样大小的天体实际上已经毁灭了。还是需要一些观测方面的证据才能最终肯定黑洞确实存在。不过这一理论结果至少现在证明这种新奇现象是可能的。而且，这一结果似乎还向宇宙学家们强调了一条重要的原则，从数学出发而得到的某种预言，无论是多么出乎意料和听起来是不可能发生的，也应该给它留有余地。

●在这幅关于黑洞的艺术想象图中，当物质碎块下坠并挤压在一起时，叫作吸积盘的那个部分会变得越来越热，同时绕着黑洞的洞口旋转得越来越快，并有一股巨大的高温气体物质流喷入空间。

爱因斯坦曾经两度发现，他的方程导致了可能发生使人感到困惑的事情，即宇宙膨胀和物质坍塌成为密度无限大的奇点。于是爱因斯坦不相信这两件事会是真的，他估计是计算出了差错；但是后来出现的证据显示，爱因斯坦最初的结果是正确的，他应该相信自己的初衷。这令人困惑的预言之一——宇宙膨胀——已经被观测证明的确是真的。而他的第二个预言，已经被证明是与被独立地进行的实验证实了的物理学定律相一致。当勒梅特展示了他的关于原始原子的理论时，爱因斯坦坦率承认自己在方程中加入宇宙学常数的做法是错误的。没有人能想象出假如爱因斯坦知道了黑洞可能是一种真实的存在时会如何反应，可能他会坦率承认他对自己的理论做了第二个不必要的修正。可是在一定意义上这些都是无关紧要的。最重要之处在于，宇宙学家们认识到了，他们应该尽力避免对那些来自数学推导的看起来令人困惑的科学预言的怀疑。

可是，上述这些有助于破解关于类星体的疑团吗？如果不能观测到真实存在的黑洞（因为黑洞能吞啮企图从中逃逸的一切），那么看来永远不可能找到黑洞与类星体之间的任何关联了。理论天体物理学家们有责任解决两方面的问题。首先，他们应该弄清黑洞会产生哪些效果，这样观测天文学家们就能通过这些效果而间接地找到黑洞。其次，提出黑洞与类星体之间某种可通过望远镜探测宇宙深处而找出来的关系。如果对这些问题没有真知灼见，那么类星体就会作为一个难解之谜而永远高悬，就如宇宙深处的地外文明所显示的神秘莫测那样。射电天文学已经带来了一些新的谜团，看来要破解它们绝非轻而易举。

第十一章
寻找黑洞

●在这幅艺术想象图中，一股巨大的物质喷流从星系的中央部分射出。物质的这种喷发要求巨大的能量，这极可能表示在星系的中心有一个黑洞。图的右下角画出了一颗超新星。

突发奇想

黑洞中心之旅

相信不可能的事

为黑洞打赌

比小说更为离奇

在第一次得克萨斯会议之后，黑洞问题引起了全社会非常广泛的关注，甚至成了科幻小说的题材，这也就不足为奇了。黑洞是这样一种物体，它有着极其巨大的能量，肆无忌惮地吞啮着周围的一切。它深藏不见，却能毁灭恒星甚至整个星系。它的神奇可以超越任何戏剧中的情节，可以使想象力最丰富作家的作品相形见绌。科幻小说从科学事实中获取灵感总是理所当然的，而且许多一流的科幻小说作家本身就是科学家。科幻从科学中得到营养，而科幻小说也同时有力地支撑着科学。可以毫不含糊地说，在20世纪60年代科幻小说在一定意义上对唤起一股研究黑洞的热潮做出了贡献。

突发奇想

可是，就在上述这次得克萨斯会议后不久，科学所经历的一次震撼几乎导致了黑洞观念的破产。罗杰·彭洛斯正在使用数学中的分支拓扑学（有关形状特性的数学分支）来研究在引力作用下物质向内坍塌的问题。彭洛斯似乎在认识物体的形状导致相互影响方面天资独具；据说是他的思想呼唤出了艺术家埃舍尔的灵感，创做出了《瀑布》和《上升的阶梯》这两幅著名的“谜画”，其中揭示了有些结构虽然粗看起来貌似合理，然而在现实世界中却不可能存在。在《瀑布》这幅画中，水流似乎形成了一个回路，最终流回了原来的地方，当然在路中并没有“水往高处流”的地点。在另一幅画《上升的阶梯》中，由阶梯围成了一个正方形，而阶梯又看起来越来越高；如果它们是连续而不间断的，则实际上是不可能实现的，就如另一幅画中的水流一样。在现实世界中不可能从一个高度上永远上升、在从来不下降的情况下却又回到原来的出发点上；反之也是如此。

●罗杰·彭洛斯在黑板前解释他的高度形象化的数学理论。这部分数学被生动地叫作“扭转体”理论。他的观点被认为唤起了艺术家埃舍尔对《瀑布》（上图）等绘画的创作灵感。初看上去画中的动力学是正常的，但是仔细地审视就会发现水流的路径存在着混乱和错误。

这两幅有名的似是而非的画的意义在于，它们把在理论上不可能发生的事情表现得似乎是可以实现的。对于天真的读者们来说，面对画中的内容常常会陷入困境。画中的东西是真实的吗？如果是，难道理论是错的？反过来如果理论是正确的，则画里的内容必定是错的。使用激励埃舍尔创作热情的同样的数学，彭洛斯如法炮制地给物理学也制造了一个困境。他指出，爱因斯坦的方程所预示的物质向内的坍塌并非只是存在着理论上的可能性，而是这种理论所导致的必然结果，坍塌肯定会发生；而且最终的结果将是，所有的物质集中在了一个密度无穷大的点上，他称这个点为奇点。显然在这个点上所有的物理定律都会完全失效，在数学上也绝不允许任何其他的可能性存在。

上述说法似乎很是荒谬。彭洛斯要物理学家们相信，能帮助他们理解宇宙中物质和宇宙本性以及预示奇点存在的物理学定律，现在却正在引发其自身的毁灭。因为存在着它们自身在其中也不适用的奇点。如果这种奇点是黑洞存在的必然推论，那么黑洞能够实际上存在吗？或者说有关的理论还是非常幼稚的理论，它们导致了不可能出现的结果。这就如埃舍尔的画中的事物，初看上去似乎合理，但在现实世界中却是不可能发生的。

此后，斯蒂芬·霍金指出，彭洛斯关于物质坍塌最后形成一个奇点的过程是随时间而可逆的，物质由外向内地朝着一个奇点坍塌，可以逆变为从一个奇点向外膨胀而成为整个宇宙。物质的体积会增长得极快，膨胀起始于奇点发生爆炸的那一时刻。理解这一点给物理学带来了甚至更大的困难。斯蒂芬·霍金还指出，整个宇宙来自一个奇点，从爆炸短短一瞬间之后就遵从已有的物理学定律发展着，直到现在——已经是从那时起的150亿年之后了。但在那个奇点上，同样的物理学定律都彻底地不适用。宇宙怎么能够在其整个存在期间遵守那些定律，却单单在最初一瞬间不遵守它们呢？迄今为止，还没有人给出可以被普遍接受的解释。奇点问题给我们留下一个深不可测的谜。

黑洞中心之旅

尽管这些理论方面的研究使得黑洞这个概念的可信度降低了，成了类似于天方夜谭式的故事，人们还是决心去把黑洞问题弄个水落石出。也许是得益于科幻故事中的那些逼真的图画，公众特别希望知道关于黑洞的方方面面的事情，诸如我们能走到离黑洞多么近的距离上，如果一个人坠入黑洞中会发生什么等等。于是生动活泼的关于黑洞的科幻描写应运而生了，它们取意于关于黑洞的科学理论而接着进行发挥，比如一个人掉进了黑洞里的情形，在黑洞边缘上的景象等。按照斯蒂芬·霍金个人的但同时也得到了许多科学家赞同的观点，一个掉进黑洞中的人会被压成面条形状。可是一旦到了这种环境之中，可能没有人再有兴趣去关心正在飞速靠近的那个奇点的细节。

●这是哈勃空间望远镜得到的一幅极为迷人的图片，它表明在星系NGC4261的中心处有一个黑洞。图片中那个暗盘似的东西是尘埃构成的，其直径达到800光年。它围绕着无疑具有异常强大引力效应的核心部分极其快速地旋转。

●一些异乎寻常的发现，例如黑洞，激励着科幻小说作家和电影制片人勇敢地表现那些离奇的、其科学论据还仅仅处于谨慎探讨阶段的事物。

●天鹅座X-1的艺术效果图，这是一个位于我们的银河系中的强X射线源，被认为是一个黑洞候选者。物质从X-1的伴星HD226868——它被表现为巨大的白色球体——流出来，在最后坠入黑洞之前形成了一个旋涡状的吸积盘。

鉴于以上这些推测，人们比以往更加关心黑洞这种可以毁灭一切的天体是否真的存在。根据有关的科学理论，这些科幻小说中描述道，一个人如果进入了黑洞就不可能再跑出来，然而在到达黑洞的边缘上的时候却正是处在生死关头的状态。这时就像小船在水流湍急的河流中流漂，飞速地冲向危险的前方。这时必然有一股力量将一切都卷入急流，当越来越多的物质汇集起来时，不同部分的物质也许面临着不同的命运。有一部分物质或许被推到一旁的相对平静的支流中，可是绝大部分却会一起坠入急流，相互之间发生碰撞与融合，同时在加速的旋涡中旋转得越来越快。

大量物质从黑洞的边缘处被推向中心处，这有些像漂浮在溪流中的原木逐流而下。更准确一些的比喻是，在洗菜池中的水面上漂浮着碎渣，当放水口被打开，水面开始下降时，就会在放水口上方的水面上形成一个旋涡；当漂浮的碎渣接近这个旋涡时，它们就会开始旋转，而且越来越快，同时开始下沉。有大量的物质在围绕黑洞旋转的同时又被加速，以致不可避免地会同其他物质发生猛烈的碰撞，而这种碰撞中的一部分与在粒子加速器中的碰撞很是相似。碰撞所产生的爆炸以及物质间相互摩擦都会导致大量能量的产生并辐射到四面八方的空间中。也许在某个阶段产生的能量会足够地多，使它看起来是一个类星体。

相信不可能的事

科幻故事中的图画点燃了人们的丰富想象力。对科幻小说来说，讨论奇点的真实性质当然不如讨论不久就会发现黑洞更为刺激和振奋人心。无论物理学家们是不是受到了影响，他们还是坚定地认为，在奇点问题上遇到的理论上的困难不应该使寻找黑洞的计划半途而废。他们持有这种信念也许部分是因为他们已经开始相信，尽管解释起来很困难，奇点还是应该被接受并且成为真实宇宙图景的一部分。

最具根本性的争论或许在于，即使不考虑霍金关于奇点的理论，已经存在的证据也使人不得不相信的确发生过一次大爆炸；如果真的发生过大爆炸，则依照奇点理论大爆炸就必然与一个奇点有关。这样，物理学就一步步地承认了奇点是真实地存在的，尽管这有些违背直觉和难以置信。奇点的怪异性质构成了对物理学的挑战。对这种观点的支持甚至也来自量子力学（物理学中研究亚原子粒子的性质和亚原子世界中的作用力的分支）。物理学家们早就认为，物质的微观粒子的性质使物理学定律面临着某种问题，也许大小在亚原子粒子层次上的奇点，在性质和能量方面与亚原子粒子有什么相似之处？无论如何，量子力学和奇点一样也存在着某种神秘的、难以解释的内在矛盾。

物理学家们已经发现，在量子力学中，小份额的能量会与粒子发生相互作用。粒子加速器中的探测器已经记录了粒子间相互碰撞的结果，能量可以转化为粒子以及粒子可以转化为能量。理解这一现象的一种方式是把能量也看成是粒子，于是就把最小份额的能量称为光子。用光子的概念来解释光在其他情况下的行为也可以得到非常圆满的结果。例如，当你打开手电射出一束光时，就产生了千千万万数不清的光子。如果把这束光打到一幅开有两条狭缝的不透明屏上，有部分光子就会从这两条狭缝中通过，在屏后产生两条新的光束，每一束光从一条狭缝中产生。可是，假如只有一个光子而不是千千万万个，那么它又会怎样呢？它是否会选择只从一条狭缝通过呢？

为了弄清这个问题，科学家们设计了一个专门的实验，但所得到的结果却颇为使人困惑。虽然只有一个光子，却显示出它同时通过了两条狭缝。这种结果是从观察两束光相遇时所产生的干涉条纹而得到的（当一定数量的光子被分成两束光，每一束光通过一条狭缝后再次相遇时，就会产生干涉条纹）。在这次的实验中只有一个光子，然而在两条狭缝的后面还是观察到了干涉条纹。因为如果这个光子是从一个狭缝中通过的，就绝不会产生这样的条纹；只有光子同时从两条狭缝通过才会有如此结果。这说明了，可以认为光的小份额能量包像一个粒子（以光子形式出现，就如在粒子加速器实验中的情形那样），而同时它又像是波，波的能量会向四面八方辐射。后来，又用电子代替光子做了类似的实验，结果更是出乎意料。在实验中只有单个电子，居然也能产生干涉条纹，电子就像波一样，好像同时穿过了两条狭缝。这种同时像粒子又像波的性质后来被称为“波粒二象性”。波粒二象性现在是量子力学中的一个基本概念，尽管一个东西同时具有两种截然不同的性质这件事是多么地难以置信。

在量子力学中还有一些标新立异的物理概念，其中对于理论宇宙学来说最重要的可能是沃那·海森堡的“测不准原理”了。这个理论认为，不可能同时把一个微观粒子的动量和位置测量得足够准确。这也意味着，在研究微观粒子的性质时，不可能做到非常准确地预言微观粒子的速度和位置。你不能非常精确地掌握粒子的行为，所以必须接受这种不确定性的存在，也包括接受微观粒子时而出现、时而消失的这种听起来不可能发生的事情。然而，虽然这些原理接受起来很困难，它们却适用于像宇宙学中的奇点这种微小物体，它密度极大，却比原子还小。如果从量子力学出发来处理它们，问题就变得不那么棘手了。斯蒂芬·霍金认为，将量子力学用于处理宇宙大爆炸前的奇点，特别是使用测不准原理和量子引力理论，就可以得到宇宙起源的一种方式。但是这些还远远不能证明黑洞的实际存在，只是对认识奇点的不寻常性质有所帮助，但也使得黑洞的存在变得合理些了。

●这是活动星系的对称性的完美图示。活动星系是从它那称为核的中心区域发射出强大物质喷流的星系。发射喷流的能量来自星系的中心，那里大概有一个黑洞。两股喷流是朝着正好相反的方向发出来的。

为黑洞打赌

当关于奇点问题的研究获得进展时，另一些科学家也在努力寻找关于黑洞存在的证据。俄罗斯的雅可夫·泽尔多维奇发现，有大量的恒星是以双星形式存在的——即所谓的双星系统。在这样的系统中，两颗子星相互环绕着运动。很明显，用它们之间的引力作用就可以解释这种运动。如果其中的一颗子星发生坍塌而变成黑洞，另一颗子星还会继续围绕它运动。这个黑洞的质量等于坍塌前的那颗恒星的质量，它的引力会继续对另一颗子星发生影响。于是这另一颗子星看起来就像孤立地在一个环形轨道运动，因为我们观察不到黑洞。找到一颗这样的恒星就等于是找到了一个黑洞的候选者，然后就要按部就班地对这颗恒星进行观测。恒星在环形轨道上运动，有时会接近我们，有时会远离我们，于是其光谱的多普勒移动也会交替地发生变化，有时蓝移，有时红移。如果通过观测肯定一颗恒星有这样的运动，而又观察不到另一颗子星，那么比较合理的解释就是，另一颗子星应是一个黑洞。

可是，从何处着手来找到这种双星呢？随意在数十亿颗恒星中找一个合适的观测对象，然后再花费好几个月的时间对它进行观测，而且希望它碰巧与一个黑洞组成了双星系统，这实在是一件费时费力的事。可是还算幸运，泽尔多维奇能证明，由于黑洞的巨大引力，它能从另一颗子星上吸引出大量的物质，这一过程能以X射线形式释放出大量的能量。可是X射线也能从其他的物理过程中产生，也不能就此作为在附近存在着黑洞的证据，但至少这种现象提供了黑洞可能存在的线索。所以，如果X射线望远镜能确认在空间某个位置上发射出X射线，就可以接着用光学望远镜来仔细观测这个位置看是否能找到双星。如果这里只有一颗单独的恒星，那么它就很是值得更仔细地研究了。如果它的运动方式符合在围绕一颗质量大小与黑洞相当的不可见天体运动的模式，那么这种运动和X射线的同时存在就可证明非常可能存在着黑洞。这时，观测者就可以推断他们是找到黑洞了。

●雅可夫·泽尔多维奇（1914—1987）与他的美国同事惠勒和奥本海默很是相似，都是理论物理学家并参与了本国的原子弹制造计划。他典型的俄国背景引人注目地诉说着他曾参与了一些军事计划。

与此同时，另外进行的计算表明，有别的更具戏剧性的线索可以说明黑洞的存在。在黑洞边缘以外围绕黑洞旋转的所有物质，由于黑洞自身急速旋转的驱使，它们的转速都会越来越快，其中有一部分会被巨大的力沿着直线抛向遥远的太空。这就像一个人想在一杯咖啡中加入牛奶和糖，他不用勺搅拌咖啡而是采取摇动杯子的办法，于是就会有一部分咖啡从杯子的最上部被甩了出去。这就是天文学家们可以用来寻找黑洞的另外一种效应。而一件麻烦的事是，其他一些致密的天体，例如中子星这种由超新星爆炸而生成的高密度天体也能抛射出物质。所以同样地，上述的效应只能给出有可能存在黑洞的线索。为了保证所发现黑洞的可靠性，还需要其他的证据，如能发射X射线和有恒星在围绕着一个什么也看不见的中心旋转。

●这是射电望远镜获得的一幅令人惊讶的图像，它说明了黑洞的威力多么强大！黑洞的全部活动区是图片中央的小亮点，那就是射电源所在的位置。从这个小亮点向两边伸出两股巨大的物质喷流，它们是发出射电辐射的气体形成的大片羽状物，每个羽状物的长度达到了45万光年。

在为这一目的所进行的最初的观测中，得到的结果可说是支离破碎的。的确观测到了有大量的物质从星系中心喷发出来，也在一些空间方位上发现了强的X射线源，然而这些还不能导致任何肯定的结论。一切都悬而未决。真的能发现黑洞吗？难道黑洞只不过是镜花水月，只是从空想的理论中得出来的，只能存在于纸面上、论文中？斯蒂芬·霍金花费了大量时间研究黑洞，他和研究同行索恩打了一个赌（就是惠勒的那位学生，曾参加过1963年得克萨斯会议）。在一个空间方位上，已经取得了关于黑洞问题的很好的观测资料。霍金打赌说那里不存在黑洞，而索恩则打赌说那里存在着黑洞。他们的赌注是，如果索恩输了，他就得为霍金订阅四年的《私人侦探》（Private Eye）杂志，而如果霍金输了，他就为索恩订阅一年的《阁楼》（Penthouse）杂志。实际上霍金宁愿相信在那里真的存在黑洞。他的想法是，如果那里真的存在黑洞，那么他已经完成的工作就有了可观的价值，他也就不在意为索恩订阅一年的《阁楼》，如果那里不存在黑洞，那么自己的许多研究工作也就付之东流，这时有四年的“免费”《私人侦探》杂志作为小小的补偿，也算聊以慰藉。

●斯蒂芬·霍金的“赌友”，加州理工学院的基珀·索恩。斯蒂芬·霍金通常在每年年底都来他这里访问。

证据在逐渐地增多。1979年，在目标天鹅座X-1所在的天区中发现了X射线辐射，有一颗恒星看来像是双星系统中的一颗子星，却观测不到它的伴星。这就是霍金和索恩为之打赌的那个目标。不久以后，一切其他可能性都被排除，人们普遍同意在那里发现了一个黑洞。在20世纪80年代末期撰写的《时间简史》一书中霍金回忆道，他们打赌是在1975年，那时他们有80%的把握认为天鹅座X-1是黑洞所在地；而到了1987年，这种把握就增加到了95%。霍金在几年后终于认输了，他取下了在楼下的布告栏中的打赌“公告”。不久，索恩就开始收到邮寄来的《阁楼》杂志了。

比小说更为离奇

斯蒂芬·霍金还是继续着他的黑洞研究，他研究的途径是通过数学推导的结果来考察黑洞的性质。在这一领域内他的最重要成果是发现了“霍金辐射”。长时间以来霍金主要是在研究黑洞边缘上的物理状态，黑洞的边缘就是光和物质能够逃离黑洞的区域与必然要被吸入黑洞的区域之间的分界面。霍金得到的一个结果是，这个叫作“视界”的分界面所包围的活动区的大小，会随着黑洞吞啮物质的增加而增加。这是一个很有意义的发现，它给出了在已有的物理定律框架下黑洞的可能演化方式。

雅克·培根斯坦是当时在美国普林斯顿大学学习的研究生。他指出，按照霍金给出的黑洞的性质，黑洞必然具有温度。霍金曾认为这个想法是错误的，因为任何有温度的物体必然伴随着能量辐射，但是从黑洞中不会有任何能量逃逸出来，它当然也就不应该有辐射。此后，霍金开始研究计算黑洞的自旋与辐射出粒子的关系。结果出乎他的意料，黑洞辐射出粒子与黑洞的自旋无关，而这些辐射出的物质的温度又与培根斯坦的结果相符。由此，霍金发现了符合已知的有关能量的物理定律的黑洞释放出能量的规律。

当霍金等为了深入了解黑洞而努力进行理论方面的研究时，天文学家们观测了更多的与黑洞有关的目标，这些目标往往出现在星系的中心区。类星体太遥远了，很难进行仔细的观察以确定它们与黑洞之间的关系。可是，韦柯夫和维辛格在1980年发现了一个有关的重要线索，他们观测到了3C273这个最早被证认为类星体的天体周围的星云状物质。其中的含义是很清楚的。那些最早观测到的星云，当后来能更仔细地观测它们时，几乎都被确认为是星系。如果类星体的周围存在着星云，这显示出它也可能是星系的中心，就像许多黑洞位于星系的中心那样。这方面的一个证据是，有大量的物质喷流从中喷发出来的现象正是黑洞的特征，这一点已经从邻近的星系中心观察到。

可是，如果类星体和黑洞以某种方式联系在一起，为什么我们在邻近的星系中却观测不到类星体呢？一种似乎合理的解释是，类星体距离我们非常遥远，或者说从类星体所发出的光比邻近的星系的光要经历长得多的时间才能到达地球。所以我们观察到的类星体，是它们在数十亿年前的样子，那时候所有的星系才刚刚形成。而我们所看到的邻近的星系，依照天文学上的概念，则是它们在不太久以前的样子，它们早已经历过了其中心是一个类星体的演化阶段。这些现象显示，在星系形成的早期，类星体的巨大能量曾经起过不可缺少的重要作用。但是在后来的岁月里这种作用就不复存在了。

一种可能的理由是，在星系形成时，是黑洞的引力将大量的物质吸引到一起。聚集在黑洞周围高速旋转的吸积盘中的高温粒子间的碰撞导致了核反应，这个过程产生了大量的辐射，这就是类星体释放出的能量的来源。然而，黑洞逐渐地将所有碰撞中物质吸引到自身之上，一切活动都慢慢停止下来。在黑洞之外有大量的物质却被推向了相反的方向——一方面黑洞吸引它们，而另一方面远处的恒星和气体的引力也在沿相反的方向吸引它们，竭力把它们拉向黑洞之外的远处。于是，总的物质分布格局就趋向于更稳定。在黑洞周围形成了一个环带，其中的物质围绕着黑洞运动，却永远不会坠落到黑洞之中。原来产生类星体辐射的吸积盘中的粒子碰撞已经不再发生，留下的只有围绕星系中心旋转的恒星星团所发出的光芒。我们在邻近星系中观测到的星光与遥远的类星体的辐射根本无从进行比拟，它们是由早期类星体的活动形成的在中心部位的恒星星团所辐射出来的。在邻近星系的中心的恒星属于目前仍然具有很高能量的区域的一部分，但是与早期类星体中的粒子猛烈碰撞所产生的高能量相比，这一区域的能量又小得多了。

如果这些是正确的，就意味着我们在弄清在约50年前由射电望远镜接收到的神秘信号的意义这一工作中，已经向前迈出了一大步。我们也许还没有理解当初引发科幻作家们的创作热情的所有现象，然而肯定地说，有些开始只是一些奇怪的理论，而现在已经变成了科学事实。迄今为止，还没有任何在宇宙的其他部分有智慧生命存在的迹象，反倒是非同寻常的黑洞，还有它那仍在困惑着我们的奇点，则已得到令所有专家满意的确认。黑洞和类星体都已经有说服力地在科学上占有了一席之地。

这些进展说明，无论宇宙学中的数学做了何种预言，也不管这预言对于我们有限的经验来说听起来是多么不可能，我们都必须对之加以认真的考虑。科幻小说经常为后来成了科学事实的那些东西起到铺平道路的作用。使用爱因斯坦方程可以准确地预言时间和空间的形状变化，它会以我们完全没有体验过的方式影响我们——例如时间翘曲。

大多数人把宇宙想象成一个正在膨胀中的气球，我们就住在其中的某一个位置上。可是，这个气球或许根本不膨胀，而更像是一个松弛和有弹性的袋子。也许我们这个宇宙的时间和空间会弯曲和伸缩到这种程度，以至于宇宙能够被折叠起来。在表面上的两个部分会十分地接近或通过一个“虫洞”连接起来——形成一个奇异的时空隧道，通过它在某一天我们或许会从宇宙的一头一下子到达另一头。

科幻小说的作者们继续超前于科学家们炒作这些观点，他们往往比以令人窒息的极快速度引导我们前进的科学事实还快一步或两步。很难想象我们能到我们这个宇宙的外面去，我们总是假定宇宙可以包容一切。但是现在的科学家们，包括科幻小说的作家们，已经在认真地考虑是否还存在着另外的宇宙——它们也许有无限多个。但如果要真正理解我们这个宇宙的起源，看来必需彻底地更新我们的思想，而转向某种并非轻而易举的、与我们的直觉相悖的思维。

第十二章
从无到有

●哈勃太空望远镜揭示了人类肉眼看不见的东西：离地球异常遥远的暗弱星系。然而即使采用了比人眼灵敏得多的太空望远镜，我们窥探早期宇宙的能力仍然受到限制。

小爆炸和观测极限

用搭积木的方式来构筑理论

微小真空

吹起气泡

无中生有

想一想美国舞蹈演员搭档福里德·阿斯泰尔和金格·罗格斯，或者牧羊人和他的牧羊犬，或者合作发现DNA（脱氧核糖核酸）结构的弗朗西斯·科里克和詹姆斯·华生，有数不清的这种事例说明，好的合作产生的效果比单枪匹马地工作产生的效果往往更胜一筹。在宇宙学中的情况也是如此。例如，开普勒在理论上的灵感，需要加上第谷·布拉赫的系统性观测数据，才弄清楚了行星绕太阳运动的轨道的真实形状。这是将理论与观测结合起来揭示宇宙奥秘的极好的实例。早期人们在海上对地平线附近的船只的观察说明了地球是球形的，而最初的那些宇宙模型必须对这个观测事实进行解释，同时它们也要对观测到的太阳、月亮、恒星和行星的位置做出解释。托勒密的理论模型首先较完善地做到了这一点，所以它能在很长的历史时期中长盛不衰，一直延续到伽利略的观测证据说明其存在的缺陷。从牛顿理论出发建立了新的静态宇宙模型，而在300年之后，哈勃的观测证据导致了大爆炸动态宇宙模型。而且迄今为止，观测事实继续支持着这个理论。彭齐亚斯和威尔逊探测到了大爆炸后遗留下来的背景辐射，乔治·斯姆特和COBE卫星观测到了宇宙中温度微小的纹波，而星系正是从中演化而成的。

小爆炸和观测极限

然而，对宇宙学来说有点不幸的是，理论和观测的极其有效的结合已经到了极限。如果想正确地回溯到宇宙的初始状态、那开始大爆炸的一刻，就不难理解为什么观测再也不能给我们助一臂之力了。现在我们还能观测到宇宙爆炸的剩余背景辐射这件事已经很非同寻常。在比冰点还低273摄氏度的绝对零度，已经探测不到任何热量，这也正是绝对零度的定义。处于绝对零度的物体不能用任何测量温度的办法探测或观测到。在大爆炸150亿年以后的今天，由理论计算可知，宇宙背景的剩余温度应该只比绝对零度稍高一点。但我们不仅观测到了背景辐射这个大爆炸遗迹，而且还观测到了其中存在的温度起伏，这等于是通过观测发现了星系的起源。

就如同观测冷的物体有一个极限——绝对零度一样，观测高温物体也存在着一个极限。有关理论告诉我们，在极高的温度下，所有的物质都会变成不透明的，于是就不能观察到这些物质的形状和结构了；这就好比有各种物体隐藏于浓密的热雾之中。所以尽管我们能建造威力越来越大的望远镜，能够观测到比一些类星体更遥远的宇宙深处。但我们已经明白，我们还是不可能沿时间上溯而观察到宇宙大爆炸那么早的时代。当然不要忘记，我们所观测的目标距离越远，从那里发出的光经过这段距离所需的时间就越长。这里所讨论的遥远天体的距离都是以光年为单位的，这样也就同时给出了光从那里发出来一直到被我们所观测到所用的时间。这意味着，假如能观测到150亿光年以远的宇宙深处，我们就能看到大爆炸那一刻的情形了。可是我们知道这是不可能的，不管所用的望远镜有多大。当我们沿着时间的旅程回溯而上的时候，在距离大爆炸大约30万年的时候就会遇到那浓密的热雾。

●很难想象出宇宙演化过程的纯理论模型应该是怎样的。我们甚至对于日常生活中的事件，如一滴水从淋透雨水的树上掉进下方水池之中，如果定格在短短的某个瞬间，也会感到非常陌生。暴涨理论研究的就是宇宙初创时短短一瞬发生的事情，而且常常用泡沫来描述。

事实上，如果力图观测到宇宙的最初时刻，我们能做的最好的是，观测那些在理论上应该存在的大爆炸刚刚过去后的环境。在当前的技术条件下，这些环境可以被模仿出来，但只能在粒子加速器中维持短短一刹那的时间。在最快的碰撞发生的那一刹那，所产生的温度和压力被认为与大爆炸后最初1秒钟内的温度和压力相当，于是被物理学家们称为“小爆炸”。但是小爆炸太短暂了，科学家们只能得到关于大爆炸时情形的很少的线索，尽管它模拟了大爆炸后的一刹那。它不能告诉我们是什么因素创造出了这些条件并且将其维持下去，直到演化出了今日的广袤而神奇的宇宙。

●计算机显示的粒子碰撞事件可能是我们所能观察到的最近似于大爆炸的情形。粒子加速器中一些最猛烈的碰撞在极短时间内产生的压力和温度，在大爆炸的最初瞬间肯定也曾存在过。

在粒子加速器中的这些现象能够证明的一点是，可以在极高的温度和压力下幸存下来的东西只能以纯粹能量形式存在。粒子的径迹看起来不是起始于碰撞发生的那个位置，它们是探测器在碰撞点上探测到纯能量一刹那之后形成的。但是这还是不能告诉我们在一刹那之前发生了什么。大爆炸到底是怎样开始的？是什么因素导致了宇宙膨胀并维系了后来使得宇宙不断地膨胀下去的一系列反应的发生，以至在150亿年以后的今天它仍在继续地膨胀？如果能制造一座可以产生更加极端条件的加速器，在其中可以模拟出在小爆炸之前的情形，这对于宇宙学肯定是有非常重要意义的。那时，我们也许能观察到可以帮助我们回答诸多的问题的现象。可是，我们所能观察到的东西又一次地遇到了限制。

最早的粒子加速器只有约1米长，这样短的距离却足以把粒子加速到能够击碎原子。可是要想把粒子加速到稍稍快一点的速度，就必须使加速路程长得多才能实现。例如，CERN加速器有长达27千米的路程，才能把粒子加速到碰撞后能产生小爆炸。而经计算得到的能够模拟更早一点点，即大爆炸开始时的条件的加速器的大小，有的物理学家认为要有太阳系那么大才行，有的干脆认为必须要有整个宇宙那么大。看来哪一种看法正确根本就不重要了，这样大的加速器显然都不具有任何可行性。这样我们就再一次地遭遇了观测条件的限制。

用搭积木的方式来构筑理论

由此看来，宇宙的终极秘密也许只能由理论方面的工作来解决。这可能导致的一个显而易见的危险是，占据优势的往往是那些以最大的音量讲话和口若悬河、无比雄辩的人，而不是那些经过实验证实的科学理论。初看起来，只凭借理论自身似乎无法证实一种理论的正确与否，而实际上发展中的理论的某些方面本身就含有所需证明的种子。

理论物理学家们的工作方式有些像儿童们玩积木。每块积木的每个面上都有一幅图画的一个部分，由于每块积木有六个面，所以能把积木拼起来显示六幅可能的图画中的一幅。当然，每次拼积木只专注于拼出一幅有意义的图画。因此，经过不断地尝试和重组，总会拼出一幅有意义的图画来。构筑一种有希望的宇宙学理论的过程与上述过程很是类似。但问题是，我们如何证明拼出来的图就是我们要的真正的图而不是貌似可信的可能性呢？

玩积木时，通常可以把搭建好的整套积木翻转过来，同时小心地保证已经拼成的那幅图保存完好。于是这幅图被压到积木底下看不见了，原来压在下面的那一面现在显示在上面了。如果你现在看到的是一幅与原来拼成的那幅全然不同但完全可以看懂的有意义的图画，那么你可以确信你拼合的第一幅图画是正确的。构建一个有希望的宇宙学理论与此类似；如果发现这个理论能使另一个理论成立，那也就证明原来的理论应该是正确的。

一个很好的实例是斯蒂芬·霍金发现霍金辐射的过程。他想通过对几个俄国宇宙学家的理论进行改进来建立一组简化的方程，用以描述黑洞是怎样由于自旋而辐射出粒子的。斯蒂芬后来发现，他的方程给出了较以前结果稍有不同的结果，黑洞辐射出粒子与它的自转并无必然联系——这个结论相当于搭建好的积木的一个面——它是不是正确的呢？当霍金考察这个结论所导致的结果时，他发现由此结论出发则黑洞必然具有温度，这就恰好与培根斯坦的理论不谋而合。这相当于在搭积木游戏中由积木的另外的面组合而成了第二幅有意义的图像。

有一两种关于宇宙起源的理论得到了上述一类证据的支持，已经被广泛地接受了。在此基础上我们朝着理解宇宙的起始点即我们不可能观测到的最初一瞬间的情形前进了一步。然而，有其他一些观点却并未得到理论上的支持。因此我们必须谨慎地分清已经被宇宙学家们广泛地接受的观点和那些不过是未经证实的个人观点。

●当积木的一面拼接成一幅有意义的图画时，与之相对的另一面会自动出现另一幅图画。这是说明第一幅图画正确的一种依据。本图中的积木显示了安德烈·林德的头像和表明他的第三版暴涨理论能够成立的计算机生成的图。

微小真空

现在已经被宇宙学家们广泛地接受的一种观点是所谓暴涨理论，起始于20世纪70年代末。那时冷战已趋缓解，但是在苏联，公众观点的表达却仍然处于政府的严厉控制之下，在科学新发现的发表问题上特别是如此。在莫斯科，一位有才华的青年物理学家安德烈·林德正在致力于研究关于在早期宇宙中、在大爆炸刚刚发生之后，从理论上来看是什么因素导致了如此快速的膨胀。因为肯定有某种原因导致了今天我们观察到的宇宙膨胀速度以及现在的宇宙尺度。

有一天林德得到了一个灵感。他记得数年前有人曾指出如果将量子理论应用于制约真空本质的定律，原则上能量可以从一无所有之中自发地产生。这意味着可以将测不准原理应用于微小的真空，就如测不准原理可以应用于亚原子粒子那样。同样地，在量子力学中粒子可以以某种方式时而出现、时而消失；这个理论也可以允许最微小的真空处于这种势态。由于有关黑洞的经验已经向科学家们表明了，对于数学和优秀的物理理论所预示的任何结果都必须认真地对待，对以上的观点给予重视看来并非小题大做。（应该注意的是，根据现有理论，即使在真空中也存在着能量，所以在真空中本来就并非真的“一无所有”。——译者注）

问题是在于，即使承认从真空中可以无中生有地产生一份微小的能量，可也没有充分的理由认为这种能量可以转变为宇宙中所有的物质，正是在这个问题上林德有了他的灵感。林德理解到，已经进行的关于真空中的能量问题研究工作显示，真空中的能量会自动地膨胀。那么在这之后会有什么事情发生呢？真空能量是否会从无到有地出现了，并快速地膨胀起来却不再次消失？这种能量的暴涨会不会长时间地连续不断地进行下去，一直到所有的物质充满了现在我们观测到的这个神奇的宇宙？

●暴涨理论的奠基者之一、前苏联科学家安德烈·林德现在美国斯坦福大学任教。

●阿兰·谷斯清楚知道，他的理论尚不能得出正确的结果，因而人们对他的理论所表示的赞扬并不意味着已被普遍接受。但他提出的暴涨理论仍然被宇宙学家们承认是有助于解释初期宇宙的一个重要理论。总有一天我们将确切知道如何使这个理论符合要求。

林德为这种可能性的存在而为之一振，通过数学推导他发现在理论上宇宙可以诞生于这种快速暴涨中。可是这里也存在一个问题——这个宇宙的性质与我们的真实宇宙的性质并非完全相同。那么这种观点是否值得认真对待呢？林德坚信的确是如此，他决定对这些理论进行修正，使得其结果更接近于真实的宇宙。然而在这一关头他无意发表他的有关理论，因为从当时笼罩在苏联科学界的大气候来看，林德深信当局不会同意发表他的观点。他们会说，林德的看法很有趣，然而却不可能被证实，因为从林德的理论出发得不出一个真实的宇宙。所以林德所写的有关论文也肯定会被置之不理。

与此同时，一位在美国工作的物理学家阿兰·谷斯也得到了同样的理论结果，他也为这一结果而兴奋异常。阿兰·谷斯在突然间得到这一新想法的当天夜里就进行了有关的数学演算，并于第二天继续进行，还向同事们展示了这一工作。他拿着写满他的方程的笔记本，上面还用潦草的笔迹写着简短的标题“让人大吃一惊的观点”。当他演说完自己的暴涨理论时，同事们都已经意识到这肯定是非常重要的进展。谷斯还解释了，真空能量最初的暴涨可以导致宇宙的诞生，虽然所产生的宇宙不同于我们周围的宇宙。与苏联人很不同的是，美国人的传统是，当一种新的有希望的科学观点初露端倪的时候，就倾向于把它发表出来，即使其中还存在着某种问题也无所顾忌。谷斯毫不犹豫地把他的新观点在一家科学刊物上发表出来，于是他理所当然地获得了暴涨理论发现者的荣誉。

无论是这两个人谁率先发现了新的观点，林德和谷斯无疑是各自独立地完成了新理论的工作。当他们都知道了这种理论不能对真实的宇宙做出准确的描述时，林德对谷斯发表新理论的勇气表示了钦佩。毋庸置疑，两个国家不同的科学研究风格对论文的发表方式产生了重大的影响。

吹起气泡

许多宇宙学家现在相信暴涨理论与早期宇宙的某些特定方面还是相符合的，但是也有一些人认为需要一种全新的理论才能得出一个有说服力的宇宙模型。可是林德却坚信暴涨理论经过改进后就可以摆脱存在的任何问题，他在一个夜晚突然想到了一种可能的解决办法。当时为了不影响正在梦乡中的妻子，他躲在卫生间打电话。无论电话中讨论的话题是什么，当林德感到关于暴涨问题的另外一种思路突然涌上心头的时候，他一下子把话筒扔到了一旁，不惜让在电话另一头的朋友莫名其妙地陷入窘境，跑进卧室摇醒了妻子，无比激动地大声喊道：“我猜我知道宇宙是从何而来的啦！”

林德的新灵感的关键因素是，他曾经假定，所有的真空能量都暴涨成为了现今的宇宙。可是如果事情并非如此，结果又该如何呢？假定真空中的全部能量都释放出来了，就像刚打开饮料瓶时咝咝地响着溢出来大量的气体。在这一过程中有许许多多的气泡——不只是一个大气泡——在拧开瓶盖、瓶内压力突然减小的瞬间一起涌上顶部。为什么不能设想，真空中的能量变成了亿万个小的能量泡，就如上述的饮料瓶现象一样，而只有其中的一个小能量泡暴涨成了我们今天的宇宙？林德基于这种思路重新进行了数学推导之后发现，一个与我们生活的这个真实宇宙相符的宇宙就可以由暴涨理论得出来了。看来他向妻子夸下的海口终于实现了。

可是还有一个显而易见的问题必须回答。如果只有一个真空中的小能量泡暴涨成为宇宙，那么其余的能量泡又怎样了呢？因为每个能量泡本来都可能暴涨为宇宙。从逻辑上说，有两种可能的回答，一种是它们暴涨成了我们这个宇宙之外的宇宙，我们却永远不能看到或探测到这些宇宙；一种是有其他的某种未知因素起了作用，其余的能量泡都不复存在，只有我们这个宇宙幸存下来了。由于找不到一种恰当的方式在描述和解释暴涨的数学方程中加入表示上述未知因素的因子，看来这里需要发现某种新的物理定律。

可是苏联人关于什么才是严谨的科学的观念，又一次地延误了林德公开发表他的多重宇宙暴涨理论。虽然的确是他率先建立了这种理论，但是另外两个研究暴涨理论的美国人发表文章阐述了这种理论并指出了它的缺陷之处，他们轻而易举地就做完了这件事。这位苏联科学家对必须得到当局的批准才能像国外同行一样公开地、轻松地从事理论物理学研究感到特别失望。当然现在世界各地的宇宙学家们都承认林德是第二版宇宙暴涨理论的创始人物，可是他在宇宙学家们当中知名度还不是很高，斯蒂芬·霍金就是不认识林德的宇宙学家之一。

●暴涨理论认为，真空中的能量会膨胀而且会像饮料产生气泡那样向外释放。林德和谷斯这些理论物理学家面对的问题，就是要弄清楚我们所在的宇宙是怎样从这样一个点演化而来的。

1981年，斯蒂芬出席了在莫斯科召开的一次国际会议，由于疾病缠身，他的发音很难听得清楚，他所要讨论的专业问题又涉及了一些特殊的词语，只有宇宙学家才能很好地理解，所以一位译员在理解他的话时遇到了困难。于是，安德烈·林德同意兼任翻译员向大会宣读斯蒂芬的论文。林德回忆道，当斯蒂芬·霍金开始阐述他的观点时，林德感到有些尴尬，因为斯蒂芬很透彻地说明了多重宇宙的观点并且指出了其中存在的缺陷。结果林德不得不在本国同事面前详细讲述自己的理论存在的不足。

林德和霍金后来一起离开了会场，来到霍金居住的旅馆房间并开始研究有关的方程式。在他们之间始终没有发生什么争执，因为林德深知这个理论存在的缺陷。让所有的能量泡创造出多重宇宙来，这就存在一个问题，即从数学上考虑就应该存在无穷多个宇宙，这意味着任何一种情况都可能出现。这个理论不能减少存在的各种可能性，也不能解释我们这个宇宙为什么会演化为现在的样子，只是简单地认为在存在着各种可能性的前提下，我们的宇宙就是这样演化的。通过天文观测我们已经知道自己在宇宙中的位置，多重宇宙理论并不能让我们了解更多的东西。这个理论允许任何一种可能性都存在，所以就等于什么也没有说。一种可以允许任何事情发生的理论是毫无意义的。

这个理论的另一种解释认为我们这个宇宙是唯一幸存下来的，也远非令人满意。如果没有一种现有的物理定律允许这种可能性的存在，只是为了达此目的而临时创立一种理论，就会在很大程度上损害理论的可信性。这等于又是在说所有的可能性都存在，只是因为有一些尚未发现的定律我们这个宇宙才得以唯一地幸存下来。这样，这个理论又一次地因为什么也没有说而显得那样苍白无力。

无中生有

安德烈·林德意识到了所有的这些缺点，而且也体会到了越来越严重的苏联科学界的官僚体制问题。他深深地感到失望了，很难再维持对于自己研究领域的热情。当他接到上级的指令时，他对于宇宙膨胀这个课题的想象力已经近于枯萎了。他被命令代表苏联参加一个物理学国际会议，并且被要求在几天之内写出一篇有分量的论文以显示苏联的科学水平。他于是集中精力，像他自己说的那样变戏法似的撰写论文，另一方面，这些因素终于使得他决定离开苏联到美国去继续他的事业。

林德这次写出的论文经过修正已经成为关于宇宙暴涨的第三个理论，在美国斯坦福新居之中，林德不无自豪地借助于计算机绘制的彩色图形来说明这一理论，在斯坦福，林德和他的妻子都在大学里教授物理学。林德的新理论堪称全面创新，却几乎没有得到其他宇宙学家的支持，但他果敢地宣称关于大爆炸理论的所有问题都已经解决，而且大爆炸发生的时刻已经确定。这个理论依靠的是物理学中的场的概念。

很多人都知道在磁场中会显示出与磁有关的种种性质，而且带电粒子在磁场中的运动与其在磁场中的位置有关。林德认为，在被称为“标量场”的另一种场中，时时地会产生微能量泡，它们会暴涨为许多个宇宙。这些宇宙又分成性质相同的组，这些组又相互连接起来，就像沸腾的水面上的气泡那样。在每个组之内，不同的宇宙可能演化得稍快些或稍慢些，这取决于它们在标量场中产生出来的方式。我们的宇宙就是这样一个组中的一个成员，它以恰似我们所观测到的这种方式演化。

林德自信自己发现了一种永存的宇宙网络连续不断演化的方式，每一个宇宙都以自然的方式从标量场中衍生出来。每个宇宙的演化都经历过大爆炸的阶段，但大爆炸不是它的起源，这样就避免了奇点所带来的问题。然而，他必须花点时间去说服其他的宇宙学家接受他的全部观点才行。也许只有林德自己能理解标量场理论，但是用一切都来自暴涨来解释早期的宇宙还是被广泛地接受了。关键的问题是找到一种判断这种理论正确与否的方法，但迄今为止既无法证明其正确，也无法证明其谬误。暴涨理论必须显示出它的相当于积木图像的另一面才更有说服力。从另一方面来说，直到现在也还没有出现一种比暴涨理论更好的诠释宇宙早期膨胀是如何发端的理论。

第十三章
一切系于弦上

●科学家使用人造卫星得到的观测数据可以避免地球大气干扰造成的歪曲。哈勃空间望远镜和科比卫星都是这方面的极佳实例。近期的卫星观测方案设计中都采用了许多巧妙的方法，有望得到关于宇宙起源的新线索。

适者生存

大统一理论

弦上的夸克

第十一维

M理论

普朗克探测器计划

适者生存

当安德烈·林德离开苏联抵达美国时，他仍然在为他的暴涨理论的第二个版本而冥思苦想，在这当中他需要一种新的物理理论来帮助他摆脱模型中出现的那些多余的宇宙的困扰。林德定居于西海岸的斯坦福大学。而这时在美国东海岸的宾夕法尼亚，另外一位宇宙学家李·斯莫林却在思考着将一种新的关于自然界的定律应用于宇宙学，但是他的出发点却不是林德在其中引申出了真空中的微小能量泡的量子理论。斯莫林致力于爱因斯坦理论相关的数学以及黑洞、奇点等的研究，还在研究斯蒂芬·霍金是如何演绎宇宙是从一个奇点中演化出来的。

斯莫林考察了奇点的数量问题，这些奇点是已知的黑洞必然的最终结局。为什么它们中的全部或一部分没有演化成为新的宇宙呢？他找不到任何一种物理定律能够解释这一点，于是斯莫林进行了一番所谓“横向思维”。在自然界中有这样一种情况，起始于同一个点上的所有东西，并不能全部地发展起来。特别是在生物学中有无数这样的实例。亲鱼能产下数以百万计的卵，但只有少量能被受精。从受精卵孵出的鱼苗中的一部分也可能被别的鱼吃掉，不能长大成年。对于人类和大部分哺乳动物来说，需要有数以百万计的精子才能保证其中的一个在经过某种危险的旅程之后与一个卵子结合并使之受精，于是才有一个胎儿从中孕育出来。这就是人所共知的生物学定律——“物竞天择，优胜劣汰”——查尔斯·达尔文进化论的中心思想，它将地球生物之间复杂关系的内涵昭示于我们。

●李·斯莫林想知道生物学是否能帮助物理学解释为什么我们会居留在我们看到的这样一个宇宙中。

类似的规律是否适用于宇宙演化问题呢？斯莫林这样思索着。也许在宇宙的历史上曾经有很多奇点诞生，但是只有一个幸存下来，就如使卵子受精的那唯一一个精子一样。只有那个最适于生存的奇点才演化成为现今的宇宙。

大统一理论

虽然斯莫林的见解为林德的多重宇宙模型存在的问题提供了非常好的解决方案，但他的见解还是没有赢得宇宙学家们更多的赞赏。而且作为一种理论，它并没有得到一种物理学方程或实验证据的支持。大多数宇宙学家当然希望，在现有物理定律的框架之内找到一种包容一切的对这个宇宙的描述。他们很接近实现这个目标了，对于其中的大多数人来说，完全没有必要从另外一个截然不同的学科来引进一个定律。可是，物理学家们同时也意识到，在科学给出一个关于物质运动的完整的解释之前，有一个核心的问题必须予以解决，这就是宏观物理理论（相对论）和微观物理理论（量子力学）之间的不协调。这多少有点像开凿隧道，如果是按照严格的计划从山的两侧同时开凿，而两端的经严密控制逐渐前进的隧道开凿面却不能正好在山体的中部迎头会师，这真令人大失所望。

●自然界有什么东西能帮助我们弄清楚宇宙学遇到的难题吗？需要大量的鱼卵才能保证有足够的鱼苗存活并发育成熟，从而维持物种的繁衍。我们的宇宙可能是大群萌芽期宇宙中的唯一幸存者吗？

●阿尔伯特·爱因斯坦对宇宙学做出了也许是比任何其他科学家都更重要的贡献——然而他却未能建立起囊括所有物理学的大统一理论。

相当于在隧道一头的爱因斯坦的广义相对论，对大尺度动态宇宙给予了极好的解释。其中关于引力的方程在预报太阳系内行星的轨道方面能给出足够高的精度，尽管所涉及的距离尺度很大。如果我们能发现宇宙暗物质的准确数量和真实性质，那么广义相对论就能继而对星系的动力学问题给出完美的解释。而相当于在隧道另一头的量子力学能对亚原子粒子的行为给出极好的描述，像海森堡的测不准原理和波粒二象性这些量子力学的规则和观念，已经在很高的精度上为从粒子加速器所得到的观测事实所证明。然而，当物理学家们试图将这两种堪称伟大的物理理论在它们应该相遇的地方融合为一体时，它们却显示出是格格不入的。关于宇宙的宏观物理学（主要取决于引力和奇点的可爆发性）既需要把微观物理学也包容进去来解释一个奇点怎样产生并导致了大爆炸，又需要用引力效应来解释大爆炸后宇宙的形成。

将这两部分物理学衔接起来的理论被称为“大统一理论”。一个事先的假定是这样的，如果这个理论能够建立起来，将使物理学能够描述整个宇宙中所有形式的物质行为。它将能包含所有的作用力，以及这些作用力如何在原子中起作用和如何在宇宙动力学中起作用。爱因斯坦曾意识到有关这个理论的方程的重要性，并相信这些方程能像他以前得到的方程E=mc2 那样简明却又具有深刻的内涵。他在普林斯顿的晚年中耗费了很大精力去寻找“大统一理论”。在他逝世的那一天，他的案头上还放着写着方程式的手稿。但是迄今为止，还没有人在爱因斯坦的计算中发现任何他所努力寻求的目标有已告成功的迹象。

弦上的夸克

在爱因斯坦去世仅仅几年之后新的希望就出现了。20世纪60年代初期，粒子物理学家们发现，可能存在着比在粒子加速器观察到的亚原子粒子更为基本的一族亚原子粒子。他们认为这个族由六个更基本的粒子组成，这种更基本的粒子称为夸克。这些夸克具有各不相同的性质，可以按三个夸克组成一个组的方式组成许多不同的组来产生物质的下一个层次粒子的基本性质。在一段时间里这只是一种理论上的假说，可是后来获得了观测证据的支持后，物理学家们却开始对此感到颇为疑惑，因为似乎不可能观察到单独存在的夸克，它们总是以链接在一起的形式出现。

这一现象导致了这样的看法，那些由夸克组成的较大一些的基本粒子，它们很像是一段又一段的弦，在每一段弦的两端各有一个夸克。有时候是单独的一段弦，有时候弦的两端连接到了一起，成为一个小小的环；在每一种情况下，弦上的夸克都不能单独地分离出来，因为它们已经是弦的一部分。此外，依组成一小段弦和弦环的三个夸克的性质的不同，弦将以独特的方式振动，这些不同的振动方式又决定了它所组成的高一层次微观粒子的性质。由于这方面的理由，夸克被赋予了听起来很不具科学色彩的名字，例如“顶夸克”“底夸克”“上夸克”“下夸克”“奇夸克”“魅夸克”等。它们不像基本粒子那样被认为是单独的质点，而被认为是正在振动着的弦，这种振动决定了我们在原子中探测到的那些作用力。

尽管弦理论听起来颇为玄妙，但它的确已经使得对粒子在构筑高一级物质结构研究的数学计算大为简化了。如果不是有一种数学能最有效地利用这种研究亚原子粒子的新方法，那么也不会对宇宙学家们产生重要影响。这里所指的是拓扑学。拓扑学是数学的一个分支，斯蒂芬·霍金和罗杰·彭洛斯用来构筑描述黑洞深处的奇点的理论和关于宇宙起源理论的数学方法就用到了拓扑学，霍金和彭洛斯的理论又建立在爱因斯坦引力方程的基础之上。于是，拓扑学就可以包含相对论、引力理论以及表述亚原子粒子的弦理论的数学方法。这是否就意味着，在一定意义上弦理论和拓扑学研究包含了那难以捉摸的大统一理论，而后者又可以把整个物理学都统一起来，并且最终地解释宇宙起源问题呢？

●揭示原子内部的秘密这项工作越是深入就越步履维艰。原子核被电子包围着（左图），每个原子核由质子和中子组成，每个质子或中子又由三个夸克组成（中图），由三个夸克组成的每个夸克组——此处给出的是一个质子（右图）——的中心都有弦。为了得到相对大小的概念，可以把原子想象成太阳系，那么弦的大小就相当于太阳系中的原子。

第十一维

据说一位物理学家乘船前往希腊途中为了消遣时间而翻阅一本数学百科全书，在偶然间它首先从包括了弦理论的拓扑学的数以百计的方程中找到了关于引力的公式，接着他又找到了对于亚原子物理学是处于核心地位的电磁力的方程。无论这当中的事情到底有些什么联系，物理学家们是想在建立包罗万象理论的挑战中，通过考察弦理论中诸多的复杂方程来找到一条出路。在刚刚开始的时候他们精神振奋，对于找到一种数学公式来解释宇宙的起源而满怀着希望，可是到了20世纪80年代初期，仍然没有令人满意的结果出现，于是物理学家们逐渐地体会到了弦理论的数学是远非简单的。

弦的振动涉及到时间和空间的振动，所以描述弦的数学应该至少是四维的。其中首先有空间的三维，设想一个物体例如盒子，它必然有长、宽、高三维，另外还有1维就是时间。这个盒子可以被从一个房间移到另一个房间，这种情况下就不难理解第四维——时间因素的作用。尽管盒子的长、宽、高都没有改变，但它在一定的时间内被移动了，其位置发生了变化。

可是，描述弦的运动的数学如若只有三维却是不够的。设想一个盒子的长、宽、高可以发生某种改变，这种改变并不难理解。它在一定时间内发生位置的改变也不难理解。然而可以设想除了在这三维内的变化外还有另外的变化模式吗？大多数人肯定很难再进一步想象。可是弦理论的数学却预示出存在着第五种模式以及更多的模式。研究这些模式的一种简单方式是将它们称为第五、第六和第七维等等。这里的动力学问题虽然很难想象出来，但是为了得出弦理论的方程式，它们还是有用的。当今最前沿的弦理论认为至少存在着十一维。

如此之多的维度使得计算变得复杂而纷繁。非常使人心灰意冷的是，试图从成千上万个方程式组成的迷宫中找到一种答案的努力却至今一无所获。一些物理学家开始意识到自己已经在一个巨大的数学沼泽中迷失了前进的方向。与多重宇宙理论的情形很相似，这种复杂的弦理论可以预示出各种可能的结果，因此也不能对任何问题做出有意义的处理。在最初的兴奋感觉慢慢消失之后，取而代之的是失望和迷惘。一些宇宙学家开始怀疑弦理论是否能昭示宇宙最后的秘密。如果没有一些具有很顽强的坚持力的人仍然在这领域中上下求索，人们可能从此就放弃和遗忘了弦理论。

●人们寄希望于埃德·韦顿，期盼他能从弦理论出发揭示大统一理论。

M理论

在没有轻率地抛弃弦理论的物理学家之中，有一位是在美国普林斯顿高等研究院的埃德·韦顿教授。韦顿以有些玩世不恭的作风而闻名，被其他物理学家戏称为“教皇”，这清晰地表达了对他在本领域内的研究能力和所处地位的赞誉。在同事们看来，如果有人能够找到解决弦理论问题的办法，那么这个人就是韦顿。在20世纪90年代，韦顿重新激起了人们对在弦理论的复杂网络中找到一种有意义的大统一理论的可能性的兴趣。他指出，有许多相关的方程实际上是另一些方程的镜像方程，他称这种方程成对的现象为“二元性”，并且努力去找出它们。它们通常出现在不同的维度上，以相反的角色出现。例如，在一个维度上出现的一个很强的作用，它的“二元伙伴”则会以较弱的作用出现在另一个维度上。

韦顿开始研究如果他把能够找出的所有“二元性”方程都合并到一起会发生什么情况。如果能把它们整齐地排序，这会有助于找出一个共同的最本质的东西，即弦理论的“中央树干”。韦顿相信，一种更具意义的图景正在显现出来。他称他研究弦理论的新思路为“M理论”。它是对升华后的弦理论“超弦理论”的再次升华。韦顿确信，如果仔细地使数学内容简化，就可以得到一个足够简单的方程，这个方程就能把物理学的两个方面统一起来，这样一个大统一理论将能够对宇宙诞生时的动力学做出解释。

可是，如果这些都做到了，我们怎样才能肯定地知道，这在一定意义上是对一个古老问题所做出的最终的解答呢？我们只能希望有一个“积木另一面的图画”，即与M理论中的方程所产生的结果完全相符的另一种理论的出现。但是我们却不能保证这一定会实现。而且，任何一种理论只有在它可以多次重复地被验证的情况下，才能被谨慎地接受。无论如何，科学的力量在于，凡是未经实验验证的东西，就不能被认为是真实的存在。可是，找到一种能够验证大统一理论的实验却也不是一件容易的事。

普朗克探测器计划

虽然我们观测宇宙的能力是有限的，仍然有一个正在进行的计划会有助于我们摒弃以往任何错误的概念。另一个正在建造中的卫星将被用来重复COBE卫星的实验，上面所携带的探测器比以往使用过的都灵敏得多。当然即使如此它的观测结果也不可能沿时间上溯得很多，也就是不可能达到更接近大爆炸的时刻，但是它肯定可以用来详细研究COBE观测过的宇宙背景辐射，也许能够发现宇宙中存在的更微弱的温度起伏。这颗卫星的名字叫作“普朗克探测者”，得名于著名的德国科学家马克斯·普朗克。

卫星正在由ESA（欧洲航天局）实施建造，它和COBE一样也能得到计算机绘制出的图，这些图将被拿来与计算机由理论宇宙模型得出的图进行比较，而这些理论模型中的每一个都只认为某个具体的关于早期宇宙的理论是正确的。为了绘制这些图，理论物理学家们把与每一种理论相关的数学精心地应用于相应的计算机模型中，以使这些模型能正确地描述宇宙的诞生过程和演化过程。不同模型所预言的宇宙背景图也很不相同。其中的一种理论如果要它产生出与我们的真实宇宙相似的结果，要求早期宇宙中有一些大的热区域的存在；而另外的一种理论要求的前提条件是早期宇宙中存在着成团的微型热点。

●人们希望新的考察大爆炸背景辐射的卫星能得到足够多的细节，以便判断它们是否与从计算机得到的图景相符合。这样就可以进而对一些理论的合理性做出评价，例如对暴涨理论和超弦理论。

●剑桥大学的尼尔·图拉克教授是普朗克探测器计划参与者，他身穿防护服站在建造这颗卫星的洁净车间中。

例如安德烈·林德的宇宙暴涨理论会产生无数个宇宙，我们的宇宙只是其中之一。计算机通过这个理论建立起了一个相应的背景辐射模型。一旦普朗克探测者卫星观测得到了真实的背景辐射图，就可以拿来与从多重宇宙暴涨理论的计算机模型得到的背景辐射图来比较，看一看它们是否相一致。这种比较最起码也能给出这两种图有什么重要的不同点，由理论模型所产生的背景辐射图可能很不同于普朗克探测者观测得到的真实背景辐射图。这样，普朗克探测者就可能否定很多关于早期宇宙的理论，而只留下唯一一个看起来是最合理的。已经建立起来的计算机模型表明，四种不同的理论模型所得到的背景辐射图很不相同。例如，由弦理论得到的宇宙背景辐射图与由多重宇宙理论所得到的图之间就存在着明显的差异。

可是，无论普朗克探测者所得到的结果会怎样，我们从中能得到的最有价值的东西是，对一些关于早期宇宙的理论给出否定的判断。但是只从一种理论给出的结果与卫星观测所得的结果相融洽这一点，还不能得出结论说这是唯一的一种正确的理论。在我们一步步地越来越多地理解宇宙的演化机制的过程中，证明任何一种理论的正确性的工作也变得越来越困难。

这种情况使得宇宙学家们一方面联合起来，一方面又各存己见。比如，在对一种有希望的理论可能导致某种有意义的结果产生共识时，他们就会站到一起；在他们都认为某种理论提供了解决某一问题的途径时也是如此。他们通常也小心谨慎地从不轻易地把任何闪烁着智慧光芒的新观点拒之门外。因此，他们中的大多数都承认暴涨理论和弦理论在早期宇宙研究中的作用。而且其中很多人都认为，我们已经接近于找到这个答案。可是他们之间观点的一致也就到此为止了。有很多宇宙学家的个人观点一方面与别人理论中的内容交叉在一起，另一方面却又掺入了尚未得到同行们支持的个人独有的认识。斯蒂芬·霍金也不例外。

第十四章
霍金的宇宙

●斯蒂芬·霍金关于“无边界”宇宙的观点意味着如果没有一个创生的时刻，宇宙也可以堪称完整无缺。但同时宇宙也是动态的，像NGC3718这样的不寻常旋涡星系等河外星系在宇宙中不断地演化着。

量子引力论和虚时间

一个无边界的宇宙

我们现在待在哪里

洞悉上帝的心灵

当斯姆特把他的揭示宇宙存在纹波的计算机绘制的粉色和蓝色的图形公之于世时，世界各地的报纸几乎都刊登在了头版之上。以往关于宇宙学的研究工作很难得到新闻媒体的如此之青睐。究其原因，部分是得益于斯蒂芬·霍金在很多报刊上对这些图形意义所发表的一番赞誉之词。他并非夸张地宣称这项研究工作可能是“本世纪中最重大的科学发现”。

那是在1992年4月——斯蒂芬·霍金发表他的《时间简史》一书四年之后。随着这本书的大获成功，斯蒂芬享有了世界性的声誉，公众对于宇宙学的兴趣也达到了最高点。斯蒂芬没有必要以发表哗众取宠式的声明来获取公众对他本人或他的著作的瞩目。他只是为COBE所获得的成功而欣喜若狂，这个成功无疑地给了大爆炸理论以极大的支持，而大爆炸理论已经是绝大部分报纸头版上的热门话题。但除此之外对霍金来说还有更重要的，这就是COBE在宇宙背景辐射中发现了在早期宇宙中存在着微小的温度起伏，这些起伏恰恰是事实上的导致形成现今我们所观测到的星系和星系之间广袤空间的直接诱因。如果斯蒂芬·霍金所主张的对宇宙诞生的瞬间的解释是正确的，这种温度的起伏就必然地存在。

量子引力论和虚时间

斯蒂芬·霍金一直从宏观物理学角度来研究宇宙学。他的奇点原理是爱因斯坦方程式的直接结果，并对大爆炸理论提供了最有力的支持，可是同时也带来了一种在一池静水中激起波澜的结果。就如我们已经知道的，现有物理学原理预言了奇点的存在，但却不能适用于奇点，这就使得用基本物理学原理对宇宙最初时刻的解释理解起来非常困难。斯蒂芬·霍金研究了这个问题并得到了一个出乎意料的结果，这个结果看起来甚至和斯蒂芬原先的研究结果互不相容。以前霍金认为宇宙起始于一个奇点，但他的新见解却在显示，奇点的影响从来不属于宇宙演化过程的一部分。

斯蒂芬·霍金的新见解来自他开始意识到引力作用对于宇宙演化占据首位的至关重要的作用。引力会影响一切物质在时间和空间中的运动方式，这是爱因斯坦广义相对论所导致的一个重要结论。但是如果将引力概念应用于量子世界中，应用于微观的、致密的物理条件下的领域，引力又会怎样起作用呢？一个最合理的假定是，适用于亚原子粒子的量子力学定律也应该适用于其他大小与亚原子粒子在同一层次上的粒子。在最早期的宇宙中存在着大量的致密物质以及它们产生的作用力，这些物质的空间尺度非常小，所以那时的引力作用以及当时宇宙中的一切都应该服从量子力学定律。因此，需要一种能够把已知的广义相对论引力理论与处于量子力学核心部分的波粒二象性理论和测不准原理联系在一起的量子引力理论。它的作用就恰恰与研究弦理论的科学家们正在寻找的那种大统一理论相一致。

斯蒂芬·霍金指出，即使在还没有确立一种被普遍接受的、足够精确的理论之前，我们也能预先得到这种新理论的某些结果。于是他开始构筑量子化的宇宙学，这是有关宇宙可能从中诞生出来的一组量子化条件。

可是，如果我们考虑建立能使宇宙诞生过程得以开始的动力学公式，就不能依赖于现有的描述时间、空间的数学，因为我们已经知道在描述据信宇宙是从中诞生出来的奇点时，这些传统的数学已经彻底地无能为力了。因此，另辟蹊径寻找一种具有可行性的数学方法已经在所必行。斯蒂芬·霍金在一种名为“综合历史”的原理基础上实施他的工作，这个原理来自美国物理学家理查德·费曼。它基本上是这样一种方法，先考虑一件事物行为的所有可能的方式，然后对它们进行评估，并去除那些只得到最低估价的成分。这时，所余下的就是最可能导致正确结果的成分了。这就像要把一封信从伦敦寄往纽约，存在着一个从伦敦到纽约的最佳的路径。可以从伦敦直接飞往纽约，也可以从伦敦先到波士顿或者先到华盛顿然后再到纽约，甚至可以先到莫斯科或者东京然后飞往纽约。在应用“综合历史”方法评估所有可能的从伦敦到纽约的路线时，就会发现哪一种是具有最大可能性的，如经由莫斯科和东京的路线会被认为是可能性最小的，于是最好的路线就会在认真思考之后产生。在为了描述早期宇宙而寻找数学“工具箱”的过程中，如果我们的思维过于拘泥或保守，那么由“综合历史”方法所得到的结果就会让人感觉存有疑问。有迹象说明，使数学方法变得成功的一个理想途径是按照理查德·费曼提出的建议，把时间作为很特殊的因素来考虑，这样相关的数学表达就变得有很好的适应性和弹性。这种概念被称为“虚”时间。有谁能把时间这个概念解释得一清二楚呢？也没有科学上的依据说明“虚”时间肯定不存在。

●斯蒂芬·霍金从媒体那里获得的荣誉一点也不比作为科学家享受到的传统荣誉少。

这很有些类似于将负数这个概念用到数学中的情形。在“真实”世界中，如果在一个篮子里并没有鸡蛋，那其中的鸡蛋就不能再进一步地少了。可是在包含了负数的数学中，人们却可以理解在篮子里有-2个鸡蛋的含义。通过引进“虚”时间的概念，斯蒂芬·霍金可以构筑起解释早期宇宙状态的所有要素，他还能将相关的结果与采用“实”时间得到的结果进行比较。

审视了那些最适用的模型之后，斯蒂芬·霍金给出了关于早期宇宙状态的三种不同的选择，相当于早期宇宙的三种不同的可能性。第一种是具有“实”时间的宇宙，它起源于大爆炸；它带来的问题是这个宇宙必须来自一个神秘的奇点。第二种也是一个具有“实”时间的宇宙，它显得是自古以来一直就存在着的；这样的宇宙也并非不存在任何问题，例如，起码要对爱因斯坦理论中的时间和空间是怎样出现在这样的宇宙中做出解释。第三种宇宙是具有“虚”时间的宇宙，它也应该是自古以来一直就存在着的，这种宇宙赋予了斯蒂芬·霍金一幅特别引人入胜的图景。它还导致了一两个非常有意义的结果，只要是引进了“虚”时间来考虑早期宇宙，就完全避免了制造麻烦的奇点问题。所有的参与宇宙演化的要素都能存在于初始状态的宇宙中，包括我们所理解的时间和空间也照样能发生弯曲。这样的宇宙既无始又无终，不需要像勒梅特的原始原子那样必须有一个初始的物质存在。如此这般，斯蒂芬·霍金就成功地避免了奇点问题和物理定律失效的困惑。

斯蒂芬·霍金还同时得到了另外一份有意义的收获。通过对宇宙本性规定一种具体限制，他能成功地解释，在引进了“虚”时间的理论中只有像我们观测到的真实宇宙这样的宇宙才能得以存在。

一个无边界的宇宙

斯蒂芬·霍金的宇宙模型是一种无边界的模型。他发现，我们的宇宙只有是一个无边界的宇宙，才能从具有不确定性的量子本性的早期宇宙中演化出来。如果没有任何限制，霍金所提出的量子化的起始点就能演化出各种各样的宇宙，这与安德烈·林德的暴涨理论的第二版相比并没有什么进展，这个理论也导致了产生无穷多个宇宙的可能性。我们的宇宙只是这无穷多个中的一个，但这个理论并未能解释为什么和怎样才使得我们所在的这个宇宙成了所剩下的唯一一个。斯蒂芬·霍金指出，如果初始的量子宇宙演化成了一个无边界的宇宙，这些问题就迎刃而解了。其核心的含义是，在这个宇宙中的时间和空间都没有边界，尽管宇宙自身的大小是有限的。

从下面的例子出发就不难理解斯蒂芬·霍金的无边界宇宙概念。设想一个人走在一个球面上，例如走在地球的表面上，不管他走得有多远，也不管是朝着哪个方向走，即使是不停地走下去，在球面上绕了一圈又一圈，他也不会遇到一个边界，而这个边界标志着某个东西的结束。如果设想不是在地球表面而是在一个巨型气球的表面上，情况也是如此。实际上可以走在气球的外表面上，也可以走在气球的内表面上。这样就不要求这个无边界的宇宙具有一定的形状和大小，它只要给出连续的时间和空间，并且像气球的外表面和内表面那样没有边界。

对一个具有无边界性质的宇宙来说，在数学上有理由认为它是一个量子化的初始宇宙经演化后的最可能的结果，而量子化的初始宇宙是斯蒂芬·霍金提出的对宇宙的最初时刻的一种诠释。而他关于“无边界”性质的见解尤其令人兴奋的是，它已经把好几种其他能较好解释早期宇宙某些方面性质的理论融合在一起，例如暴涨理论。所以，斯蒂芬·霍金的见解具有很多引人入胜之处。当然，它已经被证实的程度迄今并不比其他的描述早期宇宙的纯理论观点高多少。斯蒂芬·霍金本人在《时间简史》一书中强调说，这一见解不可能从其他种类的理论中得出。可是说到底，这只是斯蒂芬·霍金在与加利福尼亚大学的吉姆·哈特的合作中得出的一种可能是正确的可能性。

无论斯蒂芬·霍金怎样巧妙地将各种理论和定律应用于构筑自己的出类拔萃的观点，他很清楚地知道有一个问题总是在所难免的。他必须找到一个能使量子物理的理论来支配引力的途径，然而迄今还没有人能建立起一种令人满意的量子引力理论。即使斯蒂芬·霍金能设法摆脱与他的奇点原理相关的大多数困难问题，但如果没有一种能把引力理论和量子力学统一起来的大统一理论，他还是难以在这个问题上有所作为。

然而，如果假定会出现一个令人满意的量子引力理论，这个理论对斯蒂芬·霍金的宇宙模型会产生的一个结果将是，在宇宙的最初时刻内会有微小的纹波存在，因为测不准原理允许在真空中产生出这种波动。而后，由于暴涨理论允许最初的宇宙开始暴涨，这些微小的纹波将发展成为COBE卫星观测到的大爆炸后遗存的宇宙背景上的温度差异。所以对斯蒂芬·霍金来说，COBE的观测结果验证了他的宇宙模型至少是一种具有可行性的模型。

对上述见解的批评性意见认为，斯蒂芬·霍金已经做的事情，不过是在寻找一种巧妙的办法来竭力绕开将引力理论与量子力学统一起来时遭遇的困难。有人或者指出这样的事实，对于霍金的观点正确与否至关重要的量子引力理论，至今还没有被建立起来；所以还须耐心地等待从弦理论中出现某种新的结果。而且，如果这种进展在不久以后就出现，也很少有物理学家会认为这将写下物理学教科书的最后一章。埃德·韦顿在他所做的一次富有洞察力的评论中说，任何一种能给我们带来丰厚成果的理论，它毫无疑问地也会同时给我们带来一大堆新的挑战。

我们现在待在哪里

隐藏在韦顿评论的薄纱后面的一种明显的涵义是，我们永远不会比我们现在已经做到的更接近或者更远离对宇宙的完全彻底的理解。这种观点认为，我们现在已经接近做到对宇宙无所不知，但是我们永远不可能做到对宇宙无所不知。当我们一层层地撕开洋葱皮时，我们会发现还有更多层的洋葱皮。宇宙奥秘的最终答案可能就像这个问题本身一样扑朔迷离。可是，即使我们现在仍然对大爆炸后一瞬间宇宙演化的情形备感困惑，可大多数宇宙学家对已经取得的进展还是感到颇为乐观——其中也包括斯蒂芬·霍金。毕竟我们只要解释最初一瞬间的情况就够了。古人曾经认为，在地球的上面有一个布满了洞的盖子，闪闪的星光是通过这些洞透射过来的火光。从那时起一直到现在，我们已经走过了一条无比漫长的道路。人类现在对宇宙的认识，乃是精益求精的科学观察和充满智慧的理论推演的不朽结晶。而且，实际上在斯蒂芬·霍金所主张的宇宙模型与其他宇宙学家们现在正在构筑的模型之间，只存在着非常细微的差别。

●斯蒂芬·霍金。

再过不久弦理论可能就会给出能够描述能量如何从真空中产生出来的方程式；而后根据暴涨理论，接下来发生的是急剧的膨胀。正如后来出现的，在真空中存在的某种量子起伏会导致在大爆炸中伴随着纹波的存在，根据COBE卫星的观测结果，在大爆炸30万年后宇宙中各处温度的平均差异也不到0.002摄氏度。可是这已经足够使得在大爆炸后的冷却过程中物质以不均匀的形式演化。

事情发生的过程可能是这样的，在大爆炸发生短短一瞬后，在爆炸中释放出来的能量开始形成夸克这类的物质基本粒子，但是这一现象并不是在一个不可逆的过程中一蹴而就的。在第1秒钟之内，在这些粒子之间会发生碰撞，有可能重新回到纯能量状态，然后又再次归于粒子态。这种反复过程作为创生的疯狂“舞蹈”的一部分，在不透明的热等离子体中可能会“上演”多次，然后才导致了我们在功率最强大的粒子加速器中所观察到的那种碰撞所产生的反应。在3秒钟内，更高级的物质结构开始形成了，注定要成为原子的一部分的原子核此时也开始形成。随着温度的降低，早期形成的粒子开始聚合而成。可是这时的宇宙毕竟还是太热了，我们不可能观察到正在诞生的宇宙内部那口白热的大锅的内部。

我们必须等待30万年才能看到宇宙变成透明的，电子开始了围绕原子核的运动，这时原子就形成了——氢元素大约占80%，氦元素大约占20%。在大爆炸的10亿年后由于引力作用才形成了第一批恒星。类星体和聚集在一起的成团物质形成了星系。在第一批恒星中，氢经过热核反应聚变成氦，于是恒星开始辐射出强烈的光和热。在类星体中央的黑洞以它巨大的引力吸引住在其周围的物质，形成高速旋转的由物质组成的吸积盘，其内部的高温又致使有新的恒星诞生。而那些年老的恒星则坠入在明亮的类星体周围的大量的暗物质之中，或许就成为这个巨大的转轮的一部分，形成了今天我们所熟知的旋涡星系的旋臂。

在最早的恒星演化到它们生命的终结阶段的时候，最早的白矮星形成了，它们又逐渐地冷却成为不可见的黑矮星。最早的大质量恒星爆发，于是超新星也出现了，这些事件的结果会形成中子星、并且把大量的重元素抛洒到广袤的宇宙空间中。我们自己的恒星太阳也诞生了，它所属的行星们由于它的引力作用而不停地围绕它旋转。地球表面温度降到一定程度后，生物开始在其上繁衍生息；人类终于出现了——人类不过是在死亡恒星所抛洒出的尘埃中演化出来的一种非同寻常的产物。但人类出现后不久就开始发现各种各样的线索，使他们理解了大约150亿年前开始的一连串难以置信的事件的几乎所有细节。

洞悉上帝的心灵

如果认为我们现在对宇宙的理解已经达到了最终认识的阶段，那我们就很容易地又重复了前人曾经犯过的错误。托勒密和牛顿的宇宙模型在他们各自的时代都曾经被认为是完美无缺的。与他们的模型相比，大爆炸宇宙模型现在还处在孩提的幼稚时代。在历史上，随着观测证据的出现，早期的宇宙模型逐渐被证明是错误的，并以戏剧性的速度被更新和发展。托勒密以及与他同时代的宇宙学家们根据人们的肉眼观测的结果、通过超乎想象的精巧构思，建立了一个有一定可信度的宇宙模型。伽利略的天文望远镜向世人昭示了太阳系的更多细节，说明了托勒密的模型是错误的。牛顿创立了引力理论，300年前就认清楚了观测到的太阳系。哈勃对太阳系之外的宇宙进行观测的结果揭示了牛顿的无限和永恒宇宙模型的固有缺陷。在哈勃所进行的观测之后相对短的时间内，人类的望远镜进入了太空，尽我们所能对宇宙的早期进行了观测。即使我们能够进一步地提高观测能力，我们似乎也不能再观测到更多的东西，我们已经看到了全部可见宇宙。

基于我们对宇宙的这些认识，似乎可以说我们已经接近了对宇宙的基本了解。尽管也许还有90%以上的宇宙还根本没有被观测到，我们也还不得不努力去寻找暗物质，但我们却已经能对暗物质做出一定的预测和认识到它们在演化中的作用。在我们能探测到暗物质并弄清楚它们的总量之前，宇宙的最终归宿将一直是个谜。但即便如此，我们却已经清晰地认识了宇宙的几种可能的归宿。

●猎户星座的马头星云是宇宙中最美丽的景象之一。马头星云是一个极有特色的暗尘埃云，它位于本图的中央偏右的地方。

但是这些距离理解宇宙的一切还相差甚远。弄清了宇宙的动力学历史并非意味着已经开始解决那些有永恒色彩的哲学问题。例如为什么会存在这个宇宙或者这一切是为了什么等等，只凭科学理论本身是不可能回答的。但是，斯蒂芬·霍金却坚信，宇宙学研究的进展能够帮助我们提高找到回答这些问题的最好答案的可能性。正确地认识宇宙演化机制肯定有助于我们思考诸如为什么宇宙会存在、宇宙是不是被创造出来的以及它是不是有目的等问题。在《时间简史》一书的末尾斯蒂芬·霍金总结说，一旦我们发现了完美的大统一理论，它的基本原理和内涵经过一段时间后应该为任何一个人所能理解。而且，一旦人人理解了宇宙的所有性质，人人就都具备了参与关于“为什么存在这个宇宙”的讨论的资格。斯蒂芬认为，这个问题的真相大白将是“人类理性的最后的胜利——由此我们洞悉了上帝的心灵”。

对于我们当中的许多人，面对这个挑战是太勉为其难了。我们当中千千万万的人以前从未涉及过对宇宙本质的探索。可我们只是没有尝试过，而且很可能是被告知过这个问题的答案已经超出了我们有限的理解能力。努力地去认识宇宙的本质，就如斯蒂芬·霍金和历史上的其他宇宙学家已经做的那样，将使我们的生命变得更加完整和尽善尽美，而这正是我们所需要和所追求的。

译后记

承海南出版社盛情之邀，于1999年3月开始翻译《霍金的宇宙》一书。虽然是在繁忙工作之余，但这一过程仍然给我本人带来不少次心灵的震撼。关于宇宙，中国古代即有“四方上下曰宇，古往今来曰宙”（《尸子·君治》）的说法。最早使用中文“宇宙”一词的学者中有东汉时代的伟大科学家张衡。他写道：“过此而往者，未知或知也。未知或知者，宇宙之谓也。宇之表无极，宙之端无穷。”（《灵宪》）人类对宇宙的认识，即对我们周围的天地万物的总的看法，在人类进入文明社会的几千年中已经经历了从原始的、朴素的到理性的、科学的飞跃。《霍金的宇宙》述及的就是有关的这一段科学史。尤其是重点地介绍了现代的科学宇宙论是怎样建立起来的。事实上，的确有一部分从事自然科学研究、教学的人，并没有真正地了解什么是现代科学，现代科学与哲学、宗教以及古代科学的差别。斯蒂芬·霍金认为现代科学发端于伽利略。尽管专家们对这个问题可能还有所争论，但读完这本书后，细心的读者都至少会在一定程度上理解斯蒂芬·霍金的观点。哥白尼在16世纪初提出他的日心说后，教会方面几乎对此未予理睬。原因是教会并不认为一种纯粹的理论会对它的原始教义形成任何有意义的威胁。到了大约100年以后的17世纪初，当伽利略通过刚刚发明的望远镜观测发现木星居然有卫星、金星居然有盈亏圆缺现象，进而勇敢地对地心说提出挑战时，教会方面则感到这一回遇到的威胁是实质性的，它不得不认真应对了。究其原因，伽利略的挑战所凭借的是观测证据，也就从那时起，科学形成了自己的行为和思想的定式。现代科学应运而生了。在现代科学那里，只有其结果能够在相同条件下唯一性地产生并且是可重复地出现的实验或观测才是至高无上的，相关的理论只能产生于这些实验或观测之后而不是在它们之前。就如作者在书中指出的：“无论如何，科学的力量在于，凡是未经实验验证的东西就不能被认为是真实的存在。”正是由于现代科学把上述原则视为最高准则，才注定了它到了近代发展得盖世无双、硕果累累，形成了促进人类社会发展的真正第一生产力。说“宇宙在时间和空间上都是无限的”，这在哲学家那里一般是正确的和可以接受的。但在现代科学那里，对这样的说法就有些不以为然了。因为科学只能以实验或观测证据为基础，加上建立在辩证思维和逻辑推理之上的去伪存真、去粗取精的总结概括、凝练升华过程来得到任何一个堪称是科学的结论。任何实验或观测只能作用于具体的、有限的客体。所以对于天文学家、宇宙学家来说，他们所能研究和讨论的，总是一个可实验、可观测的，因而只能是一个具体、有限的宇宙。换句话说，关于那些望远镜完全看不到的遥远宇宙深处，科学家们总是坦率地承认，除了各种假说之外他们“一无所知”。所以在一定意义上可以说，基础科学研究就是从某种实验或观测的事实升华为一种科学观点或结论的过程，或是为某种观点或结论寻找实验或观测证据的过程。除了实验和观测证据以及在此基础上的关于这些证据的辩证思维，科学还能做什么呢？在这一领域之外，只能是哲学家们纵横驰骋的天地。在本书中述及大爆炸理论建立前后的那一段科学史时，曾经提到大爆炸理论似乎对争论的“创世说”一方更加有利。而事实上在本书中作者巧妙地避免了直接批评任何一方，也没有给出有关问题的最终结论。在这里，真正的“法官”是每一位正处于求索真理的思辨中的读者自己。不管怎样，在读完这本书之后，除了会对各种关于宇宙的学说以及它们产生的历史过程有所了解之外，也许细心的读者会或多或少地明白了“什么是科学”和“科学家们是怎样工作的”。在我看来，后一种意义似乎更为至关重要。

赵复垣
2000.4.15于北京天文台

书评

“与常人认知不同的是，其实，作家中笔法最为明晰的往往是数学家（伯特兰·罗素荣获的是诺贝尔文学奖，而非数学奖），塞弗便是一个典例。他书写描摹人类的恐惧、天才的谬误和思维的宏大野望，轻描淡写，却透着诱人的魔力。”

——《亚特兰大宪法报》

“在人类的编年史中，‘0’是一个令人却步的难解之谜。塞弗以节制的笔墨，驱策着读者透过数字‘0’，向无垠空虚的深渊及无限广阔的空间投以凝视与瞭望……塞弗梳理了关于‘0’的历史争论，旋即又将目光投往当下，奋不顾身地跳进黑洞的贪婪大口，进入愈发冰冷的宇宙去探寻奥秘。对于足不出户的物理学家而言，这绝对是一册必读的图书。”

——《书单杂志》（星级书评）

“（本书）叙述流畅，在历史哲学与科学技术间转换自如，能够将各个复杂概念一一阐明。”

——《达拉斯晨报》

“塞弗以轻松的语调来探讨这一深奥的话题。掩卷时，应该没有读者会质疑塞弗的这个观点。‘0’是人类构想的各类概念中最为奇妙的一个，因此也是最为危险的一个……塞弗的文章为那些在数学和科学课堂上挣扎的人们提供了一扇窗口，让他们可以一窥微积分的强大与现代物理学中的一大难解课题……这册小书极富趣味，引人深思，揭示了人类洞察力与深层不确定性的其中一个根源所在。”

——《出版人周刊》（星级书评）

“对于塞弗笔下复杂的概念关系网，即使是不懂数学的人也能清楚领会。”

——《波士顿环球报》

“此书以精妙的技巧与智慧，讲述了一个引人入胜的人类故事……我们开始学会欣赏一些‘简单’概念（比如0和无穷大）中蕴含的深度与丰富内涵，还有它们与宗教、早期文明及当今科学的紧密联系。”

——《费城问询报》

“作为一个技巧娴熟的科学记者，塞弗选择以抽离之姿将那些复杂概念一一阐明……（书中）简练的解析说明令人耳目一新……而且直截明了。”

——《纽约时报》

“塞弗拥有榨干现代理论的能力……叙述十分明晰，读来犹如常识科普。”

——《沙龙》

目录

书评

第0章　无效

第1章　无所作为[0的起源]

没有0的生活

0的诞生

虚无的可怖特性

第2章　无中难以生有[西方世界对0的摈斥]

古希腊数学哲学的起源

无限、虚无与西方世界

盲目的日子

第0个数字

无限虚无

第3章　不入虎穴[0的东进]

0的转世再生

阿拉伯数字

我是自有永有的：虚无

0的胜利

第4章　虚无而无限的上帝[神学中的0]

问题的解决

0与虚无

神圣的赌注

第5章　无穷个0与无神论数学家[0与科学革命]

无限个0

0与神秘的微积分

神秘的落幕

第6章　无穷的双生子[0的无穷本质]

虚数

点与对点

无穷的0

第7章　绝对0度[物理中的0]

0热度

量子力学中的0：无限能量

相对论中的0：黑洞

不劳而获的利益？

第8章　0点0刻[时空边缘的0]

0的放逐：弦理论

第0个小时：大爆炸

第∞章　0的最终胜利[终止时间]

超越无限

附录A　如何证明丘吉尔等于胡萝卜

附录B　黄金比例

附录C　导数的现代定义

附录D　康托尔列举有理数

附录E　制作属于你自己的虫洞时光机

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第0章
无效

0，犹如一颗鱼雷，径直击中“约克城号”巡洋舰。

1997年9月21日，这艘造价高达十亿美金的导弹巡洋舰正准备驶离弗吉尼亚海岸进行巡航任务，却突然在一阵剧烈震动之后停滞不前了。“约克城号”巡洋舰在海水里死火了。

战舰的设计是为了抵挡鱼雷袭击和水雷爆炸，纵使武器装备齐整，却也无人想过需要保卫“约克城号”不受0的伤害。这实在是一个严重的失误。

当时，“约克城号”上的计算机群刚刚启用了新版的引擎控制软件，不幸的是，当时无人觉察到那颗隐匿在代码中的定时炸弹——一个工程师在启动软件时本应移除的0。不管原因是什么，总之，这个0就这样被人忽视了，就此潜隐在代码海洋之中，直到软件将它读入内存，而后窒息停摆。

在“约克城号”上的计算机系统想要做除以0的计算时，舰船上八万马力的引擎瞬间熄火，工作人员花了将近三个小时才将紧急操作系统与引擎重新连接完毕，“约克城号”这才得以艰难地驶回港口。工程师们又用了足足两天时间移除那个0，并修整引擎，令“约克城号”重回战奋状态。

除了0，其他数字没有一个能够造成如此严重的损害，引发类似“约克城号”事件这样的计算机故障只不过是0的威力的一个微小体现。在它的强势影响下，各大文明如临大敌，哲学体系分崩离析，只因0是如此与众不同。它为我们提供了一个窗口，让我们得以一窥那些难以言喻且没有极限的存在。这便是人类恐惧0、憎恶0，甚至不惜将其定为非法的缘由了。

这是一个关于0的故事，叙述它在古时的诞生和在东方的蓬勃发展，描绘它在欧洲力求认同的斗争，介绍它在西方的优势支配地位，以及阐明它对近现代物理学的一贯威胁。此书也是一个关于人的故事，讲述那些试图了解0的人——包括学者、神秘主义者、科学家、牧师等——是如何就这个诡秘数字的意义展开辩论和斗争的。此书还是一个关于西方世界对于一个东方概念的无谓（有时还很极端）抵抗的故事。0这个数字看似天真无害，却有本事叫这世上最聪慧的智者紧张惊慌，威胁着要令当今科学界的整个思维架构土崩瓦解，而这本书便是这个数字引发的一部悖论史。

0威力强大，因为它是无限的双生子。它们是平等而对立的两极，就像阴与阳一般，带有自相矛盾的特质，令人困扰。科学和宗教探讨的最宏大的课题都与虚无和永恒、0和无限有关。关于0的争论与分歧往往会动摇哲学、科学、数学以及宗教等各个体系的根基。每一次革命的背后都潜藏着0和无限的身影。

0是东西方思想辩论的核心，是宗教与科学斗争的焦点，是大自然的语言，是数学世界中最重要的工具，而且物理学中最深奥的课题——黑洞的黑暗核心与大爆炸的粲然闪光——便是旨在击败0这个数字。

然而，纵观历史，尽管受尽排斥，屡次遭到流放，但0总是能够击败那些与它对抗的人。人类永远无法强迫0来适应人类的哲学体系，相反，恰恰是0塑造了人类看待宇宙与神明的方式。

第1章
无所作为
［0的起源］

既非虚无，亦非存在；
既不是在空间的疆域之内，亦不是在天际之外。
是何物在何处搅动乾坤？

——《梨俱吠陀》

0的故事由来已久，源远流长，其发端可以回溯到数千年前，那时数学方才萌芽，文明社会尚未正式建立，人类也还没学会阅读与书写。今天的我们似乎天生便能够自然地接受0这个概念，但对于古人来说，它是一个异类，甚至是一个叫人恐惧的存在。0这一东方概念起源于新月沃地，在耶稣降世之前的几个世纪业已诞生。它不仅唤起了人们对于原始虚空的想象，它身上更具有一种危险的数学特质，拥有能够摧毁逻辑框架的威力。

数学思想的源头牵系在人们对数清羊群、追踪财产及记录时间的欲望和需求上，但完成这些任务往往不需要0。在0出现之前的千年时光里，人类原始文明一样运转自如。0确实令人憎恶，因此，有些文明决定将它弃诸脑后。

没有0的生活

关于0，其中很关键的一点是：
日常生活的运转其实并不需要它，比如，没有人会上街购买0条鱼。
从某种程度上说，它是最具文明的表现，
只有在塑造与培养思想时，其使用才会成为必然。

——阿尔弗雷德·诺斯·怀特海德

作为现代人，我们很难想象没有0的生活会是何种光景，也许会像没有了数字7或者31一样举步维艰。不过，历史上的确有一段时期人们的生活中是没有0的。彼时尚未有文字载史，所以古生物学家们只能从一块块石头与骨骼中拼凑出关于数学起源的故事。研究人员从这些碎片遗痕中发现，石器时代的数学家要比现代数学家更为结实强壮，因为他们竟将狼群当作了黑板。

20世纪30年代后期，考古学家卡尔·亚伯索隆在捷克斯洛伐克的泥土中经筛选发现了一块距今已有三万年历史的狼骨，其上凿刻着一系列圆形凹口，这是一个关键线索，可以让人一窥石器时代的数学特征。我们已经无法知晓这位被科学家命名为高格的穴居人究竟是用这块骨头来记录什么事物的数量，是他杀过的鹿、画过的画，抑或是没有洗澡的日子，但至少我们可以从中获得一个清晰的信息，那就是早期人类确实在计数。

狼骨相当于石器时代的超级计算机。高格的祖先甚至都难以数到2，因此他们肯定也不需要0。在数学萌芽的起步阶段，人们似乎只能区分“一”和“许多”，比如，拥有一个矛头或许多矛头，吃了一只碾碎的蜥蜴或是许多只蜥蜴，他们无力表达除了“一”和“许多”之外的其他数量。随着时间的洪流向前奔涌，原始人的语言慢慢发展到能够区分“一”“二”和“许多”，最后能够辨别“一”“二”“三”和“许多”，但对于更高的数字他们依旧无能为力。一些语言至今仍存在类似的缺陷，例如在玻利维亚的西里奥印第安人和巴西的雅诺马马人这两个部落的语言中，没有任何词语可用来指称大于“3”的数量，只有“许多”或“大量”这类字眼。

数字可通过叠加而得到一个新的数字，由于这一特性，计数系统绝不会只停留在数字“3”。所以在此之后，聪明的部落成员们开始使用数字串来表示更大的数字，巴西巴喀依瑞和博罗罗部落如今仍在使用的语言完整地展示了这个过程，他们的计数系统是这样的：“1”“2”“2加1”“2加2”“2加2加1”，并以此类推。他们以“2”为单位进行计算，现代数学家称之为“二进制”。

像巴喀依瑞和博罗罗人一样以二进制进行计算的人其实少之又少，那块古老狼骨才是古代计数系统的典型代表。高格的狼骨上共有55个小凹口，5个编为一组；在前25个凹口刻痕记号之后有一个次级凹口。看起来高格很有可能是以数量5为一组进行计数，然后又再以5为单位记录组别的数量。这样的方式很合乎情理，以小组为单位来统计记号数量要比逐个数快得多。在现代数学家看来，这位凿刻狼骨的穴居人高格采用的是以5为基准的五进制计数系统。

但是，他为什么会选择“5”作为计数单位呢？事实上，他的这个决定带有一定的随意性，假若高格选择以4为一组进行计数，而后再以4组（16）为一个集合体进行计算，他的计数系统同样能够有效运转，以6为计数单位的系统亦是如此。分组的方式并不会影响骨头上的记号数量，它只会改变高格算出总数的方式，而无论方式如何变更，他最后总能得到相同的答案。不过，高格更喜欢以5为计数单位，而世界上大部分人都与他不谋而合。人的一只手长有五根手指，这是大自然的偶然安排，正是由于这个偶然，“5”受到许多文化的青睐，成为其计数系统的计数基准。比如，早期古希腊人就用数字“5”（Five）的变形“Fiving”一词来描述计数的过程。

在南美的二进制计数方案中，语言学家也发现了五进制的萌芽迹象。在博罗罗语中，另一个用来表示“2加2加1”的短语是“我的手全加起来”（就是它）。显然，古人很喜欢借用身体的某个部位来记录数量，其中，“5”（一只手）、“10”（一双手）和“20”（双手和双脚）最受欢迎。英语中的“11”（eleven）和“12”（twelve）似乎是衍生于“十（ten）分之一”与“十（ten）分之二”，而“13”（thirteen）、“14”（fourteen）、“15”（fifteen）等则是“3（three）加10”（ten）、“4（four）加10”（ten）、“5（five）加10”（ten）的缩写。语言学家由此推定，“10”是日耳曼原始语中的基础单位，英语属于日耳曼语系，自然也不例外。从中我们又可推断出，使用这些语言的人们采用的是十进制的计数系统。另一方面，在法语中，数字“80”由“4个20”（quatre-vingts）表示，“90”由“4个20加10”（quatre-vingt-dix）表示，也许这意味着，古时定居于今日法国境内的人采用的是以20为单位的二十进制计数系统。像“7”和“31”这样的数字在所有的计数系统中——无论是五进制、十进制抑或是二十进制——均占有一席之地，但“0”则不然，所有计数系统里都难觅它的踪影；或者说，这个概念压根就不存在。

人们根本无须记录“0”头羊或“0”个孩子，就如杂货商只会说“我们这儿没有香蕉”，而不会说“我们有‘0’个香蕉”。人们也不会用一个数字来表示缺失的东西，因为没有人会给不存在的事物赋予标记。这就是长久以来人们能够在没有“0”的环境中自如生活的原因——因为人们并不需要它，所以它也就未曾显露身姿。

事实上，在史前时代，能够透彻了解数字着实是一项了不起的能力，单是能数数的人就已经被视为天才。在人们眼中，他们就和那些懂得施展巫术、对神灵直呼其名的人一样神秘莫测。据埃及亡灵书的描述，在黄泉阴界有个摆渡人，专渡亡灵过河，每有亡魂进入阴间，他就会问他们一个问题：“人一共有多少根手指？”若答不上来，便不得上船，此时亡魂须背诵一首计算韵文，数出手指总数，方能令摆渡人满意。（希腊的阴间摆渡人则会收取过路费，钱币一般藏于死者的舌底。）

尽管计数技能在古代社会较为稀罕，但数字与计数基本原理的发展总是早于读写能力。当先民方才开始压制芦苇制作写字板、在岩石上凿刻图形、在羊皮纸和纸莎草上涂画墨汁，数字系统早已稳固确立。将口头的数字系统转录为书面形式并非难事，人们只需找到一种方便抄写员将数字记下并长久保存的编码方法。有些文明甚至在发明书写之前就已经想出了记录数字的编码方法，比如，没有发明文字的印加文明通过排列各种带有颜色的小绳结来记录计数过程与结果，后人称之为结绳语（quipu）。

最初，抄写员一般使用与数字的基础体系相吻合的方法记录数字，可以预见的是，他们肯定尽可能地采用简洁的方式。自高格所处的时代起，人类社会一直在进步发展，抄写员们创造了各式符号来代表不同类型的分组，而不是将各个小组的记号一再重复记录。若采用的是五进制系统，抄写员也许会用一种符号表示数量1，用另一种符号表示数量为5的组别，再用第三种符号表示数量为25的组别，并以此类推。

古埃及人便是这样做的。在金字塔建成的五千多年之前，古埃及人就设计了一套图形，用来表征他们使用的十进制计数系统：一个直角符号表示1个单位数量，一个根骨形状表示10，一个旋涡状的陷阱图案则表示100，以此类推。埃及抄写员在记录数字时只需写下这些符号，例如，若想记录数字“123”，抄写员无须重复勾画123个标记，只要记录6个符号：1个陷阱、2个根骨和3个直角。这是古代数学记数的典型方式。和大多数早期文明一样，古埃及同样没有——或者说不需要——0。

不过，古埃及人绝对称得上是优秀的数学家。他们掌握了大量天文学知识，能够准确地记录时间。考虑到天文历法的飘忽不定与难以捉摸，他们必定运用了相当先进的数学知识，方能达到如此成就。

对大多数古人来说，制定一套稳定的历法绝非易事，因为制定者通常会先想到阴历，即以两个满月之间的间隔时间为一个月。这是一个自然而然的选择，天上月亮的盈亏圆缺十分明显瞩目，是人们用来标记时间周期的方便之选。不过，阴历的一个月在29至30天之间，不管如何腾挪，12个月份加起来也只有354天左右——比公历的太阳年少了约11天；若按13个月份计算，又会多出来19天。作物栽种收获的时间周期依照的是公历的太阳年，而非阴历的太阴年，因此，如果根据并不十分准确的阴历来计算时日，人们也许会有一种错觉，认为每个月份所处的季节似乎总在缓慢变更，并不固定。

修正阴历绝对是一项复杂艰巨的任务。如今一些国家，如以色列和沙特阿拉伯，仍在沿用昔日的改良阴历，而6000年前的古埃及人就已经发明了一套更加优良简便的计时系统，这套历法以数年间的四季更替时间为基准，与其保持同步。也就是说，古埃及人与当今大多数国家一样，利用太阳来追踪时间循环的规律，而非月亮。

古埃及历法1年有12个月，这一点与阴历并无二致，不同的是，古埃及历法中每个月有30天（因采用十进制计数法，他们制定的历法中，1个星期有10天）。且每年的最后一个月会多出额外5天，如此一来，一年就总共有365天。此套历法可以看作如今通行公历的始祖，后来为希腊、罗马相继采用并再次订正，增加了四年一遇的闰年，而后正式成为西方世界的标准通用历法。不过，由于埃及人、希腊人和罗马人均没有起用0，因此西方历法中也便没有出现0的踪影，而这一疏忽将成为千年之后一系列问题爆发的导火索。

古埃及人发明阳历是人类的一次重大革新与突破，但它在青史上留下的印迹绝不仅于此，它还标示着几何学这门堪称艺术的学科的出现。即便没有0，埃及人依旧迅速成长为数学专家，或者说，由于尼罗河的汹涌波涛，他们不得不加紧脚步。尼罗河每年都会泛滥并淹没沿岸的三角洲，好在洪水会将肥沃的河底淤泥冲上河岸并堆积于田野，尼罗河三角洲也因此成为古代最肥沃的耕田区。但是，漫溢的河水同时也会摧毁沿岸各家农田的界限标记（古埃及人非常重视产权归属问题，据埃及亡灵书记载，刚死之人须在天神跟前起誓，保证自己从未窃取过邻居的土地；若犯过此罪，则必受严惩，心脏会被挖出，喂给名唤吞噬者的凶猛巨兽。在古埃及，夺取邻居的土地是十分严重的罪行，量刑与违背誓言、谋杀他人、在寺庙手淫等不相上下）。

古代的法老常派遣调查员前往评估土地损失，并帮助农户重新设置农田界标，几何学就此应运而生。这些调查员（或可称之为绳索使用者，因为他们以长绳为量度工具，并用结节的绳索来标记角度）将土地划分成大小不等的矩形和三角形，以此来确定地块面积。古埃及人还掌握了测量物体（如金字塔）体积的方法。古埃及数学在整个地中海地区享有盛名，连古希腊早期的数学家和几何学大师，如泰利斯、毕达哥拉斯，都极有可能前往埃及求过学。古埃及几何学焕发出了熠熠光辉，但0依旧杳无踪迹。

其中部分原因在于，古埃及人喜欢追求实用价值，他们发展的脚步从来没有踏出过体积测量与时间记录的范畴。除了占星术这一例外，其他不具实用性的领域都未曾窥见数学的身影。因此，即便是最好的数学家，也不曾尝试运用几何原理解决任何与现实世界无关的问题。他们既没有将发明的数学体系转化为抽象的逻辑体系，也没有想过可以将数学与哲学理念结合贯串。古希腊人则不同，他们敞开怀抱，欣然迎接那些极富抽象性与哲思性的概念，古代数学也由此发展至巅峰。然而，古希腊人也没能揭开0的神秘面纱，它源自东方，而非西方。

0的诞生

人类文化的历史长河滔滔向前，
0的发现将一如既往地耀眼夺目，
永远被视为人类史上最伟大的成就之一。

——托拜厄斯·丹齐克《数字：科学的语言》

古希腊人对数学的理解要优于古埃及人。古希腊数学家从古埃及人那里学习几何学的奇奥，掌握通透之后，很快便超越了他们。

起先，古希腊人构筑的数学体系与古埃及人的非常相似，计数系统同样以10为基础，只在记数方式上稍有差别：古埃及人用图形代表数字，古希腊人则用字母。H（希腊字母表第七个字母）表示100，M（字母表第十二个字母）表示10000——“万”是该系统中最大的计数单位。5也有对应的象征符号，说明古希腊人采用的是五进制与十进制混合的计数系统，不过总体来说，古希腊人与古埃及人的记数方式几近相同——至少在某一段时期确是如此。与古埃及人不同的是，古希腊人不久便抛弃了这套原始的记数方法，进而发展出另一个更加高级复杂的系统。

按古埃及人的记数方式，两个笔画代表2，三个符号H则代表300，但在公元前五百年，古希腊发展了一套新的记数系统，在此体系中，2、3、300均有各自不同的象征字母，其他数字亦如是（见图表1），这样可以避免符号的重复使用。比如，古埃及记数系统需要十五个符号来表示87，包括八个根骨形状符号和七个直角符号；而新的古希腊记数系统只需两个符号，π表示80，ζ表示7（虽然古罗马记数系统淘汰了古希腊数字，但其实它更接近于较为低级的古埃及记数系统，实则是一种倒退，它需用七个符号来表示87，即LXXXVII，其中明显可见有几处重复）。

图表1：不同文明的数字

尽管古希腊记数系统比古埃及的更加精细，但它并不是古代最先进的数字书写体系，这一荣誉称号花落东方——古巴比伦数字。得益于这一系统的发明，“0”终于在东方的新月沃地（位于今伊拉克境内）闪亮登场。

乍看之下，古巴比伦记数系统似乎有些违背常理。一方面，它竟是以60为基础的六十进制系统，这样的选择未免让人觉得古怪，因大部分文明都选用5、10或者20作为计数基础。而且，此系统只有两个记数符号：垂直楔形代表1，两个横向楔形代表10。将以上符号按需重复记录，归为一组，便可代表1～59之间的任意整数。这就是古巴比伦记数系统的基础符号，就像古希腊系统以字母为基础、古埃及系统以图形为基础一样。不过，这还不是古巴比伦记数系统真正古怪的地方。古埃及和古希腊记数系统中，每个符号都只能代表一个数字，古巴比伦系统则不然，此系统中一个符号能代表众多不同的数字，比如，单个楔形符号不仅能表示1，还能表示60、3600等无数其他数字。

用现代的眼光审视古巴比伦记数系统，难免觉得它奇怪陌生，但对于古代人来说，它确实十分合理，就相当于青铜器时代的计算机代码。与其他许多文明一样，古巴比伦人也发明了一些器械辅助计算，其中最著名的当属算盘，不同国家的人对其称呼各有不同，日本人叫它soroban，中国人称其suan-pan，俄语中叫作s'choty，土耳其人赋予它coulba的名字，在亚美尼亚地区则有choreb的称谓。算盘利用可滑动的小卵石来记录数字，英语词汇calculate（计算）、calculus（微积分学）和calcium（钙）均源自拉丁语中的卵石一词——calculus。

用算盘添加数字并非难事，只需将石子上下移动。不同列圆柱上的石子分别代表着不同的数值，通过巧妙的拨弄操作，熟练的使用者可以快速进行大额数字的加法计算。计算完成后，使用者只需查看算盘上各个石子的最终位置，再将其换算为数字。这一连串操作可谓简单明了。

古巴比伦数字常题刻在泥板上。可以把每一组符号想象成算盘上的石子，就像算盘上每一列圆柱上的石子都有各自的数值一样，每一组符号根据位置的不同，其对应的数值也相应变化。这样，古巴比伦数字与我们今日使用的记数系统也就没有太大的差别了。数字111中的每一个1皆表示不同数值，从右至左分别指代“1”“10”和“100”；同样地，古巴比伦数字“ ”中，不同位置上的三个“ ”相应地代表“1”“60”或“3600”。这样的记数方式与算盘几无二致，不过，又有一个问题出现：古巴比伦人是如何书写数字“60”的？数字1很容易书写—— ，但60同样写作，位置是两者唯一的区别。算盘上，第一列的单个石子和第二列的单个石子之间泾渭分明，因此利用算盘可以轻松分辨出“ ”代表的究竟是哪个数字。然而，书面记录又是另一番迥然不同的情况，因无法明确呈现书写符号具体位于哪一列，“ ”既能够指代1，也可以代表60或者3600。当数字混合使用时，情况则更加复杂，“ ”可能指称61、3601、3660甚至更大的数值。

0就是解决这一问题的灵丹妙药。公元前三百年左右，古巴比伦人开始使用两个倾斜的楔形（）代表一个空档，相当于算盘上的一列空柱（即一列上的所有石子皆在底端）。这样的占位符号（placeholder）使人们不费吹灰之力便可辨识出各符号所处的具体位置。在0显露真身之前，可解读为61或者3601，但有了0，只能指称61，而3601则应书写为（见图表2）。0的出现就是为了赋予任意给定序列的古巴比伦数字一个唯一且固定的数值。

图表2：古巴比伦数字

尽管0益处甚大，但此时的它只是一个占位符号，仅代表算盘上的一列空柱，旨在确保各个数字都落在正确的位置上，其本身并无任何数值意义。000002148指称的数值含义与2148并无二致，在一串数字字符中，0只能从它左侧的数字那儿获得存在的意义，若究其本身，它并无任何意义。0只是一个数位，一个用来表达某个数字的数值的符号，称不上一个具有具体数值的数字。

一个数字的数值取决于它在数轴上的位置，或者说，取决于它与其他数字的相对位置，比如，数字2必定在数字3之前、数字1之后，不可能居于其他区间。起初，数轴上并没有专属于0的位置，因为它仅是一个符号，在位次森严的数字等级序列中找不到它的栖身之所。甚至到了今天，尽管我们已经清楚地知道0本身确实具有数值，但我们偶尔仍会将0当作占位符号使用，而没有将它与“数字0”联系起来。抓起一部手机或随意看一看手边的电脑键盘，你会发现，0总在9之后，而没有出现在它本该在的位置上——1之前。若只作为占位符号，0在哪个位置实则无关紧要，它可以出现在数字序列的任意一处。但今天我们都明白，0不能在数轴上随意安身，因为它具有一个确切的数值含义，它担纲着正数与负数的界标的角色，它还是一个整数、一个紧靠在1之前的偶数。0必须安分地待在数轴上的正当位置上，-1之后、1之前，其他位置皆荒谬无理。然而，由于我们总是习惯从1开始数数，0只能在电脑键盘的末尾、手机键盘的底端落座。

1似乎是计数的合适起点，但如此一来，0难免陷入尴尬境地。然而，对于其他一些文明，比如聚居于墨西哥和中美洲的玛雅人，他们似乎认为从1开始计数是不太恰当的。事实上，玛雅人也自创了一个数字系统和一套历法，而且这个系统似乎比我们今天使用的数字系统和历法更加合理。与古巴比伦人一样，玛雅人也采用了位值制 [1] （place-value system），而两个记数系统的唯一差别在于，古巴比伦人选择了六十进制，而玛雅人使用的是留有早期十进制残余痕迹的二十进制。与古巴比伦数字系统相仿，玛雅记数系统同样需要一个0来标记每个数字符号的位置，从而确定其数值。为了增加趣味性，玛雅人创造了两种数字符号。较为简易的那一种以点和线为基础，另一种则更加繁复，选用的基本表示符号是图象字符——大体为风格奇异的人脸形状。按照现代的眼光看，这些玛雅图象字符（见图表3）活脱脱就是一副外星人的面孔。

图表3：玛雅数字

与古埃及人一样，玛雅人也缔造了一部十分卓越的阳历。因为他们的计数系统以数字20为基础，自然而然也就规定一个月有20天，一年划分为18个月，即360天，此外年末有一个为期5天的特殊时段，称为“无名日”（Uayeb），如此全年总计365天。玛雅人的记数系统中有0，因此他们总是从0开始计算天数，在这一点上与古埃及人略有分别。比如，名为Zip的这个月的第一天常被称作“位于Zip”，接下去的那一天为1 Zip，紧接着为2 Zip，以此类推，直到月底最后一天为19 Zip，紧挨着Zip的月份名为Zotz'，于是，19 Zip的隔天为“位于Zotz'”，随后是1 Zotz'、2 Zotz'，等等。玛雅历法中每个月有20天，以0～19编号，而非当今通行的1～20号。（玛雅历法之复杂令人惊叹，除了上述介绍的这套阳历，他们还制定了另一部具有浓厚宗教色彩的历法，该历法一个周期为260天，共20周，每周13天。两部历法相互结合，组合形成持续52个阳历周期，即52年的同步循环，称为历法循环。）

玛雅体系比西方的历法体系更加合乎情理。西方历法创立之时0尚未出现，因而自然不会出现“第0天”“第0年”此等称谓。这一疏忽从表面上看似无足轻重，实际上却带来了许多麻烦，引发了关于千禧年开端的一系列论战：迈入21世纪的第一个年头究竟应该是2000还是2001？玛雅人就绝不会为之起争论。然而，制定如今通用历法的并不是玛雅人，而是古埃及人以及他们的后来者，古罗马人。所以，我们不得不与这样一部麻烦频出、无0之踪迹的历法且伴且行。

古埃及文明中0的缺失不仅于历法不利，而且有碍西方数学的长远发展。事实上，古埃及文明对数学未来发展的阻滞绝不止于0的缺席。古埃及人处理分数的方式极其繁琐累赘，他们不似现代人，把3/4看成一个比率，而是将其解读为1/2与1/4的相加结果。除了2/3这个唯一例外，其他所有古埃及分数均表示为一连串形式为1/n（n为自然数）的分数的总和，并且称1/n为单位分数。冗长的单位分数链使得分数的处理成为古埃及（还有古希腊）记数系统中非常棘手的难题。

0的横空出世淘汰了这个效率低下的分数处理体系。在古巴比伦记数系统中，由于0的存在，分数的书写变得十分简便。现代数学用0.5表示1/2、0.75表示3/4，古巴比伦人则用数字“0；30”指称1/2、“0；45”指称3/4。（事实上，比起现代普遍使用的十进制，古巴比伦的六十进制计数系统更适用于书写分数。）

遗憾的是，古希腊人与古罗马人对0憎恶入骨，紧紧攥着与古埃及数字系统一脉相承的记数法不肯放弃，纵使古巴比伦记数系统使用更加简便，他们也不愿转头投向它的怀抱。对于一些复杂运算，如制定天文表所需的计算，古希腊记数系统的处理方式未免过于冗杂。于是，古希腊数学家先将单位分数转换为古巴比伦的六十进制数系进行运算，然后再把最终结果换算成古希腊数字。他们本可省下这些耗费时间的换算步骤（对于来回往复地换算分数是一件多么“有趣”的事情，我们大多深有体会）。但古希腊人对0实在鄙薄至极，所以，即便他们已亲身感受到0的益处，却始终不愿在书写体系里为它奉上一席之地，理由无非只有一个——0非常危险！

虚无的可怖特性

在伊米尔尚未离世的远古时期：
既无海洋，亦无陆地，更无略带咸涩的潮涌；
既无所谓地球，亦无极乐天堂；
只有撕裂的虚空，和不知延伸往何方的绿色事物。

——冰岛古代诗集《老爱达经》

难以想象，人类竟会惧怕一个数字。然而，0不一样，它冷酷无情，与虚空、与“无”紧密相连。人类对虚空与混沌天生怀有恐惧，0也无可避免地受到波及。

古人大多深信，在宇宙最终酝酿成型之前，唯有虚空与混沌共存于世间。古希腊人认为，起初，是黑暗孕育了万物，混沌也脱胎于它；此后，黑暗与混沌一同点燃了其他万物的起源之火。希伯来人的创世神话描述道，在上帝向地球撒下光辉，并为它塑造形貌之前，这片土地处于一片虚无与混沌之中。（希伯来语谓之为tobu v'bobu，罗伯特·格雷夫斯将希伯来语中的tobu与一种原始闪米特龙Tehomot联系在一起，这种龙存在于宇宙诞生之初，它的身体化为了天与地；bobu则与希伯来传说中的庞然巨兽Behemoth密切相关。）古印度传说叙讲了一个创世者将混沌搅浑融入土地的故事；挪威人的神话描绘了被冰雪倾覆的虚无旷地和孕育于冰火交相的混沌中的原始巨人。虚无与混乱被看作宇宙最初始的自然状态，所以，在人的心底总有一股难耐的畏惧，害怕在时间之河的尽头，虚无与混乱会再一次成为这片土地的主宰。而0恰恰是虚无的象征。

焦虑、不安都不足以形容人们对于0与虚无的恐惧。在古代，0的数学特性叫人费解，无法言明，和宇宙的诞生一样，都被裹卷在一团神秘的迷雾之中。这是因为0不同于其他数字，比如，在古巴比伦数字系统中，其他数字字符均可独立存在，只有0不可以，且理由充分——单独存在的0往往“行为不端”，至少不似其他数字一般循规蹈矩。

通常来说，一个数字加上它本身，该数将发生变化，比如，1加1不会仍旧是1，而变成了2，再比如，2加2等于4。但是，0加上0，依然是0，它违背了一条叫作“阿基米德公理”的数学基本原则，此条原则认为，任意给定两个数字a、b，必存在正整数n，使na＞b（阿基米德以几何语言对此公理进行描述，一个数字相当于两块面积不等的区域之差）。唯独0不会增大，同时，它也无法令其他数字增大。2和0相加，得到的仍然是2，仿佛这个相加运算从未发生过一般，杳无痕迹。减法亦如是，2减去0还是2。0不具备实质，然而，就是这个非实质性的数字正威胁并动摇着数学界最基本的运算，如乘法与除法。

在数字的领域中，乘法是一种延伸。把数轴想象成一根带有刻度线的橡皮筋（见图表4），乘以2相当于把橡皮筋拉长两倍，此时，原先位于刻度1的橡皮筋末端此刻延展至刻度2，原先位于刻度3的延展至刻度6。同样地，乘以0.5的运算则需将橡皮筋松弛下来，原本位于刻度2的橡皮筋末端回弹至刻度1，原先位于刻度3的回弹至刻度1.5。若乘以0，又会是怎样一番情形呢？

图表4：乘法运算橡皮筋

任意数字乘以0都等于0，因此，橡皮筋的两端都归于刻度0。

于是，橡皮筋绽裂，数轴崩塌。

不幸的是，我们无法绕开或回避这个令人不快的事实，任何数乘以0必须等于0，这是现代计数系统中的一个固定性质。数字要有意义，就必须满足一个称为分配律（distributive property）的性质。下面将通过一个实例对其进行阐述。比如，一个玩具商店售有2个一组的圆球和3个一组的积木，隔壁的玩具商店则是将2个一组的圆球和3个一组的积木打包一起售卖，那么，第一家商店里的1袋圆球加上1袋积木应该等于第二家商店里的1个套装。以此类推，若在第一家商店里购买7袋圆球和7袋积木，应该等同于向第二家商店购买7个套装。这就是乘法分配律，用数学符号可表示为：7×2+7×3=7×（2+3）。至此，一切进展顺利。

如果将分配律应用于0，便会出现一些奇怪的情况。我们都知道，0+0=0，所以一个数字乘以0与乘以（0+0）应无区别。以2为例，2×0=2×（0+0），根据乘法分配律，2×（0+0）等同于2×0+2×0。这就意味着，2×0=2×0+2×0。不管2×0具有何等性质，若你将它与自身相加，结果都无任何改变。这与数字0似有些共通之处。其实，事实就是如此。分别从等式两边减去2×0，便可得到0=2×0。因此，任何数乘以0都会等于0。这个麻烦的数字把整条数轴碾压成了一个点。不过，这个恼人的乘法分配律还远不能体现0的威力，它的强大力量在除法运算中才真正显露。

乘以一个数相当于数轴的延伸，那么除以一个数便相当于数轴的收缩。乘以2时，将数轴伸展两倍；再除以2，便是将橡皮筋收缩一半，可抵消第一步的乘法运算。除以一个数可使原先的乘法运算无效，换句话说，可令原本已被拉伸至新位置的橡皮筋回归原位。

通过以上的剖析我们已经知道，一个数乘以0会摧毁这条数轴。那么，除以0正处于乘以0的对立面，按理它应该能够抵消乘以0这一运算对数轴造成的毁坏。然而，非常遗憾，事实并非如此。

在先前的举例中我们可看到，2×0等于0，因此，由于除法能够抵消乘法，我们顺理成章可得到以下假设，通过（2×0）/0的运算，将重新得到2，并以此类推，（3×0）/0将等于3，（4×0）/0将等于4。但是，2×0、3×0、4×0都等于0，因此，（2×0）/0相当于0/0，（3×0）/0、（4×0）/0亦是如此。这也就意味着，0/0既等于2，也同样等于3、等于4。这显然毫无道理。

当从另一个角度看待1/0，一样会出现奇怪的情况。乘以0反过来应该也能够抵消除以0的运算，那么，1/0×0就应与1相等，但是我们知道，任何数乘以0都必须等于0。可以说，没有任何一个数字乘以0会得到1——至少迄今为止我们仍未碰到过。

最糟糕的是，若你执意要做除以0的运算，整个数学与逻辑的根基都将被摧毁殆尽。除以0的运算能给予你一种魔力——但仅此一次——使你能够从数学的角度证明世间的任意一切：你可以证明1+1=42，并从此出发，证明约翰·埃德加·胡佛是个天外来客、威廉·莎士比亚来自乌兹别克斯坦，甚至证明天空带有圆点花纹。（证明温斯顿·丘吉尔是一根胡萝卜的过程详见附录A。）

乘以0粉碎了数轴，除以0却将推翻捣毁整个数学架构。

“0”这个看似简单的数字蕴涵着无上的力量，它是数学界最有力的工具。不过，由于它奇异的数学性质与哲学特征，它将与西方的基本哲学体系碰撞出无可避免的冲突之音。

[1] 即每个数码所表示的数值，不仅取决于这个数码本身，而且取决于它在记数中所处的位置。

第2章
无中难以生有
［西方世界对0的摈斥］

无中不能生有。

——卢克莱修《万物本性论》

0与西方哲学体系中的一条核心宗旨相悖，此宗旨扎根于毕达哥拉斯关于数学的哲学讨论，芝诺悖论 [1] 又赋予了它沉甸甸的价值，它是整个古希腊世界的顶梁支柱。这一信条便是：虚无是不存在的。

在古希腊文明轰然崩塌之后，由毕达哥拉斯、亚里士多德、托勒密等人构筑撑托起来的古希腊世界还幸存了很长一段时间。在那个世界里，既不存在“虚无”的概念，也没有0的身影，因此，在近两个世纪的漫长岁月里，西方世界始终无法接受0。拒绝的后果十分严重。0的缺席阻碍了数学的发展，扼杀了科学的创造，还顺带干扰了历法的制定。在坦然迎接0之前，西方哲学家们需先亲手摧毁他们容身的世界。

古希腊数学哲学的起源

太初有道，道（ratio） [2] 与神同在，道就是神。

——约翰福音第一章第一节

古埃及人发明了几何学，却对数学深思甚少，于他们而言，数学只不过是一门用来记录年月更迭和测量地块分布的工具。古希腊人对数学的态度则大不相同，在他们看来，数学与哲学相生相伴，密不可分，对两者都极其重视。古希腊人对数学的追求异常狂热，甚至有些过了火。

来自米太旁登的希帕索斯站立在甲板上，准备受死。他的四周是一群忠于某个学派的狂热教徒，而他则被视为这个学派的背叛者。希帕索斯揭露了一个秘密，这个秘密将击碎这个学派建构的整个哲学世界，是对古希腊思想的致命一击。为此，伟大的毕达哥拉斯毫不犹豫地对希帕索斯判以极刑，将其溺死。为了捍卫信奉的数学哲学，即便是双手沾染鲜血，也在所不惜。希帕索斯发现的这个秘密连累他送了命，但与0带来的威胁相比，却又显得微不足道了。

这个学派的领导者是毕达哥拉斯，一个古代的激进分子。据大多数资料记载，他出生于公元前6世纪的古希腊萨摩斯岛，这个小岛位于土耳其沿岸，盛产美酒，岛上的赫拉神庙声名远播。即便是以古希腊带有迷信色彩的标准来看，毕达哥拉斯学派的信条都是异乎寻常的。毕达哥拉斯认为自己是特洛伊战争中的英雄欧福耳波斯的转世化身，这一点令他坚信，所有灵魂，包括动物的灵魂，在死后都会轮回转生，因此，他是一个严格的素食主义者。但豆子被列为禁忌之物，因为它会引起胃气胀，也因为它们长得很像外生殖器。

在当时，毕达哥拉斯或许称得上是一个新时代的思想家，他既是极富感染力的演说家，也是著名学者，同时还是一位魅力超凡的老师。据说，他还为居住在意大利的希腊人撰写了宪法章程。学生蜂拥而至，毕达哥拉斯的周围迅速聚集了一群想要聆听这位导师教诲的追随者。

毕达哥拉斯学派的成员严格按照其领袖的训诫生活做事，其中，他们笃信，最好是在冬季向女性示爱，而非夏季；所有的疾病都是由消化不良引起的；人应该吃生食、饮白水，不应穿羊毛。而毕达哥拉斯学派信奉的最为根本的哲学理念是：数是万物的本原。

古希腊人的数学继承自古埃及的几何学，因而，在古希腊数学中，图形与数字之间并没有明显的界线，并且，在古希腊人的眼中，哲学家与数学家几乎可视为一体。（这一影响甚至延续到了今日，正方形数与三角形数便是最好的佐证［见图表5］。）那时古希腊数学家常通过绘制精密图形来证明某些数学定理，他们手中的工具不是铅笔和纸张，而是直尺与圆规。毕达哥拉斯认为，图形与数字之间的联系高深而神秘，每一个形数 [3] 背后都有其各自隐藏的含义，而最具美感的那个形数则堪称神圣。

图表5：正方形数与三角形数

毕达哥拉斯学派有一个神秘标志，这个标志自然是一个形数：一个五角星形。这个图案看似简单，却能窥见无穷。五角星形内部各顶点相连可得一个五边形，用直线将此五边形各顶点交叉相连又可得到一个倒置的小五角星，这个小五角星与原来的五角星形状相同，大小成一定比例；这个小五角星的内部又包含了一个更小的五边形，五边形中又能构画出一个更加小的五角星，终而复始，循环无端（见图表6）。这种自我复制甚为有趣，但它并不是毕达哥拉斯学派的信徒们关注的焦点，他们认为，这个图形最核心的特质潜藏在五角星的线条之中，这些线条里蕴藏着一个形数，这个形数是毕达哥拉斯学派宇宙观的终极象征，那就是——黄金比例（the golden ratio）。

图表6：五角星形

黄金比例的重要性在毕达哥拉斯学派的一个发现中体现得淋漓尽致，但这一发现如今已鲜有人记得。现代课堂里，孩子们对毕达哥拉斯的了解大多来自他提出的一个著名定理：直角三角形的两条直角边的平方和等于斜边的平方。然而事实上，它只是一条过时的新闻，早在毕达哥拉斯时代之前的一千多年，它就已经为人所知晓。在古希腊，人们之所以记住毕达哥拉斯是因为他的另一项发明：音阶。

据传说，有一天毕达哥拉斯正摆弄一台单弦琴（木盒上只装有单一根琴弦，见图表7），他把一个滑动的琴桥 [4] 放在琴弦下来回移动，改变弹奏的声调。他敏锐地发现，琴弦奏出的乐声是有规律可循的。在没有放置琴桥的情况下拨动琴弦，可以得到称之为基础音调（fundamental）的清脆音调；在单弦琴上放置琴桥，琴桥与琴弦接触，则会改变弹奏的音调。若将琴桥置于单弦琴的中间，与琴弦的中心点相接触，那么琴弦两边奏出的调子别无二致，而且，这个音调与基础音调相比提高了一个8度。毕达哥拉斯注意到，若略微移动琴桥，将琴弦以3比2的比例划分，在此情况下弹拨琴弦，两部分琴弦弹出的音调将合奏出一个纯五度音（perfect fifth）。纯五度是音乐世界中最具感染力、最能唤起共鸣的音程关系。不同比例下产生的不同和声，或抚慰人心，或叫人心烦意乱（比如，三全音音程就极不和谐，被称为“地狱之音”，为中世纪音乐家所摈弃）。奇怪的是，如果琴桥所处的位置不能将琴弦分割成一个简单比例关系，两边弹奏的音调就无法和谐融合，往往刺耳难耐，甚至更糟，此时奏出的和声摇移不定，就像一个喝醉了在音阶上东倒西歪的酒鬼。

图表7：神秘的单弦琴

对于毕达哥拉斯来说，音乐是一项数学行为。与正方形、三角形一样，线条也是形数，所以，将一根琴弦分成两个部分与取两个数的比例实则是同样的道理。音律的和谐便是数学的和谐，甚至是世界的和谐。毕达哥拉斯得出结论，认为数与数之间的比例关系操纵的不仅仅是音乐世界，还有世上一切具有美感的事物。在毕达哥拉斯看来，比例与均衡控制着音乐的美、体格的美和数学的美。了解自然就是了解数学中的比例关系。

这样的哲学理念——音乐、数学与自然间的可互换性——也深刻地影响了早期毕达哥拉斯学派关于天体运行模型的构建。毕达哥拉斯提出，地球是宇宙的中心，太阳、月亮、行星、恒星皆为球形，沿着各自的轨道环绕地球运转（见图表8），轨道之间的大小比例整齐有序，和谐美好。天体运转，美妙乐声也随之渺渺而起。最外围的木星与土星移动最快，其产生的音调也最高；内层的天体，如月球，则鸣奏较低的音调。纵观来说，宇宙是一支具有数学性质的和谐管弦乐队，运行的众天体一齐奏响了一曲“天体音乐”（harmony of the spheres）。这就是毕达哥拉斯一贯坚持的理念：数是万物的本原。

图表8：古希腊文明眼中的宇宙

由于数之间的比例关系是了解自然的关键所在，毕达哥拉斯学派及后来的古希腊数学家花费了许多精力挖掘数字比例的性质。最终，他们将数之间的比例关系划分为10类，如调和中项（harmonic mean）等，其中的一个类别里有世上最“美丽”的一个比例——黄金比例。

这个比例美妙如天赐，为了得出这个分数，可将直线按以下方式进行分割：将整体一分为二，使其较大部分与整体部分的比值等于较小部分与较大部分的比值（见附录B）。从表面上看，它似乎没有什么独特之处，但事实上，在这一黄金比例统摄下形成的图形与物体都极具美感。到了今天，艺术家和建筑师们都已具备一种本能反应，知道长宽比为黄金比例的物体格外美观，因此，许多艺术作品和建筑都是在这一比例的支配下完成的。一些历史学家和数学家认为，帕台农神庙这座庄严宏伟的雅典庙宇，它的每一个角落都鲜活地展现着黄金比例的倩影。甚至大自然在挥洒设计灵感时，也难逃黄金比例这双操纵之手。鹦鹉螺 [5] 任意两个相邻腔室的面积之比和菠萝上顺时针果眼与逆时针果眼的数量之比都是黄金比例在自然界留下的足迹（见图表9）。

图表9：帕台农神庙、鹦鹉螺与黄金比例

五角星之所以被毕达哥拉斯学派奉为神圣无上的标志，就是因为五角星形的各线条都是以黄金比例进行分割的，它的身上缀满了黄金比例留下的痕迹。在毕达哥拉斯看来，黄金比例就是数字中的王者。不仅艺术家对黄金比例情有独钟，就连大自然也对它青睐有加，这似乎从旁佐证了毕达哥拉斯的推断，即音乐、美的事物、建筑、自然与宇宙之间的关系是相互交织、不容割裂的。毕达哥拉斯学派的指导思想认为，万物皆按照一定的数量比例构成和谐的秩序。这套被毕达哥拉斯学派成员奉为真理的思想很快风靡了整个西方大陆，美的事物、数的比例与宇宙之间的绝妙联系成为西方文明长期崇奉的基本原则之一。甚至到了莎士比亚时期，各天体运行轨道之间的比例关系依旧是科学家们津津乐道的话题，他们的耳边似乎仍悠悠回荡着鸣响于宇宙间的天体乐声。

在毕达哥拉斯学派的思想框架里，0无处栖身。古希腊人将数字与图形等同起来，这一点令他们成为了几何学家，但其中包藏着一个严重的缺陷，阻碍人们把0视为一个数字。毕竟，0可以是什么图形呢？

人们可以轻而易举地画出一个长宽各为2的正方形，但是，长宽各为0的正方形又该是什么模样的呢？一个既无宽度也无长度——一个毫无实质形态的正方形？实在是难以想象。乘以0的运算也同样毫无意义可言，两个数字相乘相当于划取一个相应长宽的矩形区域，可是如果这个矩形区域的宽为0或者长为0，那么它还能称得上是一个矩形吗？

今天，数学界中悬而未解的问题大多称为数学家尚未证明的猜想。在古希腊，形数概念的提出也启发了另一种思维模式。当时有一个著名的几何学问题亟待解决：若只给你一把直尺、一个圆规，你能否画出一个与给定圆形面积相等的正方形？你又能否利用这些工具将一个给定角三等分？ [6] 几何作图与几何图形实则是一样的概念。从几何学的角度看，0这个数字毫无意义，因此，若想将0纳入数字的范畴，古希腊人就必须将他们亲手建立的整个数学体系推倒重建。他们选择了拒绝。

即便古希腊人接受了0这个数字，在取数字之比时，0的存在也似乎有悖自然规律。如此一来，人们就再也无法将比例视为两个物体之间关系的表征。0与任何数之比，即0除以任何数，结果永远等于0，0可将任何数消耗殆尽。反之，任何数与0之比，即其他数除以0，结果则是逻辑的灰飞烟灭。毕达哥拉斯学派精心构建了一个和谐运转的宇宙框架，0却在上头钻出了一个漏洞，因此，他们怎么可能容忍0大摇大摆地现身呢？

毕达哥拉斯学派还企图阻止另一个必会惹来许多麻烦的数学概念走进人们的视野，那就是——无理数（irrational）。这一概念的出现是毕达哥拉斯学派面临的第一个强有力的挑战，他们费尽心思，只为掩盖无理数的存在，疯狂的教徒甚至不惜采取暴力措施防止秘密泄露。

无理数是潜隐在古希腊数学体系中的一颗定时炸弹。由于形数的二象性，古希腊的数字运算与线条测量可视同一律，因此，两个数字之间的比例等价于两条不同长度的直线之间的比较。不过，无论采用何种测量手段，都需要一个统一的评判标准方能比较线条的尺寸。打个比方，假设一线条有1英尺（约305毫米）长，在离一端5.5英寸（约140毫米）处做一记号，将此线条划分为长短不等的两个部分，此时，古希腊人可能会使用0.5英寸（约13毫米）长的标尺将线条分割为许多小段，其中一条线段含有11个小段，另一条线段含有13个小段，于是，这两条线段之比便为11比13。

因为世间万物的性质皆由数量比例所决定，所以毕达哥拉斯学派笃信，宇宙间所有有意义的事物都能表征为具有美感的齐整比例关系，换句话说，它们必须是有理数（rational），或者可更确切地表述为，这些比例关系必须能够写成a/b的形式，且a和b必须是整数，如1、2、47等。（数学家会谨慎注明，b绝不能是0，因为众所周知，除以0的运算会引发灾难性的后果。）显而易见的是，宇宙万物不可能只遵循如此简明有序的规律。有一些数字无法以简单的a/b形式表示，而这些无理数就是古希腊数学前进道路上避无可避的一道屏障。

正方形是几何学中最简单的图形之一，受到毕达哥拉斯学派教徒的尊崇。（它有4条边，分别对应四大元素 [7] ，象征着数字的完美和谐。）然而，正方形的纯粹中却掺杂着无理数的魅影。若在正方形里画上一条对角线，无理数旋即浮出水面。举一个具体例子，假设一个正方形，其边为1英尺（约305毫米）长，再连接两个对角画出对角线，痴迷于数量关系的古希腊人看看正方形的边长，再瞅瞅对角线，心底必然陡生一个疑问：这两条线段的比例该是多少呢？

第一步，依然是确立一个统一标杆，且暂定为13毫米长的直尺。第二步，用此标尺将两条线段分割为若干相等线段，标尺13毫米长，可将305毫米长的正方形边划分为24段，再用标尺划分对角线，此时又会发生什么状况呢？我们会观察到，对角线可大致分为34段，但结果并不完全齐整，第34段略微短了一些，13毫米长的标尺稍稍突出顶角外。既然如此，那就再精细些，把标尺换成1/6英寸（约4毫米）长，正方形的边被分割成72段，对角线划分的线段比101段稍微多一些，又比102段少一点儿。可见，这一测量方法仍旧不够精细。若使用一个真正精密的标尺，以一百万分之一英寸为单位尺寸呢？正方形边可被分割为12,000,000段，对角线划分的线段则比16,970,563段短了一些。我们选择的标尺依然无法同时满足两条线段的精确划分，仿佛无论标尺的尺寸多么精细，都无法产生一个令人合意的结果。

事实上，人们确实无法找出一个长度适合的标尺，能够同时满足正方形边和对角线的测量，因为对角线与边是不可通约的（incommensurable）。然而，没有统一的评断依据，就无法以比例的形式表示两条线段之间的长度关系。这意味着，我们无法找出整数a和整数b、以a/b的形式表示这个边长为1的正方形的对角线，即是说，此正方形的对角线是一个无理数——今天，我们将这个数字表示为根号2。

这是对毕达哥拉斯学派的一大冲击。倘若简单如正方形都能够使比例关系这一神圣语言手忙脚乱，它又怎么可能有能力掌控自然万物呢？毕达哥拉斯学派难以接受这一点，但它又是那样不容置疑，因为这是在他们奉行的数学规则下推导得出的结果。这就是由正方形对角线的不可通约性（或无理性）引发的史上第一次数学危机。

对于毕达哥拉斯来说，无理性是一个极其危险的概念，他一手创建了一个以数量比例关系为核心的宇宙观，但无理数的出现直接动摇了它的根基。毕达哥拉斯学派很快又发现，被他们奉为美与理性的终极象征的黄金比例，竟然也是一个无理数！真可谓雪上加霜。为了不让这些可怖的数字将毕达哥拉斯学派的教义信条毁灭殆尽，他们严守无理数的秘密，每一个人都守口如瓶，甚至连记录笔记也不被允许。不可通约的根号2由此成为毕达哥拉斯学派中埋藏最深也最为沉重的秘密。

然而，与0不同，古希腊人不会轻易忽视无理数的存在。它在几何作图中反复出现，对于这样一个痴迷几何学与数量比例的民族而言，无理数的秘密很难不被察觉。总有一天，会有一个人走上前来，将它宣之于众。这个人便是希帕索斯，他是一名数学家，也是毕达哥拉斯的门生。无理数的秘密给他惹来了一场灭顶之灾。

关于希帕索斯的背叛与最终命运，传说繁多，模糊不清，其中还有一些相互矛盾的地方。数学界至今仍流传着这位向世界宣告无理数秘密的勇者的不幸故事，一些人描述说，毕达哥拉斯学派的信徒们把希帕索斯抛入大海，任由其溺死，因为他用严酷的事实摧毁了一个美丽的理论，所以这是对他的公正惩戒；有的古代史料则记载，他是由于背叛信仰才在海上丧了命；有的消息源则记述，学派将他驱逐出了人类世界，并为他建了一座墓冢。不过，无论希帕索斯的命运最终走向何方，毋庸置疑的是，他肯定受尽了原先学派同门的唾骂。他泄露的秘密动摇了毕达哥拉斯学派的核心宗旨，但是，若将无理数视为规则之外的反常现象，就可以阻止它玷污毕达哥拉斯学派的宇宙观。一段时间之后，古希腊人无奈地承认，无理数确实归属于数字的范畴。毁灭性的无理数没有杀死毕达哥拉斯，杀死他的是豆子。

与希帕索斯的谋杀传说一样，关于毕达哥拉斯的最终命运同样众说纷纭，但所有的说法皆暗指，这位大师的离世方式有些离奇。虽然有传他是绝食而死的，但大多数传说都认为，豆子才是他殒命的原因。据其中一个版本，有一天，毕达哥拉斯的仇人们（毕达哥拉斯认为他们不够富有而拒绝了他们的求见，因此愤恨不已）点火烧了他的房子，当时正在屋内的弟子们四散而逃，紧随其后的暴徒毫不留情地将他们一一屠杀，毕达哥拉斯孤身躲窜逃命，却猛然跑到了一片豆田前。他停下了脚步，因为在他看来，与其穿过这片豆田，还不如就死在这里。尾追者当然十分高兴，欣然抬手割破了毕达哥拉斯的喉咙。

尽管学派分崩离析，领袖也已经与世长辞，但毕达哥拉斯学派的教义却仍未陨灭，其精华仍旧留存于世，并为亚里士多德所吸纳。后者的思想理念传世两千多年，成为西方历史上最具影响力的哲学体系，而这个体系与0依然不相兼容。但0与无理数不同，它可以被无视，讲求数字—图形二象性的古希腊人要做到这一点简直易如反掌，毕竟，0不具有与之对应的几何图形，人们自然可以不把它当作数字看待。

事实上，既不是古希腊的计数系统，也不是古希腊人知识的缺乏拦阻了0的融入。由于对夜晚星空的着迷，古希腊人早就知晓了0的存在。与大多数古代文明一样，古希腊也有占星家，而在古巴比伦则诞生了人类史上的首批天文学大师，他们业已具备预测日食和月食的能力。泰利斯是古希腊第一位天文学家，他从古巴比伦人那里（或许是通过古埃及人）学会了这项技能，并于公元前585年成功预测了一次日食。

古巴比伦天文学流入古希腊，其计数系统也随之而来。出于发展天文的需要，古希腊人采纳了古巴比伦的六十进制计数系统，并将一小时划分为60分钟，1分钟划分为60秒。早在公元前500年，0就已经作为占位符出现在古巴比伦的数字书写中，在古希腊的天文学界自然也能找寻到它的踪迹。古代天文学发展的巅峰时期，古希腊天文表上经常出现0的身影，其代表符号为小写的古希腊第15个字母o，它与我们现在使用的数字0十分相似，不过，这也许仅是一个巧合。（之所以采用第15个字母o来象征0，可能是因为古希腊语中表示“无”之意的单词ouden其首字母为o。）但古希腊人并不喜欢0，因此他们竭尽所能地避免使用它。在使用古巴比伦记数法完成运算后，古希腊天文学家通常会把最终结果转写回笨拙的古希腊记数形式，而古希腊记数法中是没有0的。0从未成功渗透古代西方使用的计数系统，因此，古希腊第15个字母o不太可能是0的前身。古希腊人领略了0在运算中的作用，却依旧不肯对它敞开胸怀。

所以，古希腊人对0的抗拒姿态既不是缘于无知，也不是因为他们通用的数形结合的数学体系。其根源其实在于哲学。0与西方秉承的基本哲学思想互有冲突，0蕴含的两个概念对于西方哲学而言是致命的打击，正是这些概念最终动摇了亚里士多德哲学思想的长期统治地位。这两个危险的概念便是，虚无与无限。

无限、虚无与西方世界

于是，博物学家们注意到，一只跳蚤，
其身上暗伏着更小的跳蚤，以它为猎物，
它们的身上又有更小的跳蚤，伺机张口咬噬，
如此往复，便是无限……

——乔纳森·斯威夫特《诗歌：狂想曲》

无限与虚无暗藏着令古希腊人惊骇乃至胆寒的威力。无限预示着一切运动都可能无法成行；而虚无则叫嚣着要将坚果状的宇宙碾压成上千碎片。通过把0拒之门外，古希腊哲学家们的世界观得以保全，又在世上绵延了两千多年。

毕达哥拉斯的核心思想成为西方哲学体系的中心支柱：数是万物的本原；各行星在天球中有序运行，和谐旋律也随之而起。但是，在这些天体之外呢？是否有更多、更巨大的天体？或者说，位于运行轨道最外围的那颗行星是否就是宇宙的尽头？亚里士多德和后来的哲学家们均坚称，不可能存在无限数量的嵌套天体。在这种哲学理念统治下的西方世界，无穷大或无限这一概念被完全弃置一旁，找不到生存与发展的空间。但是，由于芝诺这位在当时被评价为“最讨人厌”的哲学家，“无限”已然开始悄悄侵蚀西方思想的根基。

芝诺生于公元前490年左右，当时波斯战争刚刚打响，这是一场东方与西方的大规模冲突交战。古希腊人也许能够战胜波斯人，可古希腊哲学却永远不可能彻底征服芝诺——因为芝诺提出了一个悖论，在古希腊哲学家看来，这个逻辑上的难题相当棘手，可以称得上是古希腊史上最令人头疼的论证：芝诺证明了“不可能”的存在。

芝诺提出，世间无一物处于运动的状态。这一说法无疑是荒唐的，只消在房间里踱上几步便可驳斥。每个人都清楚这个观点的荒谬，但没有一个人能够从芝诺的论述中找出一丝裂隙瑕疵。他提出的这个悖论困住了古希腊的哲学家以及他们的后来者，在近两千年的岁月里，这个逻辑谜题如梦魇般纠缠着各大数学家。

芝诺提出了许多关于运动的悖论，其中最著名的是“阿基里斯跑不过乌龟”，他证明了，速度飞快的阿基里斯永远也追不上动作迟缓、但比他先一步出发的乌龟。说得具体些，假设阿基里斯的速度是1英尺（约305毫米）每秒，乌龟的速度是1/2英尺每秒，乌龟的起始出发点在阿基里斯之前1英尺。

阿基里斯起步追赶，仅1秒钟就到达了乌龟的出发点，但在这一秒钟里，乌龟也在向前移动，前进了1/2英尺。没关系，阿基里斯速度很快，1/2秒钟内便追上了这1/2英尺的距离，然而乌龟又已经往前爬了1/4英尺。一瞬间——仅过了1/4秒——阿基里斯再次追上了这段距离，可是，就在这稍纵即逝的时间里，乌龟又向前挪动了1/8英尺。阿基里斯脚步未歇，但乌龟总能制造出无穷个起点，且在起点与阿基里斯之间制造出一个距离，不管这个距离有多短，是1/8英尺、1/16英尺还是1/32英尺……只要乌龟不停地奋力向前爬，阿基里斯就永远追不上乌龟，因为乌龟总是先他一步（见图表10）。

图表10：阿基里斯与乌龟

我们都清楚，在现实世界里，阿基里斯肯定能追上乌龟，但芝诺的论证结果却截然相反。当时的哲学家无法驳倒这个悖论，尽管他们知道，芝诺的这个结论肯定是错误的，但无法从芝诺的数学论证中挑出一丝错处。逻辑是哲学家手中的主要武器，但对于芝诺提出的这个悖论，逻辑推导似乎无能为力。芝诺这条逻辑链的每一环似乎都无懈可击，但如果环环相扣的论证都是正确的，为什么最后推导出来的结果却是错误的呢？

这个问题彻底难住了古希腊人，但他们其实已经捕捉到了这团迷雾的源头：无限。芝诺悖论的核心就是无限：芝诺将连续运动过程分割成无穷多的小段间隔，由于间隔的数量无限大，于是古希腊人就认为，尽管间隔距离越来越小，但阿基里斯和乌龟总是在不断运动。也就是说，在有限的时间里，追赶的过程永不停歇——至少他们是如此认为的。古人难以应对“无限”这个概念，好在现代数学已经掌握了其中的要领。对于无限的理解与处理需小心谨慎，但在0的帮助下，这个问题已然迎刃而解。经过数学界2400年的努力，今天的我们已可轻松准确地击中芝诺悖论的阿基里斯之踵。

古希腊数学没有0，但我们有，而它恰恰是解决芝诺悖论的关键所在。在某些情况下，无穷个数字项的累加是有可能得到一个确切的数值的——但这些累加的数字项必须趋近于0 [8] 。阿基里斯与乌龟的情况便是如此。若把阿基里斯的跑动距离从1开始累加，即（1+1/2+1/4+1/8…），其后的项数值越来越小，越来越趋近于0，每一个项都相当于阿基里斯与乌龟之间的距离，而追赶的终点则是0。然而，由于古希腊人已将0推拒门外，所以他们始终无法理解，阿基里斯与乌龟的这段追赶之旅是有终点的。在古希腊人看来，1、1/2、1/4、1/8、1/16…这个数列无穷无尽，没有终点，只是数字项的数值会越来越小，直到跨出他们掌握的数字范畴。

现代数学则清楚地知道，这些累加项是有一个极限的，1、1/2、1/4、1/8、1/16…，最终趋近于0，这就是它们的极限。换句话说，这趟追赶的旅程是有终点的。一旦确认了终点的存在，人们自然会发问，这个终点到底有多远？多久能到达这个终点？将阿基里斯跑动的距离相加起来并非难事：1+1/2+1/4+1/8+1/16+…+1/2n +…，而随着阿基里斯的跑动距离越来越小，越来越趋近于0，其累加的结果就越来越趋近于2。这个结果又是如何得到的呢？假如从2开始，一一减去累加的各数字项：2-1自然等于1；然后再减去1/2，得到1/2；再减去下一项，即减去1/4，得到1/4；再减去1/8，得到1/8。于是，我们可以再次得出一个熟悉的数列。如前所述，1、1/2、1/4、1/8、1/16…这个数列的极限是0，因此，若由2减去这些项，结果应该是0。因此（1+1/2+1/4+1/8+1/16+…+1/2n +…）的极限就是2（见图表11）。也就是说，阿基里斯在跑动2英尺之后，就能赶上乌龟，尽管他需走过无限多步。再来计算一下阿基里斯追赶上乌龟所需的时间：1+1/2+1/4+1/8+1/16+…+1/2n +…=2秒。阿基里斯需要走过无限多步才能跑完这一段有限的距离，但他所需的时间仅为2秒。

图表11：1+1/2+1/4+1/8+1/16+…=2

古希腊人无法识破这个小小的数学诡计，因为在他们的知识海洋里不具备极限的概念，但究其根源，还是在于他们对0的不信任。他们认为，这个无限数列中的项是没有极限，或者说没有终点的，项的数值越来越小，目之所及，似乎望不到尽头。他们反复琢磨虚无的概念，却拒绝承认0是一个数字；他们费心思忖无限的定义，却不肯接受无穷（数值为无穷大或无穷小的数字）的存在。这便是古希腊数学界最大的失败之处，而古希腊数学家发明微积分的可能性也就此摒绝。

无限、0、极限的概念，三者联系紧密，难以分割。古希腊哲学家无法揭破它们之间的联系，因而也就错失了解决芝诺悖论的关键要点。芝诺悖论影响力甚大，古希腊人前赴后继地尝试对其做出解释，但这些尝试注定失败，因为此时的他们并不具备相应的知识概念，可谓手无寸铁。

芝诺自己也没有对这个悖论做出恰当的解释，或者说，他从未寻求得到解答，因为这个悖论的内涵十分契合他的哲学思想。他是古希腊埃利亚学派的成员，这一学派的创始人巴门尼德认为，宇宙的本质是固定不变的。芝诺提出的这些悖论展现了变化与运动的矛盾性，恰好支持了巴门尼德的观点，他尝试说服人们相信，世间万物的存在是唯一且永恒不变的。芝诺也笃信，“存在”不动，即运动是不可能的。而他提出的这些悖论就是这一理论的主要支撑论点。

其他思想理论亦层见叠出。比如，持原子论者认为，宇宙万物是由一种叫作“原子”的微小物质粒子构成的，原子不为人眼所察，既不能创生，也不能毁灭，自古便存在；所谓运动，实则就是这些微小粒子的运动。如果原子要四处游移，就必然有供其运动的空间存在，如果没有类似虚空 [9] 的事物将它们分隔开，它们就只能挤作一团；也就是说，所有一切事物都将困在同一位置，无法动弹半分。因此，原子论的主张成立的前提是，宇宙间必然充斥着容纳原子运动的空间——无限的虚空。原子论的推崇者欣然接纳了“无限虚空”这一概念，它既囊括了无穷，也包含了0。这个结论震惊世人，但其提出的“原子不可再分”的内核思想却能够在某种程度上拨开芝诺悖论的迷思。原子是宇宙间不可分的最小粒子，即是说，存在这样一个临界点，一旦过了这个临界点，事物便不可再分。于是，芝诺认为的无止境向前将不再成立，因为在一个最小的不可再分的时间点上，运动的物体一定要穿越至少一个不可再分的原子的距离，否则即可被视为静止。阿基里斯在一个时间点上穿越的原子数量一定比乌龟多，这样一来，他也就能够成功追上乌龟了。

在另一个与原子论相抗衡的哲学体系中，没有诸如无限虚空这类怪诞离奇的概念，它把宇宙描绘成舒适安逸的坚果形状，没有无限，没有虚空，只有美丽的天体围绕着地球旋转，位于宇宙中心的自然是我们赖以生存的地球。这便是亚里士多德的宇宙模型，后来，居住于亚历山大城的天文学家托勒密对其进行了修正补充。亚里士多德把0与无限推拒门外，并在此基础上对芝诺悖论做了一番解释。

亚里士多德认为，数学家“既不需要也用不到无限”。也许“无限”的概念会潜匿于数学家的思想深处，比如，将线条划分成无限多的小段，但没有人能真正做到这一点，所以，无限在现实生活中是不存在的。阿基里斯无疑能够轻松地超过乌龟，因为所谓的无限个起点其实只是芝诺的臆想造物，并不存在于现实世界。亚里士多德将无限挥置一旁，并轻描淡写道：“无限只不过是人类思维的构想。”

以毕达哥拉斯的宇宙模型为基础，亚里士多德（以及后来的改进者天文学家托勒密）提出，各天体在球体宇宙中沿正圆形轨道运行。既然无限已不复存在，天体的数量自然也非无限，所以，一定存在一个最后的天体。这颗最外围的球体是深蓝色的，带着午夜的幽深，镶嵌着星辰的点点辉光，宇宙就在这里戛然而止。宇宙被惬意地包裹在一个坚果形状的有限空间里，恒星安稳地绕地球而动。宇宙是一个有限大的球体，其中充满了物质，既不存在无限，也不存在虚空；既没有无穷大，也没有0。

这一连串的推导过程产生了另一个推论，而这个推论也是亚里士多德哲学得以长久延续的主要原因，那就是，他的哲学体系检验并证明了上帝的存在。

天上群星沿着各自的轨迹悠然旋转，产生的曼妙乐声漫溢天际。但是，一定是有什么东西造就了这些运动。静居于中的地球不可能是这股动力的来源，因此，最内层的天体肯定是在下一层天体的带动下运动的，并以此类推。然而，无限是不存在的，天体数量有限，所以，一定存在一个最终动因，推动着这些恒星的运转。而这个原动力，就是上帝。基督教自席卷西方世界之时起，就与亚里士多德的宇宙观及其证明上帝存在的凭据牢牢捆绑在一起，原子论则与无神论者紧密相连。质疑亚里士多德的哲学信条就是在质疑上帝的存在。

亚里士多德的思想体系成就辉煌。他最著名的学生，亚历山大大帝（逝世于公元前323年）生前将他的思想向东远播至印度。亚里士多德思想的生命力远比亚历山大的帝国强大，一直绵延发展至16世纪的伊丽莎白时期。亚里士多德思想长期处于统治地位，与之相伴的便是都对无限以及虚空的排斥。对无限的否定必然伴随着对虚空的否定，因为虚空本身就意味着无限的存在，毕竟，虚空的本质决定了，其存在只有两个逻辑上的可能，而这两个可能性都蕴含了无限的存在。第一个可能性，宇宙中容纳原子运动的空间是无限多的，因此无限是存在的。第二个可能性，宇宙中容纳原子运动的空间非无限多，即虚空是有限的，但是，由于虚空是没有任何物体存在的空间，那么，就必须存在无限多的物体，以确保虚空的数量是有限的，于是，无限同样存在。两种可能性下，虚空的存在都暗含着无限的存在。虚空或者0粉碎了亚里士多德高妙的思想论述，同时也摧毁了他对芝诺悖论的驳斥和对上帝存在的证明。于是，人们在接受亚里士多德思想的同时，也被迫伸手推开了0、虚空与无限。

但是，仍有一个问题：同时驳倒无限与0并非易事。回溯过往岁月，沉淀在历史长河中的往事一一浮现，但是，倘若无限是不存在的，那么也就不会有无穷多的历史事件，因此，历史的河流必有一个起始的源头——创世。然而，创世之前呢？是一片虚无吗？显然，亚里士多德无法接受这个答案。相反，如果没有所谓第一个历史事件，那就意味着宇宙自古便有，并将亘古长存。于是，要么存在0，要么存在无限，不存在两者都不具备的宇宙。

亚里士多德对虚空这一概念嫌恶入骨，取舍之间，他宁愿相信宇宙的永恒无限，也不愿认同宇宙充斥着虚空。他认为，时间的无穷无尽与芝诺悖论的无限分割一样，都只是一种“潜在的”无限（无限是连续性的一种体现，这种说法得到了许多学者的赞同，甚至有一些人还将创世故事当成佐证上帝存在的进一步证据。中世纪的哲学家与神学家注定要因这个难题展开一场持续几百年的持久论战）。

亚里士多德关于物理学的思想虽错漏颇多，但影响深远，在一千多年间，所有与之相反的见解都在它的耀眼光芒下黯然失色，其中不乏一些更加务实的观点。在世界将亚里士多德的物理学思想——包括他对芝诺的无限概念的排斥——抛诸脑后之前，科学难以迈出前进的步伐。

尽管聪慧盖世，芝诺还是陷入了难以挣脱的困境。大约在公元前435年，芝诺密谋推翻埃利亚的僭主尼阿库斯，并协助走私武器，但计划不幸败露，芝诺被捕入狱。为找出同谋者，尼阿库斯对芝诺严刑拷问。芝诺很快便招架不住，乞求停止审讯且答应供出同谋。尼阿库斯走到他的跟前，芝诺却一再坚持要他再贴近一些，因为他只想对尼阿库斯一人吐露秘密。于是，尼阿库斯弯下身子，将头靠近芝诺，就在这电光火石之间，芝诺一口咬住了尼阿库斯的耳朵。尼阿库斯惊声尖叫，芝诺却如何都不肯松口。一旁的审讯人员无奈之下，只能将芝诺乱刀捅死。一代“无限”大师就此陨落。

古希腊终于迎来了一位智者，在无限这一研究问题上超越了芝诺，他就是阿基米德，一个来自锡拉库扎的古怪数学家，他也是那个时代里唯一一位对无限投去审视一瞥的思想家。

锡拉库扎是西西里群岛中最富饶的城市，阿基米德的家庭在当地属名门望族。人们对阿基米德的年轻时期知之甚少，只大致知道他生于公元前287年左右，与毕达哥拉斯一样，出生于萨摩斯岛，后移民至锡拉库扎。阿基米德帮助锡拉库扎的国王解决了许多工程问题，这位国王还请求阿基米德帮他鉴定其纯金打造的王冠是否被工匠掺杂了铅，这可是一项难度远超当时科学水平的任务。一天，阿基米德坐在自家浴缸里，注意到缸里的水正往外溢，他突然悟到，可以通过测定王冠在水中的排水量来确定金冠的密度及纯度。于是，他欣喜若狂地跳出浴缸，跑到锡拉库扎的大街上高声呼喊“尤里卡！尤里卡！”（Eureka，希腊语，意为‘我知道了’），全然忘了自己还没穿上衣服。

阿基米德发挥自己的才能，为锡拉库扎的军队做出了许多贡献。公元前3世纪，古希腊的霸主地位已然式微，亚历山大的庞大帝国崩塌瓦解为若干小国，这些势力长期处于斗争状态，此时的西方世界，有一股新生力量正崭露头角，那便是罗马共和国。罗马将征服的目光投向了锡拉库扎。相传，阿基米德为锡拉库扎军队发明了多种强劲武器用以抵御罗马人的进攻，如投石器、巨型起重机（可以将敌人的战舰吊到半空中，然后重重摔下使其在水面粉碎）、聚光镜（把强烈的阳光一齐反射到远处的敌舰上，使其着火）等。这些武器弄得罗马士兵惊慌失措、草木皆兵，一见到城墙上挂着根绳子或竖着块木头，就以为又是阿基米德发明的什么新武器，于是仓皇逃走。

为聚光镜抛光触发了阿基米德对于无限的思考。几个世纪以来，古希腊人一直沉迷于圆锥曲线的研究无法自拔。取一圆锥体，切成两半，根据切割方式的不同，分别可得到圆形、椭圆形、抛物线和双曲线。其中，抛物线有一个特殊的性质：抛物镜面能够将阳光或远距离光源的光线聚于一点，换句话说，能够通过聚光点燃船帆的镜子必须为抛物镜面。阿基米德苦心钻研抛物线的性质特征，就是在这期间，他开始了对无限的第一次思索。

为了了解抛物线，阿基米德必须先掌握测量它的方法。在此之前，无人知晓究竟该如何准确计算抛物线所围成的面积。三角形与圆形的面积测定已驾轻就熟，但一些稍不规则的曲线，如抛物线所围成的面积测量则不然，其难度超出了当时古希腊数学可及的知识范围。不过，阿基米德想到了一个方法，而这个方法中隐匿着无限的身影。第一步就是在抛物线内部画一个三角形，然后在两边剩余的空白地带再画上两个三角形，此时余下四个空隙，便再添画更多的三角形，并以此类推（见图表12）。就像阿基里斯与乌龟一样，这一系列步骤同样没有止境，构画的三角形越来越小，其面积很快便趋近于0。经过一串漫长而复杂的运算，阿基里德把无穷多的三角形的面积累加起来，并巧妙地估算出了抛物线所围的面积。当时的数学家都对这个推导思路不以为然，因为阿基米德采用无限作为工具，这一点招来了他的数学同行们的反感。为了说服他们，阿基米德运用当时为人接受的数学知识，在所谓阿基米德公理的基础上又总结了一套证明方法，不过他自认，前一种方法更值得称颂。我们先前业已提到，阿基米德公理的内容是，任意给定两个正实数a、b，必存在正整数n，使na＞b，而0显然不包括在内。

图表12：阿基米德的抛物线

阿基米德的三角形证明方法已相当接近极限的基本思想（或者说微积分的基本思想，此处不作过多的细致区分）。在后来的著作中，阿基米德算出了抛物线与圆形绕直线旋转形成的物体体积，对如今学习微积分的学生来说，这样的题目已是小菜一碟。但是，阿基米德公理将0排斥在外，而0恰恰是沟通有限与无限的桥梁，是走向微积分与高等数学的必由之路。

即便阿基米德聪明绝顶，他间或也会与人一同嘲弄无限这个概念。他对亚里士多德的宇宙观深信不疑，认为宇宙就是一种巨大的有限球体。有一次，他心血来潮，想尝试计算出需要多少数目的沙粒才能填满整个宇宙。他首先计算了充填一颗罂粟籽需要多少沙粒，然后计算多少罂粟籽能填满一浮 [10] 的宽度，再由一浮扩展至一斯塔德 [11] 的长度，以此类推，一直拓展至宇宙量级。经过运算，阿基米德得出，需要1051 颗沙粒才能填塞满整个宇宙，直到最边缘的恒星球体。（1051 是一个极大极大的数字，如果地球上的男女老少，每人一秒钟喝一吨水，也需要15万年才能喝完1051 摩尔的水。）由于这个数值过于巨大，古希腊计数系统已无能为力，阿基米德不得不重新创造了一套记大数的方法，以简化记数方式。

万（myriad）是古希腊计数系统中最大的计数单位，此系统的计数上限只能到万万（myriad myriads，即100,000,000）以及比万万更大一点的数。但阿基米德的计算结果已然超过这个界限，于是，他只能按下了重启键，建立新的记数法。他以1亿（原文是万万，myriad myriads，这里按照中文的习惯改称为亿——译注）为基础单位，设定100,000,000等于1（阿基米德没有设定100,000,001等于1、100,000,000等于0，这是现代数学家的做法，当时的阿基米德不曾意识到，从0入手其实更为合理），而后再进行记数，把从亿到亿亿之间的数叫作第2级数（second order），从亿亿到亿亿亿之间的数叫作第3级数，并以此类推，直到第1亿级数。他把上述从第1级数到第1亿级数的所有数字称为第1周期（the first period）的数。这样的方法虽略显笨拙，但足以帮助阿基米德完成他的思维实验，其记数范围甚至大大超过了阿基米德原先的需求。这些数字尽管数值巨大，尽管远超足以填满宇宙的沙粒数目，但它们依然是有限的。古希腊世界不需要无限。

如果给阿基米德更多时间，或许他也能感受到无限与0的魅力，但是，这位计算出宇宙容沙量的数学家注定要在数学的陪伴下，在沙地中接受命运的最后安排。罗马人攻破锡拉库扎是大势所趋，罗马士兵潜行通过一座管理松弛的瞭望塔，轻松翻越城墙，进入内城，锡拉库扎人发觉时已无力回天。罗马人侵城而入，阿基米德却对周遭此起彼伏的恐慌置若罔闻，他席地而坐，在沙地上画着圆圈，正试着证明某条数学定理。一个罗马士兵瞥见了这个满身泥污的75岁老人，便上前命令他离开。阿基米德严词拒绝了他的要求，因为他的证明推导尚未完成。士兵勃然大怒，立马一刀将他刺死。罗马人挥手一刀，世界便就此失去了一位伟大的思想家。

杀死阿基米德是罗马人对数学做出的最大贡献之一。罗马帝国延续七百年之久，在这段漫长的岁月里，数学的发展停滞不前。历史的车轮滚滚向前：基督教在欧洲迅速传播蔓延，罗马帝国终分崩离析，亚历山大图书馆烈火滔天 [12] ，黑暗时代 [13] 拉开序幕。年月又更迭了7个世纪，0方才重新出现在西方世界。在此期间，两个修道士创造了一部没有0的历法，并将人类引入了迷雾笼罩的无底深渊。

盲目的日子

这是一场愚蠢而幼稚的讨论，其作用不过是暴露了
那些对我们目前处境持不同观点的人群的无知。

——《泰晤士报》（伦敦）
1799年12月26日

这场“愚蠢而幼稚的讨论”旨在研究一个新的世纪究竟是从00年还是01年开始，这样的讨论如同定时的钟表，每隔一百年就准时重现一次。但凡中世纪的修道士对0有一丝了解，我们的历法都不会如此混乱。

修道士不可能因为无知而遭受指责。的确，在中世纪的西方世界，研究数学的人就只剩下基督教的修道士了，他们是仅存的博学者。修道士需要数学的原因有二：一是祈祷；二是钱财。为了数钱，他们必须学会数数——是的，事实就是如此。他们使用算盘或计数板，计数板类似于算盘，在刻画有等距平行线的桌面放置石头等作为算子进行运算。这个任务不算艰难，但以古代的标准看，也算是一种艺术了。为了做祷告，修道士需准确掌握时间与日期，记录时间对举行宗教仪式来说至关重要，因为不同的时间段都有各自对应的祈祷文。（中午“noon”一词的词源为“nones”，指的就是天主教七段祈祷时间中的第四段——午时经。）另外，如果没有精确的日程表与历法，守夜人又从何得知该在什么时候叫醒他的同伴起身进行一天的祷告？人们又从何得知该在什么时候庆祝复活节？这可是一大难题。

由于各历法间的冲突，复活节日期的计算绝非易事。教会位于罗马，所以基督徒采用的是365天长的罗马太阳历，然而耶稣是犹太人，他遵循的犹太阴历一年只有354天（偶有变化）。耶稣一生中各大事件的发生节点都是根据月亮的盈缺进行标记的，然而管辖日常生活的却是太阳的活动。两套历法相互龃龉，使得节日的日期预告困难重重。复活节如此漂移不定，因此，每隔几代，教会就得选派一位修道士重新计算接下来一两百年的复活节日期。

狄奥尼修斯·伊希格斯就是被选中的修道士之一。公元6世纪，罗马教皇约翰一世要求他计算接下来的复活节年表。在转写和重新计算时间表的同时，狄奥尼修斯暗地里做了一些额外研究，他发现他能够确定耶稣基督的诞生年份，再通过一系列的数学运算，得出当前的年份应该是耶稣诞生后的第525年。他认为，上帝之子诞生的年份应该作为纪元的开始，即公元（anno Domini，意为“我主纪年”）1年，因为这是耶稣降世的第一年。（严格来说，狄奥尼修斯认为耶稣的诞辰应该是前一年的12月25日，但为了与罗马纪年相配合，只能将1月1日作为历法的开端。）之后的下一年便是公元2年，再接下去就是公元3年，并以此类推。这套历法从此取代了先前的两个日期系统，通用至今 [14] 。但是，又有一个问题出现了。

首先，狄奥尼修斯推算的耶稣诞辰是不对的。大部分资料显示，希律王在听说了有关新生弥赛亚的传闻后怒不可遏，为躲避希律王的迫害，玛利亚与约瑟逃亡至埃及。但是希律王在公元前3年业已离世，早于推算出的耶稣出世年份。毋庸置疑，狄奥尼修斯算错了。现代学者大多认为，耶稣降世应发生在公元前4年，比狄奥尼修斯的推断稍早几年。

实际上，这个错误还不至于酿成大祸。具体选择哪一年作为一套历法的纪年元年其实并不重要，只要历法整体前后一致即可。若众人都不介意这个相差4年的纰漏，比如今天的我们便大都不在意，那它也就不值一提了。但是，狄奥尼修斯修订的这套日历还存在一个更加严重的问题：0。

这套历法的元年是公元1年，而非公元0年，通常来说，这并不是什么大问题，而且当时通用的大多数历法都是从第1年开始的。其实，狄奥尼修斯并无选择的余地，因为他压根不知道世间竟还有0的存在。在他成长、受教育之时，罗马帝国已是日暮途穷，即便是在帝国的全盛时期，也未有数学天才横空出世。公元525年，黑暗时代幕布开启，当时西方世界沿用的是繁冗笨重的罗马数字系统。在这套计数系统中，依然没有0的踪迹，所以，对于狄奥尼修斯来说，耶稣基督降世的第一年自然是公元Ⅰ年，第二年是公元Ⅱ年，而他得出这一结论的这一年则是公元DXXV年。大多数情况下，狄奥尼修斯的历法不会惹来什么麻烦，毕竟在推出伊始，它并未得到欧洲人的青睐。当时，罗马教廷中的知识分子日子并不好过，公元525年，罗马教皇圣·约翰逝世，在随后的权力更迭中，像狄奥尼修斯这样的哲学家和数学家通通逃不过被人扫地出门的命运，但他们至少保住了性命。（其他人可就没这么好运了。波伊提乌是中世纪西方最杰出的数学家之一，不过在那个年代，数学才华毫无价值。同时，他还是位高权重的执政官。狄奥尼修斯被人扫地出门，大约在同一时间，波伊提乌也失去了权位，更惨遭监禁。他的数学成就没能名留青史，但其著写的《哲学的慰藉》一书却广受赞誉，他本人也从这一册镌刻着亚里士多德烙印的哲学书籍里寻获了许多慰藉。书成不久，他便惨死于棍棒之下。）不管怎样，这套新创的历法就这样尘封了好几年。

因缺少0年而产生的问题在两个世纪之后开始渐渐显露。公元731年，狄奥尼修斯先前制作的复活节年表已经不够用了，比德，这位来自英格兰北部、即将享有“令人尊敬的”（the Venerable） [15] 这一荣誉称号的修道士，决定再次扩写年表。也许正是这个契机，令他开始了解狄奥尼修斯的研究成果。他在撰写巨著《英吉利教会史》时，采用的就是狄奥尼修斯的新纪年方法。

此书成就甚高，为传世鸿篇，但它有一个严重的缺陷。比德挥笔撰述历史，一直回溯至公元前60年，即狄奥尼修斯设定的元年之前的60年。比德不愿弃用这套新的纪年系统，于是，他只能将狄奥尼修斯的历法往前拓展。比德对数字0同样一无所知，所以，在他的推算中，公元1年的前一年就是公元前1年，而非公元0年。毕竟，在比德的知识世界里，0并不存在。

乍看之下，这样的计数方式似乎还凑合，但若细究，必定会出现纰漏。我们不妨把公元后的年份看作正数，公元前的年份看作负数，照此，比德的纪年方式就为：……，-3，-2，-1，1，2，3，……-1与1之间本应有0，但在这个纪年序列中，0缺失了。1996年，《华盛顿邮报》一篇有关天文历法的报道向人们指出了有关千禧年纪年的争议，且不经意地提到，既然耶稣出生于公元前4年，那么1996年正是耶稣降世的第2000年。这个提法从表面上看似乎逻辑完美：1996-（-4）=2000，但其实是不对的，1996年应该是耶稣降世的第1999年。

假定一个孩子出生于公元前4年的1月1日，公元前3年时，他1岁；到了公元前2年，他2岁；往后再到公元前1年，他3岁；转眼到了公元1年，他4岁；公元2年时，他5岁。公元2年1月1日时，距离他出生一共过了多少年呢？显而易见，答案是5年。可见，若将年份直接相减，即2-（-4）=6，得出的结果是错误的，因为这个纪年系统不包含公元0年。

照理说，这个孩子4岁时应该是公元0年1月1日，5岁时应是公元1年，6岁时应是公元2年，这样，所有的数字都正确归位，将年份直接相减就能得出孩子的正确年龄。但事实并非如此，依照现下通行的纪年方式，必须从相减结果中再额外减去一年，方能得出正确年龄。因此，1996年并非耶稣诞辰2000周年，而是1999周年。上述情况已然十分错杂，但这还不是最混乱的情形。

我们不妨再做一次假设。假定某个孩子恰好在第一年的第一天的第一秒出世，即公元1年1月1日；公元2年伊始，他1岁；公元3年，他2岁，以此类推，到了公元99年，他便是98岁；再过一年，到公元100年，他99岁。现在，再把这个孩子命名为：世纪。公元100年时，这个名唤世纪的孩子，实则只有99岁，只有到了公元101年的1月1日，他才能名正言顺地庆祝自己的100岁生日。同样地，第3个世纪应开始于201年，第20个世纪则应开始于1901年。这就意味着，21世纪，即第3个千禧年，应开始于2001年。但你从未注意到这一点。

1999年12月31日这一天，全世界的酒店和餐厅都被客人抢订一空，2000年12月31日则没有如此火爆的场景。全球都在欢庆千禧年的到来，不曾想，竟挑错了日子。就连格林尼治天文台，这个世界时间的标杆与一切事件发生前后排列的仲裁者，也做好了被狂欢者淹没的准备。山顶的天文台里，原子级精度的时钟滴答作响，山底的人群翘首等待，现场还组织了无与伦比的开幕式，所有的精心准备都只为迎接世纪之交的那一刻——没错，这一切都发生在1999年12月31日。倘若天文学家也对千年更替的时刻感兴趣，想在山顶开支香槟庆祝一番，他们应该会将日子定在2000年12月31日。

天文学家看待时间的角度与一般大众相去甚远，毕竟，他们仰望的是星空的时间规律，这个体系下的时间流转，既不需要闰年的概念，也不需要随着人类历法的更改而进行重置。因此，天文学家决定将人类通用的历法抛掷一旁。他们不根据耶稣诞辰来衡量年月，而是以公元前4713年1月1日为起点进行连续纪日，这个起始日期由学者约瑟夫·斯卡利格于1583年随机选择而得。他所创的儒略日（Julian Date）（以其父亲尤里乌斯命名，而非尤里乌斯·恺撒大帝）就此成为天文学界的单一标准历法，因为它能够规避由于历法不停修改而造成的所有问题。（儒略日也经历过小幅修改，改动后的简化儒略日等于原来的儒略日减去2,400,000天12小时，即2,400,000.5天，历法起点也相应变更为1858年11月17日0时，这个日期同样带有一定的随意性。）天文学家或许并不热衷于庆祝第51542个简化儒略日，犹太人也可能在不经意间就忽略了创世纪年5760年提别月23日 [16] 这个日子。同样地，穆斯林兴许也不会对希吉拉纪年1420年斋月23日 [17] 另眼相待，但转念一想，又觉得并非如此，因为他们都知道，那一天是公历纪元1999年12月31日，子夜时分将迎来公元2000年，而且他们肯定都察觉到了这个日子的特别之处。

说不上为什么，但我们人类就是对带有多个0的整齐数字情有独钟。孩提时代的我们乘车出外兜风，里程表上的累计里程即将达到20,000英里，表上的数字逐渐增加，车上所有人都屏气凝神，专注地注视着慢慢攀升的里程表，终于到了19,999.9——画面一个跳转——20,000！孩子们高声欢呼，那一刻至今难忘。

历史的里程表也在1999年12月31日的午夜提前迎来了那一下激动人心的跳转。

第0个数字

瓦茨瓦夫·谢尔宾斯基是波兰一位杰出的数学家。
某天，他发觉自己丢了一件行李。
“没丢，亲爱的！”他的太太安慰道，“一共6件行李，都在这儿了。”
“这里哪有6件行李？”谢尔宾斯基说，“我已经数了很多次了：0、1、2、3、4、5。”

——约翰·康威与理查德·盖伊《数字之书》

若非要说狄奥尼修斯和比德所创的历法中没有包括0是一个错误，似乎显得有些牵强，要知道，孩子们学数数时也是从1开始“1、2、3”，而非从0开始。除了玛雅人，所有其他文明采用的历法都不是以0年开始，也不存在0月0日。从0开始数数或记录时间似乎有些怪异。但如果是从后往前倒数，又仿佛非常自然。

10，9，8，7，6，5，4，3，2，1，发射。

航天飞船总在倒数到0时才发射升空，重要事件也往往挑在0点进行，而不是1点，炸弹爆炸的预设地点则被命名为“0爆点”（ground zero）。

如果细想一番，你会发现，在日常生活中，从0开始计数其实并非罕事。秒表从0:00.00开始计时，一秒过后才跳转为0:01.00；方才出厂的汽车，其里程表的原始设置为00000；军用时间始于0000点，被称为“0百点”。然而，在数数时，人们却总是下意识地从1开始，除非你是排列顺序相当敏感的数学家或程序员 [18] 。

当我们像这样计数时1、2、3……我们能轻松排列好它们的次序：1是第一个数字，2是第二个，3是第三个。我们无须担心会把数字代表的数值（其基数性，cardinality）与其在数列中的位次（其序数性，ordinality）弄混，因为二者基本一致。这样的情况持续了很多年，大家也都很满意。然而，当0加入战局，数字的基数性与序数性之间的完美对应关系旋即破裂，数字的排序变成了0、1、2、3，即0在首位，1列其次，2则位处第三。数字的序数性与基数性再不可互换。这就是上述提及的日历问题的根源。

一天中的第一个小时始于午夜过后的第0秒钟，第二个小时始于凌晨1点钟，第三个小时始于凌晨2点钟。数数时，我们以数字的序数性（第一、第二、第三）为基础，但在标记时间节点时，又以基数性（0、1、2）为基础——这种思维方式已经融入我们的血液，不管我们喜欢与否，它都将与我们共存。一个新生儿度过了他在这个世界上的第12个月，这时我们会说，这个孩子已经1岁了；如果我们在婴儿出生1年之后，方才认定他已满1岁，那是否意味着，从呱呱坠地的那一刻到1岁之前的这段时间里，这个婴儿是0岁？当然了，充满智慧的我们会说，这个婴儿只有6周大、9个月大，等等，从而回避这样一个事实——这个婴儿的岁数是0。

狄奥尼修斯缺乏关于0的知识，所以，和他的许多前辈一样，他制定的纪年方式以1为开端。当时人们的思维模式仍停留在基数性与序数性的简单对等上——当然了，这也没什么大不了的，因为倘若他们的思想世界从未留下过0的足迹，那么，上述所说的一切问题就都不存在了。

无限虚无

世间并不存在完全的虚无，我们之所以觉得它是虚无，
只不过是因为它既没有实质形态，而我们也无法对它下定义……
真实存在的推理结果使我坚信，只有剔除了所有具象的存在，
我才能触摸到那不具形相的存在——但我做不到。

——圣·奥古斯丁《忏悔录》

我们很难怪罪修道士们的疏漏，因为狄奥尼修斯·伊希格斯、波伊提乌、比德他们生活的年代正为黑暗所笼罩，罗马帝国已分崩离析，而西方文明仿佛只是蜷缩于罗马昔日光辉中的一团阴影，未来难测，远比过去令人恐惧。这也就难怪，在探索智慧的道路上，中世纪的学者们很少与同辈结伴而行，反而喜欢回过头，向古代的智者，如亚里士多德或柏拉图等寻求灵感与慰藉。他们将古希腊、古罗马的许多哲学思想和科学理念引入欧洲，但同时也继承了古人们的偏见——对无限的恐惧和对虚无的畏怯。

中世纪的学者为虚无贴上了邪恶的标签，同时也为邪恶贴上了虚无的标签，比如，撒旦就是不存在的。波伊提乌做了如下推论：上帝是全知全能的，所以，上帝无所不能，同时，上帝又是全善的，因此，他不可能作恶，于是便能得到一个结论，邪恶是不存在的，即是虚无。在中世纪的思想者看来，这种说法完全合理，意义非凡。

然而，中世纪的哲学理论中，暗伏着一处矛盾。亚里士多德的哲学体系扎根于古希腊文明，基督教与犹太教的创世故事则源于闪米特人——而闪米特人并不畏惧虚无，在他们的创世神话里，在神创造天地之前，宇宙就是一片混沌虚空。神学家们，如生活在4世纪的圣·奥古斯丁，都曾试图为创世论做出解释，并将创世之前的混沌状态描述为“一种不具任何形相的东西”，它是什么也没有，“没有颜色、没有形状、没有肢体、没有思想，但不是绝无的空虚”。基督教学者的心底蔓生着对虚无的强烈恐惧，这恐惧压倒了一切，于是，他们尝试从各个角度解读圣经，力求与亚里士多德的哲学观点相符。

幸运的是，并非所有文明都对0心存忌惮。

[1] 芝诺悖论（Zeno's paradox）：古希腊数学家芝诺提出的一系列关于运动的不可分性的哲学悖论。

[2] “ratio”的希腊原文为λoγoς（logos），亦译作“圣言”，这一译法比传统译法更为合理。

[3] 形数（number-shape）：有形状的数。毕达哥拉斯学派研究数的概念时，喜欢把数描绘成沙滩上的小石子，小石子能够摆成不同的几何图形，于是就产生了一系列的形数，形数都是自然数。形数是将数形象化的方法，数量和形状决定一切自然物体的形式，数不但有量的多寡，而且也具有几何形状。

[4] 琴桥：又称琴马，是一块桥型的小木片，坚定地站在琴面板的中间，而受压迫于琴弦之下。

[5] 海洋软体动物，具有卷曲的珍珠似外壳，外壳由许多腔室组成，外套位于外壳内，各腔室之间有膈膜隔开。

[6] 早期的古巴比伦人并没有深刻地意识到为一个给定角作三等分的难度。在《吉尔伽美什史诗》中，叙述者讲述道，吉尔伽美什三分之二是神，三分之一是人，但这就和用一把直尺、一个圆规三等分一个给定角一样，几乎不可能做到。

[7] 四大元素（the four elements）：指火、气、水、土四元素。毕达哥拉斯认为，因为有了数，才有几何学上的点，有了点才有线面和立体，有了立体才有这四种元素，从而构成万物。

[8] 这是一个必要非充分条件，如果这些数字项趋近于0的速度太慢，它们的和则无法收敛到一个有限的数。

[9] 虚空：通常认为没有任何物体存在的空间就是虚空。

[10] 一浮：以美男子库里·修斯伸出双臂时两手中指指尖之间的距离作为长度单位，称为一浮。据考古证实，1浮=1.829米。

[11] 斯塔德：stadium，意为“体育场”，是古希腊的标准长度单位，1斯塔德为607～738英尺（185～225米）。

[12] 亚历山大图书馆始建于托勒密一世（约公元前367—前283年），是世界上最古老的图书馆之一，曾是人类文明世界的太阳。传说它先后毁于三场大火，最后一场大火发生在公元7世纪。公元7世纪，阿拉伯帝国在阿拉伯半岛崛起。642年，阿拉伯军队在阿慕尔·伊本·阿斯率领下攻占亚历山大城。阿慕尔重新占领亚历山大城之后，一位与他相识的名叫约翰的文法学家表示，希望得到亚历山大图书馆的藏书。阿慕尔遂向帝国统治者欧麦尔请示，得到的回答是：“把所有书先翻阅一下。如果其内容与经书（指《古兰经》）相同，就无须保存；如果相悖，也无须保存，不妨销毁。”阿慕尔后来下令，将所有馆藏图书交给城里的4000多个公共澡堂作燃料，足足烧了6个月之久。

[13] 指从罗马帝国的灭亡到文艺复兴的开始整个一段时期，这一时期的特点是经常进行战争，实际上没有城市生活。

[14] 其中，一套日期系统以罗马城建成的年份为开端，另一套日期系统则以戴克里先皇帝登基之年作为元年。对于基督修道士来说，比起一座城市的建成或某个皇帝的登基，救世主的诞生无疑要重要得多，更别说这座城市历经数次烧杀劫掠，早已破败，这个皇帝更是以迫害基督徒而著称。

[15] 天主教被列入圣徒者的头衔或英国国教副主教的尊称。

[16] 创世纪年，anno Mundi，为犹太教使用的纪年；提别月，为希伯来历第十个月、日历年第四个月，通常在12月和1月间。

[17] 希吉拉纪年，anno Hejirae，为伊斯兰教使用的纪年；斋月，为伊斯兰教历的九月。

[18] 计算机程序员若要设计一款能够执行循环任务的程序，在编程让计算机进行10个步骤的循环时，往往都是从0到9进行排序。健忘的程序员可能会忘了这一点，直接从1开始排序直到9，这样一来，程序就只会执行9个步骤，而非10个。1998年的亚利桑那州，就是一个与上述类似的程序故障毁了一次乐透彩票的开奖。当时，第9个中奖数字迟迟未能出现。“我们忘了将它编入程序。”一位发言人承认道。

第3章
不入虎穴
［0的东进］

哪里有无限，哪里就有乐趣。
有限毫无乐趣可言。

——《唱赞奥义书》

西方世界对0畏惧颇深，东方世界却欣然欢迎它的到来；0在欧洲受尽冷眼，却在古印度以及后来的阿拉伯土地上绽放光彩。

上次回顾0时，它还只是一个占位符号，在古巴比伦记数系统中，它表示一个空位。它大有用处，但还不是一个真正意义上的数字，因为它不具有数值。它的意义是其左侧的数字赋予它的，如果单看0本身，它不具备任何象征意义。但在古印度，情况发生了翻天覆地的变化。

公元前4世纪，亚历山大大帝带领波斯军队从巴比伦出发，远征印度，就是在这场入侵中，印度数学家第一次接触到古巴比伦记数系统，也第一次和0碰了面。公元前323年，亚历山大大帝逝世，在他死后，经过一系列混战，军中几位将领瓜分了亚历山大帝国的版图。公元前2世纪，罗马崛起，横扫希腊，不过，罗马向东扩张的成果不如亚历山大辉煌，帝国的触角远未伸及印度，因此，基督教的兴起，公元4、5世纪罗马帝国的衰亡，这些历史的风暴均未波及孤悬遥远东方的印度。

印度极少受到亚里士多德哲学的影响。尽管亚历山大大帝曾是亚里士多德的学生，毫无疑问，他也尝试过将亚里士多德的思想引入印度，但古希腊哲学却从未在印度落地生根，更别提开花结果了。与古希腊不同，印度人不仅从来没有惧怕过无限和虚无，而且正相反，对它们甚是欢迎。

虚无在印度教中占有重要地位。起初，印度教信奉多位神灵，即为多神教，教中流传着一系列有关神明战争的神话传说，在许多方面都近似于古希腊神话。不过，几个世纪之后——那时亚历山大大帝的铁骑尚未踏足印度——神祇们的形象开始合并，一些当时盛行的宗教仪式以及对万神殿的供奉则得以保留，但此时的印度教已由“多神信仰”逐渐转向“主神信仰”的模式，其他所有神祇都只是梵天这位包罗万有的主神的部分化身，其核心教义也开始倾向于内省的客观唯心论。大约在同一时期，古希腊开始在西方世界崛起，印度教也与西方神话渐行渐远，教中神明身上的个体烙印渐渐褪去，整个宗教变得愈发神秘，这种神秘主义带有明显的东方特质。

与其他东方宗教类似，印度教教义中处处充盈着“二元论”的思想。（当然了，这种观念间或也会在西方世界出现，但方才显露端倪，便立刻被人抨击为异端。其中摩尼教就是最好的例子，这个教派秉持二元论的思想，认为世界是由善与恶这两种平等而对立的力量统治的。）印度教学说中，创造与毁灭相互交融，与远东的阴阳对立观念和近东琐罗亚斯德 [1] 的善恶双重性思想有异曲同工之处。印度教中的湿婆神既是创造之神，也是毁灭之神，据文献所载，其右手持鼓，象征生命，左掌托着火焰，象征毁灭（见图表13）。同时，湿婆还是虚无的象征。湿婆（Shiva）的其中一个名号，Nishkala Shiava，其字面意思就是“没有部分”（without parts）的湿婆。他是终极的虚空与至高的虚无——所谓的湿婆神形象，只不过是这“非存在”的人格化身，并非生命体。宇宙万物恰是生于虚空，无限亦是。和西方观点不同的是，印度教描绘的宇宙是广袤而虚无的，而且，他们认为，在我们生存的这个宇宙之外，仍有无数其他宇宙。

图表13：湿婆的舞蹈

创世之前，宇宙是一片虚无；创世之后，虚无依旧存在。世间万物始于虚无，人类的终极目标也是要归于虚无。有这样一个故事：死神向一个门徒讲述他关于灵魂的看法：“灵魂（Atman）、精神与自我都潜藏在人心深处。”他说道：“比最小的原子还要微细，又比广袤的空间还要浩瀚。”灵魂无处不在，是宇宙的组成部分，不生不灭，亘古永存。人死后，灵魂脱离肉体，进入下一具躯壳，这就是所谓的灵魂转世，生死轮回。印度教追求的最高境界，就是让灵魂摆脱从生到死又由死回生的世世轮回之苦，达到超脱。为了实现这种终极自由与解脱，人不能过多地关注现实世界的种种幻象，得摒弃物质世界的虚幻不实。“身体是灵魂的寄居之所，既能享受愉悦，又得承受苦痛，”神谕如此解释道，“一个人倘若完全受其身体支配，那么他永远都不可能摆脱轮回，进入超脱的自由之境。”但是，如果能将自身从肉体的虚妄中抽离出来，倾心感受与领悟灵魂的平静与虚无，那么，人就得以解脱，灵魂将挣脱人欲的尘网，汇入群体意识的洪流。这里所讲的群体意识指的是充斥弥漫于宇宙间的无穷灵魂，它无处不在，又无处可寻。这就是无限，这就是虚无。

可见，印度社会总在积极地探讨有关无限与虚无的论题，因此，它对0的欣然接受也就不足为奇了。

0的转世再生

在最远古的诸神时代，非存在中诞生了存在。

——《梨俱吠陀》

印度数学家所做的远不止接纳0这么简单，他们对0进行了彻底的改造，把它的角色从一个单纯的占位符号转变为一个数字。正是这次转世再生，赋予了0强大的力量。

印度数学的根基深植在时间中。一册书成于公元476年（这一年，罗马帝国陷落）的印度文本中，真切展现了随着亚历山大大帝远征而进入印度的古希腊、古埃及和古巴比伦数学的遗留痕迹。与古埃及类似，古印度也有人专门负责调查土地使用情况与规划寺庙建设。同时，古印度亦没有放弃对天文学的探索，发展了一套复杂精妙的天文体系，他们怀揣着和古希腊人一样的期望，试图测算出地球到太阳的距离，而这需要三角法的知识，印度的三角法很有可能是在古希腊三角法的基础上发展而来的。

公元5世纪前后，印度数学家改变了他们的记数方式，由古希腊风格转向古巴比伦模式，但古印度记数系统与古巴比伦系统也并非全无二致，其中最重要的区别在于，古印度记数系统是十进制，而古巴比伦系统采用的是六十进制。我们今天使用的数字实际上是脱胎自印度数字 [2] ，因此，按道理，我们应称呼现代数字为“印度数字”，而不是通常所说的“阿拉伯数字”（见图表14）。

图表14：数字的演化

古印度向古巴比伦位值制记数法转变的确切时间如今已不可考，对印度数字的最早文献记载来自公元662年一位叙利亚主教的手书，其中记述了古印度人是如何“使用9个符号”进行数学运算的——没错，是9个符号，而不是10个，显然，0不在其列。不过，这种说法的准确性还有待考证。显而易见的是，在这位主教写下这份文书之前，印度数字已经广为传播，而且，有证据显示，到了那个时期，在古印度记数系统的一些变体中已然能够看到0的踪迹，只不过是这位主教未有听闻罢了。不管怎样，可以确定的是，到了9世纪，0的象征符号已经作为占位符在十进制记数系统中发挥重要作用。至此，古印度数学完成了一次巨大的飞跃。

印度人很少借鉴古希腊的几何学，显然，他们不像古希腊人，对平面图形没多大兴趣，从未仔细思索过正方形的斜边长究竟是有理数还是无理数，也不曾像阿基米德一样，深入钻研过圆锥曲线的种种性质——但他们了解数字。

古印度的记数系统使他们能够在不借助算盘的情况下，运用一些小技巧来进行加减乘除的计算。由于古印度采用的是位值制记数法，大数目的加减运算和我们今天使用的方法大致相同，经过专门训练，人的计算速度甚至可以赶上算盘，珠算者与使用印度数字者之间的竞赛就是中世纪版的卡斯帕罗夫与“深蓝”电脑的对决 [3] （见图表15），而使用印度数字进行计算的人就相当于“深蓝”计算机，将最终胜利收入囊中。

图表15：珠算者与使用印度数字者

印度记数系统对日常生活中的加减运算帮助甚大，但其真正影响还远远不止于此。在这片土地上，数字与几何学终于有了明显的区分，数字也不再只是作为测量物体的工具而存在。古希腊人处理平方数时，看见的是具象的正方形；进行乘法运算时，联想的是矩形的面积，古印度人则不然，他们窥见的是数字之间的相互作用，换句话说，他们剥离了数字身上被赋予的几何意义，回归数字本原——这就是我们今天所说的代数学（algebra）的由来。代数思想的确立使得印度人难以为几何学添砖加瓦，但它产生了另一种出人意料的深远影响，帮助印度人规避了古希腊思想体系的短板——对0的排斥。

一旦数字挣脱开几何意义的束缚，数学家也就不必再纠结于数学运算背后的几何含义是否合理这个问题了。人们无法从2英亩大的土地中划割出3英亩作为农田，但可以随意地从2中减去3，今天的我们对这个运算再熟悉不过了：2-3=-1。不过，对于古人来说，这是一件相当费解的事情。多少次，他们解开方程式，得到的结果竟是一个负数，于是他们便下结论道，这个答案毫无意义可言。毕竟，若从几何学的角度看，负数又能代表得了什么呢？因此，在古希腊人看来，它不具有任何实质意义。

印度人则认为，负数意义重大。负数最早出现在印度及中国。公元7世纪，一位印度数学家，婆罗门笈多提出了一些除法的运算法则，其中就包括负数。他写道，“正数除以正数、负数除以负数，得到的结果都是正数”，又有“正数除以负数，结果为负；负数除以正数，结果亦为负”。这些规则至今可用，现代数学也认同：只要两数符号相同，其相除结果为正。

既然2-3可以代表一个数字，那么2-2也同样可以——它就是0。此时的0不再只是一个单纯的占位符号，单单代表算盘上的一个空位；此处的0是一个数字，有特定的数值，在数轴上拥有不可撼动的一席之地。由于0等于2-2，那么它的位置就应在1（2-1）与-1（2-3）之间，这是唯一合理的安排，0不可能如电脑键盘上的顺次那样位于9的右侧，它在数轴上有自己的专属位置。就像一个记数系统不可能没有2一样，一条完整的数轴也不能没有0。0，终于作为一个数字，正式登上了历史的舞台。

不过，在印度人眼中，不管从哪个角度看，0都是一个很怪异的数字。0乘以任何数，结果都为0；它就像一个旋涡，吞纳并同化了一切。更为甚者，若将0当作除数进行计算，一切都会乱了套。婆罗门笈多曾试图弄明白0÷0与1÷0究竟等于多少，但都失败了。“0除以0，依旧等于0，”他写道，“正数或负数除以0，都只能表示为一个分数，0为分母。”换句话说，他认为0÷0=0（显然，这是错的），至于1÷0，他的表述模棱两可，并不明晰。基本上，他已经无奈地与这个问题挥手作别了。

婆罗门笈多的错误并没有持续很长时间。印度人及时地醒悟过来，发现1÷0其实就是无限。“以0为分母的分数是一个无穷量。”巴斯卡拉这位生于12世纪的印度数学家如是写道。他还描述了1÷0加上一个数字会是什么结果：“不会有任何更改，也许会添加或萃取出一些东西，但其本质不会改变，因为在无限及永恒的上帝面前，改变是不可能发生的。”

于是，在无限与0中，我们发现了上帝的存在。

阿拉伯数字

难道人类已经忘了，我们是从一片虚无中创造了他们？

——《古兰经》

到了公元7世纪，随着罗马的衰亡，西方文明也渐呈凋敝之势，与此同时，东方文明却日臻兴盛。印度文明正稳步发展，但在另一个东方文明的衬托之下，竟有些黯然失色。西方世界的星光正缓缓没入地平线，东方却有一颗新星冉冉升起，那就是伊斯兰文明。伊斯兰文明从印度汲取了关于0的知识，最后，再将其传播至西方。0的崛起之路起于东方是一种必然。

公元616年的一个夜晚，穆罕默德，一位30岁的麦加人，在希拉山洞内独自沉思。据传说，天使加百列给他下了一个简短的命令：“诵念！”穆罕默德闻言照做，由此获得了神明的启示，圣言很快便传播开去，犹如野火燎原。公元632年，即穆罕默德逝世后的第10年，他的追随者们相继攻占了埃及、叙利亚、美索不达米亚及波斯，耶路撒冷这座被犹太教与基督教奉为圣城的城市，也随之陷落。到了公元700年，伊斯兰的版图已向东扩张至印度河，向西延伸至阿尔及尔。公元711年，穆斯林攻陷西班牙，随后又向前推进至法国；公元751年，又在东方击败了中国。此时，穆斯林帝国的征服之路已比亚历山大大帝走得更加辽远。后来，沿着通往中国的道路，他们来到了印度，然后征服了印度。就是在此，阿拉伯人接触到了印度记数系统。

穆斯林擅长将所征服民族的智慧吸收为己用。学者们很快着手将各地各类文献翻译为阿拉伯文，公元9世纪时，哈里发阿尔-马蒙在巴格达建立了一座名为“智慧之馆”的宏大图书馆，成为当时东方世界的学问中心，在此工作的首批学者中，就有著名数学家穆罕默德·本·穆萨·阿尔·花剌子模。

阿尔·花剌子模写有多本重要著作，比如《积分和方程计算法》（Al-jabr wa'l-muqabalah ）。此书是第一本解决一次方程及一元二次方程的系统著作，书名中的Al-jabr意为“移项完成后”，代数学（Algebra ）一词即由此而来。他还有一本关于印度数字的著作，此书推动了新记数系统在阿拉伯世界的快速传播，同时，还推广了算法（algorithms ）——一种基于印度十进制记数法的快速算术方法。事实上，算法（algorithm ）一词正是花剌子模（Al-Khwarizmi ）的拉丁文译名。尽管这种记数法是阿拉伯人从印度引进的，但世人还是赋予了它“阿拉伯数字”这一称谓。

“zero”（0）这个词是印度风格与阿拉伯特色的杂糅。阿拉伯人采用印度数字，同时也便接受了0。印度语中称0这个数字为sunya，意为“空的、空虚的”，阿拉伯人将它译成sifr。一些西方学者向学生描述这个新数字时，又把sifr转译成一个拉丁文发音的词语，zepbirus，而它就是zero的词源；其他一些西方数学家没有对sifr一词作太大改动，只是发音上有细微变化，读作cifra，后来又演变为cipher。由于在新的数集中，0地位显要，举足轻重，于是人们开始将所有数字统称为cipher，法语中“chiffre”（数字）一词便源于此。

阿尔·花剌子模有关印度数字系统的论著成书时，距离西方世界正式接纳数字0尚有一段漫长的时日。即便是在东方传统占主流的穆斯林世界，亚历山大大帝文化征服的余威尚在，亚里士多德思想依旧影响深远。印度数学家已清楚阐明，0就是虚无的集中体现，因此，若要真正接受0，就得先把亚里士多德搁置一旁——穆斯林就是这么做的。

摩西·迈蒙尼德，一位12世纪的犹太学者，他读到伊斯兰教神学家的教义诠释，旋即飙出一身冷汗。他注意到，亚里士多德的上帝论并未受到穆斯林的认可，反而是亚里士多德思想的老对手——原子论得到了穆斯林的推崇。原子论自诞生以来便受人冷落，但它依旧在时间洪流的冲刷摧残中，顽强地生存了下来。先前我们已提到，原子论者认为，世界是由不可再分的微小粒子，即原子组成的；原子与原子之间必然存在虚空空间，原子方可自由移动，不然，粒子会相互推挤，无法动弹。

穆斯林接纳了原子论的主张，毕竟，数字0已近在咫尺，虚空自然又成为一个可以接受的概念。亚里士多德憎恶虚空，虚空却是原子理论不可或缺的至要一环；圣经讲，万物的创造始于虚无，古希腊学说却驳斥了这种可能性的存在。基督教徒臣服于古希腊哲学的强大威严，选择投向亚里士多德，而非圣经，与此同时，穆斯林却做出了与之相反的抉择。

我是自有永有的：虚无

虚无亘古永在……
人类有限的思维永远无法理解或看穿它，
因为它与无限共存。

——赫罗纳的阿兹拉

0象征着一种全新教义的崛起，象征着对亚里士多德的批判，象征着对虚无与无限的认同。随着伊斯兰教势力的扩散，0在穆斯林世界迅速传播。亚里士多德的思想与这个世界格格不入，伊斯兰学者们进行了艰难反复的思想斗争，最终，在公元7世纪，穆斯林哲学家，艾布·哈米德·阿尔·安萨里郑重宣布，声援亚里士多德学说者，死！争辩之声从此绝迹。

0会引发如此大的争论其实并不出人意料。穆斯林拥有闪米特人及东方文化背景，他们坚信，上帝自一片混沌虚无中创造了世间万物，但是，对于亚里士多德的拥趸们来说，对虚无与无限的恨意已压倒一切，他们无论如何都不可能认同这样的信条。0在阿拉伯大地蔓延开去，穆斯林最终接纳了它，抛弃了亚里士多德。下一个就该轮到犹太人了。

数千年来，犹太人深深扎根于中东的土地，到了公元10世纪，犹太人迎来了向西班牙进发的契机。哈里发阿卜杜勒·拉赫曼三世 [4] 的一位犹太部臣从巴比伦尼亚引进了一批犹太知识分子，很快，一个人数众多的犹太社区便在伊斯兰教治下的西班牙开始蓬勃发展。

中世纪早期，不管是移居西班牙的犹太人，还是留守巴比伦尼亚的犹太人，大多是亚里士多德的坚定追随者。与他们的基督教同伴一样，犹太人拒绝相信无限和虚无的存在，但是，亚里士多德哲学体系不仅和伊斯兰教旨互相冲突，同样与犹太教的宗教体系不相兼容。这促使迈蒙尼德这位12世纪的拉比 [5] 写下了一册大部头著作，以调和来自东方、具有犹太族特质的圣经与源自西方、深刻影响欧洲的古希腊哲学间的矛盾冲突。

迈蒙尼德从亚里士多德那里学会了如何通过否定无限来证明上帝的存在。他虔诚地跟随着古希腊哲学的脚步，主张围绕地球运转的天体一定受到外力的推动，比如来自外层天体的推动力，而外层天体也必然受到更外一层的天体推动，但是，天体数量并非无限（因为无限是不可能存在的），最外层的天体又是受何力而运动的呢？答案只有一个——上帝。

迈蒙尼德的推论确实能够“证明”上帝的存在——无论在什么宗教体系，这一点都无比重要。然而，圣经和其他犹太传说中却又处处充斥着无限与虚无的身影，而且，对这两个概念，穆斯林业已欣然接纳。迈蒙尼德与800年前的圣·奥古斯丁思路相仿，曾试着通过重塑犹太圣经，使其符合古希腊学说——一种对虚无怀揣着过度恐惧的哲学思想。但不同的是，早期基督徒允许自己将《圣经·旧约全书》中的部分内容解读为一种暗喻，迈蒙尼德却不愿将他信仰的宗教完全希腊化，拉比传统迫使他必须接受圣经中宇宙起源于虚无的说法。这就意味着，与亚里士多德的矛盾冲突将避无可避。

迈蒙尼德认为，亚里士多德对宇宙总是永恒存在的证明中，有一些瑕疵。毕竟，这与圣经所载并不相符，而需要靠边站的自然是亚里士多德。亚里士多德对虚空的概念嗤之以鼻，迈蒙尼德却郑重写下，创世之举源自虚无（creatio ex nibilo）。随着这浓墨重彩的一笔挥毫，虚无摇身一变，从亵渎神明之说走向了圣坛。

在犹太世界，迈蒙尼德死后的数年间成了虚无的时代。13世纪，一种新兴主义开始传播开来——犹太神秘主义（Jewish mysticism），或直译为卡巴拉（Kabbalism）。神秘主义的中心主题之一，是探求隐藏在圣经文本中由希伯来文写成的编码信息。与古希腊人相似，希伯来人采用字母表中的字母来代表数字，因此，每一个词语都具有相应的数值，而这一点可被利用来解读文字背后的隐含意义。比如，海湾战争参与者们可能会注意到，Saddam（萨达姆）一词代表的数值为666，其具体计算过程为：samech（希伯来语字母表的第十五个字母，代表数值60）+aleph（希伯来语字母表的第一个字母，代表数值1）+daled（希伯来语字母表的第四个字母，代表数值4）+aleph（1）+mem（希伯来语字母表的第十三个字母，代表数值600）=666，对于基督徒而言，一听到这个数字，立即就会联想到出现于天启时代的邪恶野兽。（在犹太神秘主义者看来，并无必要细究“saddam”一词中究竟是包含一个还是两个字母daled，毕竟，为了得到令人满意的数值结果，他们经常改换词语的拼写。）神秘主义者认为，数值相同的单词或短语之间往往具有一种神秘的联系。比如，圣经《创世记》第49章第10节中写道：“圭必不离犹大……直到细罗来到。”希伯来语的“直到细罗来到”这一短句的数值为358，与希伯来语中的“弥赛亚”（meshiach）一词的数值正好相等，因此，这段文字预示着弥赛亚的降世。在神秘主义支持者眼中，某些特定数字内涵丰富，或神圣，或邪恶，他们通览圣经，寻找这些数字，并从不同角度对相应文本进行解读，以揭露其背后的隐藏信息。近期的一本畅销书《圣经密码》，就是采用了这种方法去探究圣经中的预言。

卡巴拉主义者所做的远不止数字运算与解读那么简单，一些学者认为，这一神秘传统的犹太主义与印度教具有惊人的相似之处。比如，卡巴拉主义者主张上帝具有二重性特点，他们认为，“无限”（希伯来语为ein sof）象征了上帝作为创世者的神性一面，他创造了宇宙，并弥散在宇宙的各个角落，亘古永存；同时，这个词语还有另外一个名字——虚无（希伯来语为ayin）。无限与虚无相伴相生，同为神圣创世者的一部分。更加奇妙的是，“ayin”还是“aniy”一词的变位词（这意味着，它们两者数值相同），而在希伯来语中，“aniy”是“我”的意思。至此，神的旨意已然明了——“我即虚无”。我即无限。

在犹太人将西方思维与东方圣经正式对立起来之时，基督教世界也正在经历着同样的挣扎困斗。在公元9世纪的查理曼大帝统治时代以及11至13世纪的十字军东征期间，基督徒与穆斯林的战争从未停歇，与此同时，武僧、学者和贸易者们开始将伊斯兰思想带回西方。修道士们发现，阿拉伯人发明的手持星盘可在夜里准确追踪时间，有助于他们按时祈祷，而星盘上镌刻的大多是阿拉伯数字。

尽管10世纪的一位罗马教皇西尔维斯特二世对这些数字赞慕不已，但它们还是未能在西方流行开来。他可能是在某次访问西班牙时接触到了阿拉伯数字，并把它们带回了意大利，不过，他学习的那个版本并没有0，如果有0，想必这套数字系统就更难在西方推广传播了。当时的教会依然深受亚里士多德的影响，固执地将无限大、无限小和虚无拒之门外。即使是到了十字军东征即将结束的13世纪，圣·托马斯·阿奎那仍旧声称，正如上帝无法创造出一匹博古通今的骏马，他同样无法创造出无限，但是，这就意味着，上帝不是无所不能的——在基督教的神学理论中，如此想法无疑是大逆不道的。

1277年，巴黎的主教埃蒂安·坦普埃尔召集了一帮学者讨论亚里士多德学说，或者更准确地说，是讨伐亚里士多德学说。坦普埃尔将亚里士多德思想中与上帝全知全能矛盾的部分一一废止，比如，“上帝无法使天体进行直线运动，因为那样必会留下一片虚空”。（旋转的球形天体就不会引发类似的问题，因为它们仍旧占据同样的空间，但是，倘若天体沿直线运动，就必然存在一个空间容其前进，而天体前移之后，也必定会留下一个空间。）只要上帝想要，他就能创造出一片虚空，因为全知全能的上帝并不需要遵照亚里士多德定下的规则行事——倏忽间，虚无找到了它的立足点。

坦普埃尔的声明还不足以击垮亚里士多德思想，但毋庸置疑，亚里士多德思想体系的根基业已动摇。教会对亚里士多德的依附还将持续几个世纪，然而，亚里士多德思想的衰落与无限及虚无概念的崛起已是不可逆转的趋势。12世纪中期，阿尔·花剌子模的《积分和方程计算法》刚流传至西班牙、英格兰及欧洲的其他地区，这个时期正适合0进入西方世界。正如教会已开始试图挣脱亚里士多德思想的桎梏，0也终于迈开了脚步，踏上了这片土地。

0的胜利

这本是一个意义深远的重要概念，但我们一直忽略了它的真正价值，
轻视了它。它纯粹明了，极大地简化了我们的算法，
使数学成为人类最有用的发明之一。

——皮埃尔·西蒙·拉普拉斯

起初，基督教义并不情愿对0敞开胸怀，但贸易活动需要它。比萨的列昂纳多（读者也许会更加熟悉他的另一个名字——斐波那契）的父亲是一位来自意大利的商人，就是他将0再度引入西方。某次，他游历至北非，在那里，这位年轻人向穆斯林讨教数学知识，很快他便学有所成，成为一名优秀的数学家。

斐波那契在1202年出版了一部名为《计算之书》（Liber Abaci ）的著作，在此书中他犯了一个小小的错误，不曾想，却被人惦念至今。假设一名农夫养了一对刚出生的兔子，兔子在出生两个月后就具有繁殖能力，一对兔子每个月能生出一对小兔子来，如果所有兔子都不死，并重复同样的繁殖周期，那么，该如何计算在某个给定月份农夫总共拥有多少对兔子呢？

是这样的，在第一个月，农夫拥有一对兔子，因为此时它们还未达到性成熟，所以无法繁殖。

第二个月，农夫依旧只有一对兔子。

到了第三个月，这对兔子能够生小兔子了，于是，农夫有了两对兔子。

第四个月伊始，第一对兔子再次繁殖，但第二对兔子还未具有繁殖能力，所以，农夫总共有三对兔子。

再下一个月，第二对兔子已具有生育能力，但第三对兔子还未长大，所以只有前两对兔子生了小兔子，现在统共有五对兔子。

兔子的对数递推如下：1，1，2，3，5，8，13，21，34，55，……而某给定月份的兔子对数就是前两个月的兔子对数之和。数学家们很快就意识到了这个数列的重要性。取数列中的任意一项，除以它之前的一项，即8/5=1.6，13/8=1.625，21/13=1.61538……这些比例越来越逼近一个十分有趣的数字——黄金分割，即1.61803……

毕达哥拉斯曾留意到，自然万物似乎都受到黄金分割的支配。斐波那契则发现，这个数列可对此做出解释。鹦鹉螺的腔室面积、菠萝上顺时针果眼和逆时针果眼的数量都遵循此数列，这就是它们之间的比例往往接近黄金分割的原因。

这个数列的发现令斐波那契名声大振，但《计算之书》还有一个远比探究动物繁殖更为重要的用途。斐波那契师承穆斯林，所以，他对阿拉伯数字，包括0，了解颇深。他在《计算之书》中介绍了这个新的数字系统，并由此将0引入欧洲。书中展示了阿拉伯数字系统如何简便地处理复杂运算，于是，从善如流的意大利商人和银行家们很快将这个数字系统收为己用——自然也包括0。

在阿拉伯数字广泛运用之前，收银员只能借助算盘或计数板。德国人称计数板为“Rechenbank”，这就是今日“银行”（bank）一词的由来。当时的银行业处理业务的方式极其简陋，除了计数板，理货筹码（tally sticks）也是他们用来记录借贷数目的工具：在木棍两头分别写上款项数目，然后一分为二（见图表16），贷方，即出钱方保存较大的那一部分木棍作为凭证 [6] 。

图表16：理货筹码

意大利商人对阿拉伯数字钟情不已，有了它们，银行就可以摆脱笨拙的计数板了。商人体会了它们的便利，但当地政府对其恨之入骨。1299年，佛罗伦萨正式禁止使用阿拉伯数字，给出的表面理由是这些数字太容易遭人篡改。（比如，只要轻轻添上一画，0便成了6。）然而，0和其他阿拉伯数字带来的方便不可能就此轻易抹除，意大利商人仍坚持使用它们，甚至利用它们编写加密信息——这就是为什么“cipher”（原始意义为“0”）一词会衍生出“密码”（secret code）之意的缘由了。

最终，在商界的压力下，政府只能服软，承认了阿拉伯记数法在意大利的合法地位，很快，这种记数系统便风行整个欧洲。0终于来了——虚无自然也翩然而至。在穆斯林和印度教的影响下，亚里士多德筑成的思想长城出现了道道裂痕。到了15世纪，作为亚里士多德昔日最坚定的追随者，欧洲人的心底也不免疑窦丛生。坎特伯雷的大主教托马斯·布雷德沃丁曾试图反驳亚里士多德思想的老对手——原子论，但同时，他又对自己遵循的以几何为基础的逻辑思维持怀疑态度。然而，对抗亚里士多德的战争还远未结束。如果亚里士多德的思想堡垒倒塌了，那么他对上帝存在的证明也就不再有效，而上帝的存在是保证教会地位的最重要屏障。因此，提出一种新的证明方式势在必行。

更糟糕的是，倘若宇宙无限，也就不存在所谓中心了，换句话说，地球又怎么可能是宇宙的中心呢？——答案就蕴藏在0中。

[1] 古代波斯国国教拜火教之祖。

[2] 因此才有以下现象：Hindu Numerals这一词语从字面意义理解应为“印度数字”，但在后来常被人译为“阿拉伯数字”。

[3] 1997年5月11日，国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫与IBM公司的国际象棋电脑“深蓝”进行六局对抗赛，整场比赛进行了不到一个小时，最终，“深蓝”赢得了这场具有特殊意义的对抗。

[4] 西班牙科尔多瓦的第八位埃米尔（公元912—929年）和第一位哈里发（公元929年起），后倭马亚王朝（白衣大食）最伟大的统治者。

[5] 拉比（rabbi）：指犹太宗教领袖，尤指有资格传授犹太教义，或精于犹太法典的犹太教堂主管。

[6] 这种理货筹码存在大量问题。直到1826年，英国财政部都仍在使用理货筹码的某种改进版本进行记账。查尔斯·狄更斯详细描述了这种落后记录方式引发的后果：“1834年，人们发现，记录有款项数目的理货筹码已然堆积如山，那么，问题来了，对于那些早被虫鼠啃咬得破败不堪的木棍，人们该如何处理？木棍储放在威斯敏斯特，任何稍有智慧的人都能想到，最简单的处理方式就是让那些住在附近的人把木棍拿回家当成柴火烧掉，正是一举两得。但是，威斯敏斯特的官员们从来都是指望不上的，每天的例行公事已经僵化了他们的思想。于是，命令下达了：秘密烧掉木棍。秘密焚烧的地点是英国上议院某处的一个火炉，这些荒谬可笑的木棍数量实在太多，挤满了火炉，没想到，火焰过盛竟点燃了镶板，后来火势蔓延至下议院，上下两院就这样在烈焰中化为了灰烬，只能择址重建。而我们也由此付出了上百万英镑的代价。”

第4章
虚无而无限的上帝
［神学中的0］

新哲学使一切受到怀疑：
火元素熄灭了，没有了痕迹，太阳也被抛诸一旁；
而地球，人类的智慧已无法引领我们走向它的所在；
一切事物的连续性都消失了，分崩离析；
所有恰到好处的互动与关系：
王子、臣民、父亲、儿子，都已被遗忘。

——约翰·多恩“世界的解剖”

0与无限就是文艺复兴风暴的中心。随着欧洲大地从黑暗时代的阴翳下渐渐苏醒，虚无与无限——空无与一切——也迎来了携手摧毁教会的亚里士多德思想根基、引领科学走向革命之路的时机。

最开始时，罗马天主教会并没有嗅到逼近的危险气息。高阶层的牧师也开始尝试采用虚无与无限的概念，尽管它们会对教会视若珍宝的古希腊哲学形成强烈冲击。0的身影出现在文艺复兴时期的每一幅画作中，甚至有一名红衣主教公开宣称，宇宙是无边无际——无限的。然而，欧洲大陆与0和无限的热恋期并没有持续很久。

教会终于感觉到了危机，于是它果断转身，退回到亚里士多德思想这座守卫了它许多年的堡垒中。然而，为时已晚。0已经在西方站稳了脚跟，羽翼丰满，教会的抗议也无法再次将它驱逐流放。亚里士多德倒在了无限与虚无的脚下，关于上帝存在的证明也难逃此命运。

教会的眼前只剩下最后一条路：接受0与无限。而对于虔诚教众来说，在无限与虚无的重峦叠嶂中，同样能够寻觅到上帝的存在。

问题的解决

上帝啊！倘若不是因为我常做噩梦，
那么即使把我关在一个果壳里，我依然可以自诩为无限宇宙的主宰者。

——莎士比亚《哈姆雷特》

在文艺复兴伊始，0对教会的威胁尚不明显。它只被人当作艺术的一门工具，一种引领文艺复兴时期视觉艺术的无限虚无。

15世纪之前的绘画作品大多平乏无味，暮气沉沉，画中描绘的多是扭曲失真的二维平面景象，比如巨大扁平的骑士在矮小畸形的城堡中往外张望（见图表17），即便是当时顶级的画家也难以描摹出逼真的场景——因为他们不懂得如何运用0的力量。

图表17：扁平的骑士与畸形的城堡

向世人展示无限之0的威力的第一人叫菲利波·布鲁内列斯基，他是一名来自意大利的建筑师，他利用灭点（vanishing point）创作了一副写实画作。

按照维度概念的定义，0维度空间就是一个点。日常生活中处处都是三维物体（爱因斯坦认为，我们所处的世界实际上是一个思维空间，在下一章节将对此进行详述），梳妆台上的时钟、清晨你喝的那杯咖啡或是你现在正在阅读的这册书，它们都是三维的。现在假设有一只巨大的手正重重地朝着书本拍下，把它压得扁平，于是，这个立体的三维物体瞬间变成了一个瘪平绵软的四边矩形，它失去了一个维度，降为二维，也就是说，它没有了高度，只剩下长与宽。你再发挥一下想象力，假设那只巨大的手把已经变为二维矩形的书本推向一侧立起来，然后又一次重重地压扁它，此时，书本已然从矩形变成了一条直线，再次失去了一个维度，降为一维，也即没有了高与宽，只剩下长度。只要你想，你甚至可以把剩下的这个维度一并夺走，只需沿着直线的方向将它压扁成一个点，一个没有长宽高、无限小且不占任何空间的点。因此，点就是0维空间。

1425年，布鲁内列斯基绘制了一幅画作，描摹的是佛罗伦萨的一座著名洗礼堂。他在画的中心放置了一个点——这个0维的物体即是灭点。这个帆布上的无限小的点代表一个距离观察者无限远的地点（见图表18），画上的物体越往里退，离这个点就越近，离观察者就越远，受到的压缩程度就越大，只要距离足够远，一切事物——包括人、树、建筑——都可以被压缩成一个0维的点，然后消失。画作中心位置的这个0蕴藏了一片无垠的空间。

图表18：灭点

这个明显矛盾的物体仿佛有一种魔力，令布鲁内列斯基的作品看上去与真实三维的洗礼堂建筑竟相去无几。布鲁内列斯基真的拿了一面镜子去对比画作和建筑，画作的反射镜像严密契合建筑的几何建构。二维的画像却真实地模拟出了三维的建筑，这一切都要归功于灭点。

0与无限接连于灭点，这绝非偶然。正如乘以0的运算会让整条数轴瓦解剩一个点，灭点也能让宇宙的大多数地方落于一个小点上。这就是奇点（singularity），往后，这个概念会在科学史上获得举足轻重的地位，但是，在布鲁内列斯基所处的那个时代，数学家对0的性质的了解比艺术家也多不了多少。事实上，15世纪的艺术家都是业余的数学家。达·芬奇写了一本如何运用透视法绘画的指导手册，并在另一本也与绘画有关的书里提醒道：“如果你不是数学家，那就请你合上这本书。”这些既精通数学又擅长绘画的人完善了透视图的绘制技巧，能够在很短时间内描摹出任何物体的三维形象，从此，艺术家的作品不再局限于平面画像。0改变了整个艺术世界。

毫不夸张地说，0就是布鲁内列斯基画作的核心所在。教会也对0与无限有所涉猎，尽管其教义仍旧依附于亚里士多德思想。一个名为尼古拉斯·库萨的德国红衣主教与布鲁内列斯基是同时代生人，他曾凝望无限，而后敏锐地断言：“地球不是宇宙的中心（Terra non est centra mundi.）。”当时的教会还未意识到这是一个多么危险而又多么具有革命性的观点。

除了对虚空的禁忌，亚里士多德思想中还有另一个必须坚守的信条——地球是独一无二的，并且，它是宇宙的中心。正是地球处在宇宙中心这一特殊位置，它才能成为唯一一个适合生灵繁衍生息的星球，这正是亚里士多德所说的，“万物都在寻找合适自己的位置”。重的物体，如岩石或人类，属于地；轻的事物，如空气，就属于天。这不仅意味着，高悬天际的各个星球是由轻若空气的事物组成的，它还说明了，任何身处天空的人都会落在地球上，因此，生命只能栖息在位处果壳宇宙中心的那颗果仁上。认为其他星球上也存在生命是和认为世上存在具有两个中心点的球体一样愚蠢的想法。

坦普埃尔认定，只要上帝愿意，全知全能的他必定能够创造出虚空，同样地，上帝也能打破亚里士多德规定的任何法则；只要他想，他可以在任意星球播下生命的火种，宇宙中也可能存在成千上万个物种繁多、与地球类似的天体。这是上帝固有的能力，不以亚里士多德认同与否为转移。

尼古拉斯·库萨大胆地推断，上帝一定是这么干的。“其他恒星所在的区域应与我们深处的环境相似，因为我们坚信，它们拥有定居者的权利并没有受到剥夺。”无穷计的恒星散落天际，行星发出幽微光芒，为什么那些天体不能是另一星系中的太阳、月亮呢？我们仰望星空，窥见群星闪烁，也许地球也正在它们头顶的天空中散逸着光辉。尼古拉斯确信，上帝具有创造无穷个世界的能力，而且，他已然付诸行动。不过，教会并没有把尼古拉斯宣判为异端教徒，也没有对他提出的全新论述做出回应。

与此同时，有另一个尼古拉斯把库萨的哲学改造了科学理论。尼古拉斯·哥白尼旗帜鲜明地指出，地球并非宇宙的中心，它和其他行星都围绕太阳运转。

哥白尼是一位来自波兰的神父和内科医师，他精通数学，懂得计算星象表，在当时，人们认为这对病人的痊愈有利。此时的哥白尼对恒星、行星只是小有涉猎，他发现，古希腊追踪天体运行轨迹的系统相当繁复。托勒密总结的“地球中心论”以及各天体如钟表装置般均衡运动的规律确实非常精确，但实在是太过繁冗了。天体在天空终年运转，但人们观测发现，天体的运行有一种忽前忽后、时快时慢的现象。为了解释天体的怪异行迹，托勒密提出了“本轮”（epicycles）的概念，在他的宇宙模型里，行星循着本轮的小圆运行，而本轮的中心则循着另一个大圆绕地球运行，这种模型可以解释行星的向后运动，或者说逆行运动（retrograde）（见图表19）。

图表19：本轮、逆行运动与日心说

图表19续：本轮、逆行运动与日心说

哥白尼学说的魅力在于它的简洁。过去，人们将地球置于宇宙中心，天体运行则要遵循各式“本轮” [1] ，而哥白尼将它们通通抛诸脑后，他假设太阳才是宇宙的中心，行星循着简单的圆周运行；行星的向后运动也是由于地球运动引起的，是因为地球赶超了它们，因此并不需要“本轮”的概念。尽管哥白尼的系统并不能与观测资料完全吻合，因为他提出的行星沿圆轨道运行是错误，但它已经比托勒密的宇宙模型简洁了许多。地球围绕太阳运行。

尼古拉斯·库萨和尼古拉斯·哥白尼撬开了亚里士多德与托勒密宇宙模型的球形外壳。地球不再安坐于宇宙中心，包裹着宇宙的最外层球壳也就不复存在了。宇宙疆域绵延无穷，无数世界散落其中，每一个都栖身着神秘的生物。然而，如果罗马教廷无法将权威延伸至其他太阳系，他们又该如何理直气壮地自称是唯一真正教会的所在呢？其他星球上真的有其他教皇吗？天主教会的前景相当严峻，别说其他星球了，就连自己身处的这个世界，他们都已麻烦缠身。

1543年，在教会开始采取行动严禁新学说的前夕，病榻上的哥白尼出版了他的皇皇巨著《天体运行论》（De Revolutionibus ），并将此书献给当时的教宗保禄三世。然而，教会受到了抨击，于是，对亚里士多德提出质疑的各个新学说都再无安身之地。

对教会的正面攻击始于1517年。那一年，一位深受便秘之苦的德国修道士写下了他对教会的种种不满，并将其钉在了威登堡教堂的大门上。（路德的便秘症极富传奇性，一些学者认为，路德关于宗教神学的灵感与启示会在如厕时涌入脑海。“他从恐惧的压迫性束缚中的解放与他肠道的释放相对应”，一条评论如是说。）宗教改革的序幕就此拉开，各地的知识分子开始奋起反抗教宗的权威。到了16世纪30年代，为了皇位的有序继承，亨利八世一脚踢开罗马教廷，宣布自己成为英格兰的最高宗教领袖。

天主教会必须做出反击。尽管在之前的几个世纪里，教会也尝试引用过其他哲学理论，但是，一旦感受到分裂的危险，教会就又走回了正统论的旧路。所谓正统论，指的是亚里士多德对上帝存在的证明和以亚里士多德理论为标杆的一系列哲学思想，如圣·奥古斯丁、波伊提乌等人的理论。红衣主教和牧师们再也无权对这些古代思想提出质疑，0成了异端邪说，人们必须接受裹挟在球状外壳里的宇宙模型，虚无与无限自然也受到了严酷的镇压。耶稣会（the Jesuit order），一支训练有素的知识分子队伍在16世纪30年代正式成立，他们旨在传播上述天主教义并攻击新教。教会对付异端教义的手段还不止于此：1543年，西班牙宗教裁判所开始用火刑处死新教徒；同年，哥白尼逝世，教宗保禄三世发布了一份禁书名册。反宗教改革运动是教会为了重建旧秩序与摧毁新思想而做出的努力。一个在13世纪就为大主教埃蒂安·坦普埃尔所认同、在15世纪为红衣主教尼古拉斯·库萨所接纳的观念却在16世纪成了死刑的代名词。

这便是乔尔丹诺·布鲁诺的不幸命运。16世纪80年代，曾是多米尼克修道院正式僧侣的布鲁诺出版了名为《论无限、宇宙与众世界》的书作，他与尼库拉斯·库萨持观点相似，在书中宣称，地球不是宇宙的中心，并且，宇宙中存在着无数与我们栖身的地球相似的世界。1600年，他被烧死在火刑柱上。1616年，翻版哥白尼——极负盛名的伽利略被教会勒令停止手头的科学研究；同年，哥白尼的《天体运行论》被正式列入禁书名单。此时，抨击亚里士多德就是在攻击教会。

尽管教会推行的反宗教改革运动声势浩大，但是，新兴哲学也没有那么容易被摧毁，反而在哥白尼的继承者们的研究推动下，随着时间的推移愈发强大。17世纪初叶，另一位占星家修道士，约翰尼斯·开普勒重新订正了哥白尼的理论，使它在精确度上进一步超越了托勒密的天文体系。他认为，包括地球在内的行星并不是循着圆形轨道绕太阳运行的，应该是椭圆形轨道；而且，他极其精准地解释了天空群星的运行规律，从此，再没有人敢认为日心说是比地心说低一等的学说。开普勒的宇宙模型比托勒密的更加简洁、精准。纵然教廷激烈反对，但一切都阻挡不了开普勒日心学说的流行普及，原因很简单，因为开普勒是对的，而亚里士多德错了。

教会企图用旧有的思想弥缺补漏，但是，不管是亚里士多德还是地心说，抑或是封建社会的生活方式，都已经遭受了致命性动摇，哲学家们认为理所应当并相信了一千多年的一切事物均深陷怀疑的泥潭。对于亚里士多德思想体系，人们再也做不到深信不疑，但也不能全盘否认。那么，还有什么是千真万确的呢？——真的没有了。

0与虚无

在某种意义上，我是介于上帝与0之间的一种存在。

——勒内·笛卡儿《方法论》

0与无限是16、17世纪哲学论战的焦点。虚无动摇了亚里士多德哲学，宇宙无疆的观点又将那层包裹宇宙的球状外壳击得粉碎，地球也不再是上帝造物的中心。虽然天主教会垂死挣扎着企图拒斥0的存在，但它已逐渐失去对教徒的绝对掌控，此时，虚无概念的发展比以往任何时候都要强劲，0也扎稳了根基，渐渐深入人心。即便是最忠诚于教会的耶稣会也难免在旧的亚里士多德思想与新的涵括了0、虚无、无穷大、无限等概念的哲学之间进退维谷，左右为难。

勒内·笛卡儿受过耶稣会的训练，因而，他也常在新旧思想间犹疑徘徊。他排斥无限，却又将它放在其世界的中央位置。1596年，笛卡儿在法国中部的一座城镇呱呱坠地，在即将到来的岁月里，他将把0放在数轴的中心位置，还将在虚无与无限中寻找上帝存在的证据。然而，笛卡儿无法完全拒却亚里士多德的思想，对无限的恐惧在他心底萦回不去，因此，他拒不承认无限的存在。

与毕达哥拉斯一样，笛卡儿也是一个精通数学的哲学家。在他留给后人的馈赠中，影响最深远的或许是我们今天称之为“笛卡儿坐标”（Cartesian coordinates）的这项数学发明，在高中学过几何学的人应该不会对它们感到陌生：写在括号里的有序数对，代表空间中的一个点。比如，（4，2）这个坐标就代表向右四个单位以及向上两个单位交会的那个点。那么，又是在何物的右侧和上方呢？是原点，也就是0（见图表20）。

图表20：笛卡儿坐标系

笛卡儿发觉，两条参考线（坐标轴）不能始于数字1，因为那样会导致一个错误，这个错误比德在修订历法时也曾遇到过。不过，与比德不同的是，笛卡儿所处的时代阿拉伯数字早已普遍化，因此，他可以由0开始算起。0在坐标系的最中心位置，也就是两条坐标轴的交会处安然就位，原点（0，0）是笛卡儿坐标系的根基。（笛卡儿采用的表示法与我们今天通用的有稍许差别，比如，笛卡儿未将坐标系拓展到负数，不过此后不久，他的同事便会替他完成这一工作。）

笛卡儿很快就领略到了他一手创造的这个坐标系的威力。他利用坐标系将图案与形状转换为数字与方程式；通过笛卡尔坐标，每一个几何图形（包括正方形、三角形、曲线等）都能够以方程式的形式呈现，即以数学关系解析几何。比如，方程式x2 +y2 -1=0可以表示以原点为圆心、1为半径的圆形上的所有点；方程式y-x2 =0则代表一条抛物线。在笛卡儿的引领下，数和形从此便走到了一起，西方的几何艺术和东方的代数思想不再分立而治，它们相互融合，成为一体，每一个几何图形都能够简洁地用形式为f（x，y）=0的代数方程表示（见图表21）。0位处坐标系的中心位置，悄然地潜隐在每个几何图形的身后。

图表21：抛物线、圆与椭圆曲线

在笛卡儿眼中，上帝的疆域里同样隐匿着0与无限的身影。旧时的亚里士多德教条已摇摇欲坠，对耶稣会一向忠实的笛卡儿也开始尝试着用0与无限来取代原来的上帝存在证明。

笛卡儿的思路与古人相差无几，他也认为，没有什么东西是能够被凭空创造的，知识也不例外，这就意味着，所有思想，包括哲学、想法及未来的发明创造，都已经与生俱来地储存在人类的大脑中，如同一部刻印完备的法典，指导着宇宙万物的运作，而人类学习进步的过程就是逐步揭露这部法典的过程。笛卡儿提出，既然我们有这样一个天赋的、完满无限的观念，那么这个无限而完满的实体——即上帝——必然存在。其他实体则居于神之下，皆为有限，介于上帝与0之间，是无限与0的结合体。

然而，尽管0在笛卡儿的哲学思想中一再出现，但是笛卡儿至死都坚持，虚无，即终极的0是不存在的。作为反宗教改革运动的接班人，他恰是在教会最倚仗亚里士多德哲学的时候，接触并深入地学习了这一理论体系，因此，深受亚里士多德熏陶的笛卡儿坚决不承认虚空的存在。

笛卡儿陷入了进退维谷的两难境地。他自然不会忽视因彻底抵制虚空而引致的形而上学问题，在晚年，关于原子和虚空他这样写道：“它们陷入了不可调和的自相矛盾，因而它们根本不可能发生。但是，人们也不该否认，上帝可以将一切不可能变为可能，换言之，上帝拥有改变自然法则的绝对能力。”与中世纪的学者前辈一般，笛卡儿也笃信，任何事物都不可能做真正的直线运动，因为那样会留下一个虚空；相反，宇宙万物是沿着循环路经运动的——一个弥散着浓烈的亚里士多德气息的观点。不过，亚里士多德很快就要跌落神坛，将他一把拉下的正是虚空。

时至今日，老师都常教授孩子，“自然憎恶真空”（Nature abhors a vacuum），尽管他们并不十分清楚这个习语的来历。事实上，它是“真空（即虚空）并不存在”这一亚里士多德思想的延伸，暗指如若有人妄图创造真空，大自然便会竭尽其能地阻止它发生。然而，有一个人成功创造了真空，彻底推翻了这个说法，他就是伽利略的助手埃万杰利斯塔·托里拆利。

意大利的工人常使用一种类似大型注射器的抽水泵从运河和水井抽水，抽水泵的水管一端有一个紧贴的活塞，另一端则置于水中，活塞提起升高，管里的水位也随之升高。

伽利略听一个工人抱怨说，这些抽水泵都有一个问题，就是它们只能够抽起大约33英尺（约10米）高的水，之后，无论活塞如何向上提动，水位都不会再上升。这个现象很是奇怪。伽利略把这个问题抛给了他的助手托里拆利，于是托里拆利着手进行实验，试图揭开抽水泵的水位限制之谜。1643年，托里拆利在一根单头密闭的玻璃管中灌满水银，然后将开口的一端倒插进装有水银的水槽里。如果托里拆利是在空气中倒置水银管，结果显而易见，管中的水银必定尽数倾出，而空气会快速填补空缺，不会造成真空状态。但是，当玻璃管倒插入水银槽，空气是无法进入玻璃管的，倘若大自然确实憎恶真空，此时管中的水银应该保持原位，以免真空产生，然而，水银并未保持原位，而是下落少许，并在管内顶部留出了空间。那么，在那个空间中的是什么东西呢？什么也不是，什么也没有。这是人类历史上第一次创造出实在可见的真空。

不管托里拆利如何改变玻璃管的尺寸与容积，玻璃管中水银柱的垂直高度总保持在30英寸（约76厘米）不变，一旦到达这个定点，水银便不再下落。换言之，在对抗顶部真空的“战斗”中，水银柱只能升高30英寸，大自然对真空的憎恶充其量也就只有这短短的30英寸了。至于其中缘由，将留待一位笛卡儿反对者来揭开。

1623年，彼时的笛卡儿27岁，正值壮年，而他未来的反对者，布莱士·帕斯卡，方才0岁。帕斯卡的父亲艾基纳是一名小有所成的科学家和数学家，帕斯卡继承了父亲的聪敏才气，很年轻时就发明了一种被后人命名为“帕斯卡”（Pascaline）的机械式加法器，与电子计算器问世之前工程师使用的机械式计算机颇为相似。

帕斯卡23岁那一年，他的父亲在冰面上滑倒，摔断了大腿，之后，他受到一群詹森教派信徒的悉心照料，教徒们很快就赢得了帕斯卡全家的支持与爱戴。詹森教派隶属天主教，对耶稣会敌意极深，帕斯卡在他们的熏陶下，也由此成为一名耶稣会以及反宗教改革的反对者。其实，帕斯卡皈依的这门信仰并不适合像他这样的年轻科学家。这个教派的创始人詹森主教宣称，科学是罪恶的，对自然世界的好奇与淫奢欲望无异。好在帕斯卡对科学的奢求渴望暂时压过了他对宗教的炽热信仰，使他得以运用科学揭开遮罩着真空的那层神秘帷幕。

约莫就在帕斯卡家族转变信仰的那段时间，艾基纳的一位军人工程师朋友上门拜访，并为他们重复演示了托里拆利的实验，布莱士·帕斯卡不禁着迷其中，当即动手设计并进行实验。他分别试验了水、酒精及其他液体，实验成果集结为《关于真空的新实验》一书，于1647年出版问世。此书仍未对先前遗留的核心问题做出解答，即为何水银只会升高30英寸、水只会升高33英尺？当时的科学家依然试图挽救将倾的亚里士多德哲学大厦，认为大自然对真空的惊惧是“有一定限度的”，它只能摧毁有限数量的真空。帕斯卡却萌生了一个截然不同的想法。

1648年仲秋，帕斯卡仅凭直觉，便嘱托他的妹夫带着一根灌满水银的玻璃管上山，到了山顶，水银的垂直高度竟然显著下降到了30英寸以下（见图表22）。难道大自然在山顶受到的真空的侵扰竟比在谷底微弱？

图表22：帕斯卡的实验

帕斯卡认为，这个看似离奇的反应恰恰证明了，绝不是大自然对真空的憎恶迫使玻璃管内的水银上升，而是大气作用在管外水银面上的压力令管内的液体沿着管壁攀升。大气会对水槽中与空气接触的液体面（水银、水、酒精等，所有液体都不例外）产生压强（atmospheric pressure），令管内液面上升，就和轻轻挤压牙膏管底部就能把牙膏挤出管口一个道理。而在山顶，大气稀薄，产生的压强也随着减弱，所以无法使水银上升至30英寸的高度。

其中的微妙之处在于：真正起作用的并非真空的吸引力，而是大气的压力。帕斯卡的简单实验彻底摧毁了亚里士多德宣称的“自然憎恶真空”的观念。帕斯卡写道：“但是至今无人接受这个观点，即自然从未对真空怀揣抵触，也未曾试图阻止真空出现，它可以毫不费力、毫无抵抗地接纳真空。”亚里士多德节节败退，科学家对虚空的恐惧逐渐消散，并由此开始了对它的探索之旅。

帕斯卡这位虔诚的詹森教派信徒也试图从0与无限中探求上帝存在的明证，但他采用的是一种对神明十分不敬的方式。

神圣的赌注

人在自然界中到底是个什么呢？
对于无限而言就是虚无，对于虚无而言就是全体，
是无和全之间的一个中项。

——布莱士·帕斯卡《思想录》

帕斯卡既是科学家，也是数学家。在科学层面，他探索真空，也即虚无的本质；在数学层面，他参与创建了一个全新的分支学科——概率论。在他把概率论与0和无限结合起来的那一刻，他找到了上帝。

概率论兴起的初衷是为了帮助富裕的贵族阶层在赌博中赢钱。帕斯卡的理论取得了巨大的成功，但他的数学生涯没有持续太长时间。1654年11月23日，帕斯卡经历了一次强烈、直击灵魂的精神体验 [2] 。或许是因为詹森教派反对科学的教义早已潜移默化地在他的心底埋下了种子，又或许是其他缘故，但无论如何，帕斯卡在宗教热忱的引领下，已然踏上了背离数学与科学的道路（其间也有短暂的例外，是在四年之后的某天，帕斯卡受疾病困扰，难以入眠，于是便起身进行数学研究，而疼痛竟有减缓之势，帕斯卡由此坚信，这个迹象说明他的研究工作并未引起上帝的不悦）。他摇身成为了一名神学家，但离经叛道的过去始终深刻地影响着他，甚至是在证明上帝存在这一问题上，他也忍不住频频回眸，将眼光定格在愚钝的法国赌徒身上。帕斯卡认为，相信上帝是最好的选择，因为这是一次胜率很高的打赌。

就像先前计算赌博中的概率或是数学期望（expectation）问题一样，帕斯卡开始分析评估将上帝当作救世主的期望值。在0与无穷大的数学运算的帮助下，帕斯卡最终得出结论，人们应该相信，上帝是存在的。

在研究上帝这个赌约之前，我们先来分析另一个稍有不同但较为简单的打赌。假设有两个信封，分别标记为A和B，然后通过投掷硬币来决定在哪个信封里装钱：若正面朝上，则在信封A里装入一张崭新的100元美钞；若背面朝上，则往信封B装钱——但这次装入的可不止100美金，而是1,000,000美金！如果你是赌徒，你会选择哪个信封？

显而易见，大家都会选信封B，因为它的价值更大。其中的数学原理可用概率论中的期望值来解释，期望值衡量的是我们对每个信封价值的期望。

信封A中也许有100美金，也许没有；它本身具有一定的价值，因为它里边可能有钱，但其价值肯定不可能高至100美金，因为谁都无法百分之百确定里面装有钞票。数学家将信封A中可能有的钱数乘以其概率，然后将每个可能性的结果相加：

数学家可得出，信封A的期望值为50美金。同时，信封B的期望值为：

因此，信封B的期望值是500,000美金，是信封A的期望值的10,000倍。结果不言而喻，聪明人都会选信封B。

帕斯卡提出的赌约与这个小游戏可以说是异曲同工，只不过帕斯卡设置的是另一套信封：基督徒与无神论者。（事实上，帕斯卡只分析了选择成为基督徒的情况，不过无神论者的情况是其逻辑延伸。）为了论证的需要，我们暂且假设神存在的概率是50%。（帕斯卡所指的神自然是基督上帝。）选择基督徒的信封就相当于自愿成为一名虔诚的基督徒，假如你选择了这条道路，眼下便有两个可能性：如果上帝不存在，那么在你死后，你将灰飞烟灭，沦入虚无；但如果上帝存在，你将升入天堂，在极乐中永生——你获得的为无穷大。因此，成为一名基督徒的期望值是：

无穷大的一半依然是无穷大，因此，成为一名基督徒的期望值为无穷大。假若你选择成为一名无神论者，结果又如何呢？如果你做出了正确的选择，上帝确实不存在，那么你将一无所得；但是如果你的选择出了纰漏，上帝是存在的，你将永远坠入无间地狱——你获得的为负无穷大。因此，成为一名无神论者的期望值为：

负无穷大，没有比这更糟糕的结局了。明智之人自然会投向上帝的怀抱，而非振臂高呼无神论。

不过，我们先前预设的前提是，上帝存在的概率为50%。倘若上帝存在的概率只有1/1000呢？结果又会如何？此情况下成为一名基督徒的期望值为：

仍旧是无穷大。而成为一名无神论者的期望值依然是负无穷大，于是，上帝依旧是较优选择。就算上帝存在的概率低至1/10000、1/1,000,000，甚至更低，最后的结果也不会有什么不同。仅有一个例外，那就是0。

假如上帝不可能存在，帕斯卡提出的赌约便毫无意义，因为那样的话，成为基督徒的期望值会变成0×∞，而这是一个无用的数据（gibberish）。上帝存在的概率是0——没有人会乐意将类似的话宣之于口。多亏了0与无限的魔力，帕斯卡才能得出这样的结论：不管秉持的是哪个学派的哪种观点，相信上帝永远是最佳选择。帕斯卡当然知道该在哪个信封上压下重注，他悠悠转身，抛下助他赢得这场豪赌的数学，朝着上帝，走去了。

[1] 在以后的许多世纪里，大量的观测资料累积起来了，只用托勒密的“本轮”不足以解释天体的运行，这就需要增添数量越来越多的“本轮”。后代的学者致力于这种“修补”工作，使托勒密的体系变得越来越复杂，每个行星需要不止一个本轮，总数达80个以上的“轮上轮”。

[2] 1654年11月23日夜间，对于帕斯卡来说是一个充满了神迹的时刻，他乘坐的马车突然出现了事故，而他却幸免于难，由此他心神难安，对基督教的真谛若有所得，仿佛听到了上帝的召唤，于是立志献身上帝。帕斯卡把自己的志愿写成了一篇充满激情的祷文，缝在衣服内衬里。

第5章
无穷个0与无神论数学家
［0与科学革命］

随着无穷小与无穷大的引入，一向循规蹈矩的数学也失足误入了歧途。
数学曾经具有绝对适用性、不可争辩的确证性的童贞状态一去不复返，
论战不休的国度出现了，我们甚至到了这样一种境地：
几乎人人热衷微分与积分，却不是因为他们明白他们正在做的事情，
而是出于纯粹的信任，只因至今得出的结果总是正确的。

——弗里德里希·恩格斯《反杜林论》

0与无限颠覆了亚里士多德哲学，充斥着虚空的无限宇宙击碎了原先覆裹着它的坚果状外壳，推翻了传统的“自然憎恶虚空”论。古代智慧被抛诸脑后，科学家开始探索支配万物运转的法则。然而，在科学革命的进程中，依旧横亘着一个难题：0。

科学世界掌握了一个崭新的有力工具——微积分，但其核心处存在一个悖论。通过除以0及叠加无穷个0，艾萨克·牛顿和戈特弗里德·威廉·莱布尼茨发明了微积分这一有史以来最强大的数学模型。这两个数学运算看似与1+1=3一样不合逻辑，微积分的核心思想是对数学逻辑的公然挑战，接受它标志着一次信仰的飞跃，于是，科学家们纷纷起立，纵身一跃，因为他们知道，微积分就是自然的语言。为了完全掌握这门语言，科学必须攻克无限个0这一难题。

无限个0

欧洲思想浑浑噩噩地昏睡了一千年之久，此刻终于睁开惺忪睡眼，
摆脱基督教神父精心哄喂的安眠药粉的强力药效。
首先恢复活力的就是无限。

——托拜厄斯·丹齐克《数字：科学的语言》

芝诺的诅咒在数学界的上空盘桓了两千多年，阿基里斯追逐乌龟的步伐似乎已经注定永远无法停下。芝诺的简单谜题里暗藏着无限的影迹。阿基里斯无穷无尽的脚步困住了古希腊人，尽管阿基里斯的步幅逐渐趋向于0，可古希腊人从未想过可把无限分割的部分累加起来，毕竟当时他们的头脑中尚没有0的概念，自然难以想到将步幅为0的脚步一一叠加。幸好，西方世界一对0抛出橄榄枝，数学家们立马着手驯化无限，纳为己用，以此为阿基里斯的赛跑之旅画上一个句点。

虽然芝诺的数列是由无数个项组成的，但是我们可以将所有的步伐累加起来，而结果依然处在有限的疆域内：1+1/2+1/4+1/8+1/16+…=2。将无限的项一一累加并得到一个有限的结果，第一个做到这一点的是14世纪的英国逻辑学家理查德·苏伊塞斯，他取一个无穷数列：1/2，2/4，3/8，4/16，…，n/2n ，…，并为其求和，得到的结果等于2。数列中的数字越来越趋近0，人们自然会猜想，它们的相加结果会是有限数字。可惜，无限绝非如此简单。

在苏伊塞斯奋笔疾书之时，一位法国数学家尼古拉斯·奥雷姆也把探索的目光投向了无穷数列的求和问题，他研究的是所谓的调和级数（harmonic series）：

1/2+1/3+1/4+1/5+1/6+…

与芝诺数列和苏伊塞斯数列类似，此数列中的所有项也越来越趋近0。不过，当奥雷姆尝试为数列求和时，他发觉，运算的总数会越来越大，尽管数列中的个项趋向0，但其总和却朝往无限。他把各项聚合分组：1/2+（1/3+1/4）+（1/5+1/6+1/7+1/8）+…第一组显然等于1/2；第二组大于（1/4+1/4），或者说1/2；第三组则大于（1/8+1/8+1/8+1/8），或者说1/2；并以此类推。无休止地为1/2加上1/2、再加上1/2，总和必然越来越大，并趋向无穷。尽管个项自身确实正不断趋近于0，但它们趋近于0的速度不够快。换言之，即使无穷数列个项趋近0，其总和也可能发散于无穷大。然而，这还不是无穷求和的最奇妙之处。对于无穷大的奇异特质，0自身也未能免疫。

看看以下这个数列：1-1+1-1+1-1+1-1+1-…不难得出，这个数列的总和为0，因为（1-1）+（1-1）+（1-1）+（1-1）+（1-1）+（1-1）+…就相当于0+0+0+0+0+0+…，后者显然等于0。但是，请注意！如果我们以另一方式梳理排列数列：1+（-1+1）+（-1+1）+（-1+1）+（-1+1）+（-1+1）+…，那么它就等同于1+0+0+0+0+0+…，结果不言自明，等于1。将无限个0相加求和，竟能同时得出两个截然不同的答案——0和1。意大利神父圭多·格兰迪甚至以此作为例证来证明，上帝可以从茫茫虚无（0）中创造出宇宙万物（1）。事实上，这个数列可以等于任何数。比如，我们完全可以令其等于5，只要让数列从5+（-5+5）而不是1+（-1+1）开始。

数字项的无穷叠加可能产出怪异且自相矛盾的结果。有时，数字项不断趋近于0，其求和结果是一个正常的有限整数，如2或53；有时却发散于无穷。而且，无穷个0的无限相加竟然能同时得出各异的结果。无穷（或无限）通身散发着诡异的气息，却无人知晓究竟该如何处置。

幸好，物质世界不似数学世界那般难以参透。在现实生活中，大多数时候，无穷事物的求和似乎都能找到相对理想的解决办法，比如测量一桶葡萄酒的体积，等等。

1612年是葡萄酒发展史上具有标志性的一个年份。约翰尼斯·开普勒，这位提出天体是循着椭圆轨道运行的科学家，在这一年，将探索的目光定格在了盛满葡萄佳酿的酒桶上，因为他发觉，葡萄酒商和制桶工人估测酒桶体积的方式极其粗陋，于是，他决定出手相助。他在脑海中把酒桶分解成无数个无穷小的碎片，然后再把它们重新组装起来，并以此计算它们的体积。这个方法看似落后，其实暗藏机巧。

为了更好地理解它，我们不妨暂且把三维物体搁置一旁，先从二维物体如三角形入手。图表23中的三角形底边和高均为8，其面积为底边与高的乘积的一半，即32。

图表23：估算三角形的面积

现在，我们在三角形内画上许多小矩形，试着用这个方法来测算三角形的面积。第一次尝试中，我们得到一个面积为16的矩形，与实际面积还相距甚远；第二次尝试时情况好了许多，我们画了三个矩形，总面积为24；第三次试画的面积为28，离实际结果又近了一步。正如你所见，随着矩形越画越小，即它的宽度（用符号Δx表示）逐渐趋向0，得出的总面积也越接近三角形的真实面积32。〔这些矩形的总面积相当于∑f（x）Δx，古希腊语中∑表示适当范围内的求和，f（x）则代表矩形围成的曲线的方程式。现代符号系统中，若Δx趋向0，我们就用一个新的符号∫来替代∑，再用dx替代Δx，将方程式转写为∫f（x）dx，而这就是积分。〕

酒桶的体积研究隐没在开普勒的众多科研成果中，籍籍无名，但开普勒以三维思维将酒桶切割成无数平面、又将它们重新归总的做法至少说明了，他无惧直面以下这个尖锐的问题：当Δx趋近于0，其求和就相当于无数个0相加——一则结果注定毫无意义的运算。开普勒对这个问题不予理会，尽管从逻辑的角度看，无穷个0的求和结果是无用数据，但它可能产出正确的答案。

开普勒不是唯一一个将物体切割成无穷细碎部分的杰出科学家，伽利略也曾仔细考虑过无穷大和无穷小的问题，且认为这两个概念业已超出我们的有限认知，他这样写道：“前一个是因为其庞大的量级，后一个则是因为数值太小。”无限的疆域迷雾茫茫，却无碍伽利略感受它们的力量。“想象一下，这两者的结合体会是什么？”伽利略很是好奇。他的学生博纳文图拉·卡瓦列里为这个问题提供了部分解答。

卡瓦列里切割的不是酒桶，而是几何对象。在卡瓦列里的眼中，一切具有面积的图形，比如三角形，都是由无数条宽度为0的直线组成的，而一切具有体积的实体，就是由无数高度为0的平面组成的，这些直线和平面如同组成面积与体积的原子，不可再分。正如开普勒把酒桶切割成细薄平面测量其体积，卡瓦列里把无数个不可除尽的0叠加求和，测算几何物体的面积或体积。

卡瓦列里的观点令几何学家十分困恼，因为无数条面积为0的直线的叠加并不能生成一个二维的三角形，同样地，无数个体积为0的平面也无法累加出一个三维的结构。归根结底还是同一个问题：在逻辑上，无数个0是没有意义的。可是，卡瓦列里的方法却总能得出正确的答案。数学家把逻辑与哲学的问题抛诸一旁，不予理会，埋头进行无穷个0的求和运算，特别是在无穷小（infinitesimals）一举解决了存在已久的切线（tangent）问题之后，他们更加坚定了信念。

切线指的是一条刚好与曲线轻触的直线。任意一条涌流于空间的平滑曲线上的任意一点都存在一条与它将将擦过的直线，换言之，此直线只与曲线相触于一点，这条直线就叫切线。数学家察觉到，它在有关运动的研究中具有不可或缺的重要地位。比如，倘若绕着头部挥舞一颗拴在细绳上的小球，不难想象，小球一定是做圆周运动；此时，如果突然剪断绳索，小球将沿着切线方向飞出；同样地，一位棒球投手的胳膊沿圆弧状运动，做投掷动作，在他松开小球的那一瞬间，小球也将沿着切线方向飞出（见图表24）。再比如，若要确定小球在山谷底的落点，就必须找到抛物线上切线方向平行于水平面的那一点。切线的陡斜程度，即其斜率（slope），在物理学上同样具有举足轻重的地位。比如，假设某一条曲线代表的是一辆自行车的位置，那么通过该曲线上任意一点的切线斜率，可以断定自行车经过该点时的速率。

图表24：沿切线飞出

因此，许多17世纪的数学家，如埃万杰利斯塔·托里拆利、勒内·笛卡儿、法国人皮埃尔·德·费马（因费马大定理扬名于世）、英国人伊萨克·巴罗，他们都自创了不同的方法计算曲线上点的切线。和卡瓦列里一样，他们也与无穷小不期而遇了。

为给定点画切线，最好的办法是先凭猜测作一条直线：在给定点附近选定另一点，并连接两点，此时得到的这条直线还不是切线，不过，如果这条曲线的起伏不是很大，那么这条直线应该与切线十分接近，随着两点之间的距离不断缩近，仅凭猜测而做出的近似直线也越来越逼近切线（见图表25）。当两个点最终重合，切线旋即显露真容，近似法大获成功。当然，还有一个问题亟待解决。

图表25：逼近切线

直线最重要的性质就是它的斜率，科学家通过观测直线在一定距离内上升的高度来测定这一数据。比如，想象你正开着车在山路上往东奔驰，你每往东一英里，所处的海拔高度就上升半英里，那么这座山的坡度就等于你升高的高度（半英里）与你水平方向前进的距离（一英里）之比，此时数学家会告诉你，这座山的坡度就是1/2。直线的斜率测量也大致相同。确定直线的斜率时，只需测量直线在给定的水平距离内（数学家将其表示为Δx）上升的高度（表示为Δy），而Δy/Δx就是直线的斜率。

当你着手尝试计算切线的斜率，0会呼啸而过，将先前所提的近似逼近法碾碎殆尽。随着切线的近似直线越来越逼近切线，曲线上用来确定近似直线的两个点也会越来越靠近，这就意味着，它们之间的高度差（Δy）正趋近于0，它们之间的水平距离（Δx）亦是如此，于是，Δy/Δx也趋近于0/0。然而，0除以0可以等于世间存在的一切数值，难道切线的斜率是毫无意义的吗？

数学家们的研究一旦涉及无穷大或0，“不合逻辑”这座大山便会从天而降，横亘在他们跟前。为了算出酒桶的体积和各类曲线围成的面积，数学家们把无数个0叠加求和；为了求得曲线的切线，他们用0去除以它本身。0与无穷大令原本十分简单的作切线与求面积显露出了自相矛盾的一面。这些困恼与难题之所以不会沦为点缀数学史的趣味脚注，只因——无穷与0正是了解自然的关键所在。

0与神秘的微积分

若我们撩开面纱，细细端详，
就会发现潜藏其下的大量空虚、黑暗与混乱；
如果我没有弄错，它们应是完全的自相矛盾与不可救药……
它们既不是有限量，也不是无穷小量，亦不是0。
难道“已死量的幽灵”不是对它们最准确的称呼吗？

——贝克莱主教《分析师》

切线问题和面积测量问题都与无穷量和0面临的困境息息相关，这并不奇怪，因为切线问题与面积测量问题本质上是相通的，都与微积分有关。微积分威力之强大是人类之前发明的其他所有科学工具都无法企及的。比如，望远镜赋予了科学家寻找月亮和行星的能力，而微积分则为科学家提供了表达天体运行法则以及排列方式的途径。微积分是大自然的语言，其结构与机理布满了0和无限的踪影，然而，这门新生工具面临的最大威胁恰恰是来自0和无限。

微积分的首位发现者还没来得及呼吸一口清甜的空气就差点夭亡短折。1642年的圣诞夜，艾萨克·牛顿艰难地来到这个世界，由于早产的缘故，新生的牛顿瘦小得可以装进一夸脱的马克杯中。牛顿出生前两个月，他的农夫父亲却因故离世了。

尽管童年悲惨 [1] ，母亲也不支持他的科学追求，只希望他成为一名农夫，但牛顿在17世纪60年代考入剑桥大学，开始了他辉煌的学术生涯。短短几年间，他就成功建立了一套解决切线问题的系统方法，能够算出任意曲线上任意一点的切线。这个计算过程就是现在我们熟知的微分，即微积分的前半部分内容，不过，牛顿发明的微分法与我们今日通用的微分看起来大不相同。

牛顿发明的微分法是以一种他称为“流量”（fluents）的数学表达式中的流数（fluxions）为基础的。以如下这一方程式为例：

y=x2 +x+1

在这个方程式中，y与x就是流量，而且牛顿认为，y与x是随着时间的变化而变化（或者说流动）的，它们的改变速度（流数）则分别表示为y与x。

牛顿的微分法基于一种记数上的小花招：他允许流数动态变化，但把它们变化的程度限定在无穷小，换言之，他不赋予流数变化的时间。牛顿的微分表示法中，在x改变为（x+ox）的那一瞬间，y也随着变为（y+oy）。（字母o表示流逝的时间量，正如我们所见，这个字母与0十分相似，但又不全然相同。）此时，方程式变为：

（y+oy）=（x+ox）2 +（x+ox）+1

将（x+ox）2 展开可得：

y+oy=x2 +2x（ox）+（ox）2 +x+ox+1

移项整理可得：

y+oy=（x2 +x+1）+2x（ox）+1（ox）+（ox）2

由于y=x2 +x+1，所以可将方程式左侧的y与方程式右侧的x2 +x+1一同减去，可得：

oy=2x（ox）+1（ox）+（ox）2

接下来就是牛顿的小花招大显神通的时候了。牛顿宣称，既然ox极小极小，那么（ox）2 的值势必更小，因此我们可认为，它消失了。换言之，大体上我们可将它视为0，进而无视其存在。此时可得：

oy=2x（ox）+1（ox）

这意味着oy/ox=2x+1，而这就是曲线上任意一点x的切线斜率（见图表26）。无穷小的时间间隔o相互抵消，oy/ox变为y/x，于是，我们再也不必考虑o。

图表26：利用公式2x+1找出抛物线y=x2 +x+1上任意一点的斜率

这种方法纵然可以得出正确的结果，但令（ox）2 消失的这一步骤实在令人费解。假如真的像牛顿主张的那样，（ox）2 、（ox）3 甚至更高次幂的ox都等于0，那么ox本身也必须等于0 [2] 。另一方面，假如ox等于0，那么最后除以ox的步骤则相当于除以0，而正是这最后一步令我们成功摆脱了oy/ox这一数学表达式中的o。

牛顿的流数术确有其暧昧不清的可疑之处。虽然它建立在一个不合逻辑的数学运算之上，但它也有一个不容忽视的巨大优势，那就是——它管用。流数术在解决了切线问题的同时也解决了面积测算问题。曲线（包括直线，因为直线也是曲线的一种）下的面积值测算——如今我们称之为积分（integration）——其实就是微分的逆向问题。正如求曲线y=x2 +x+1的微分可以得到曲线上任意点的切线斜率方程（y=2x+1），求曲线y=2x+1的积分可以得到一个求算曲线下面积值的公式，该公式为y=x2 +x+1，曲线与直线x=a、直线x=b以及轴线围成的图形的面积值就为（b2 +b+1）-（a2 +a+1）（见图表27）。（严格来说，公式应该是y=x2 +x+c，c可以为任意常数。微分的过程会破坏信息，反过来，积分的运算无法提供确切的答案，除非加以补充其他有效信息。）

图表27：利用公式x2 +x+1求出直线y=2x+1下的面积

微积分则是这两类工具——微分与积分——的结合体。尽管牛顿对0与无穷量的利用不甚严谨，且打破了某些非常重要的数学规则，但是微积分的用途实在太过强大，没有数学家能够抵挡它的魅力。

大自然以方程式发声。这是一个绝妙的巧合。起初，数学规则围绕羊群计数、财产调查展开，而恰恰是这些规则支配着宇宙万物的运转生息。方程等式只是自然法则的描述载体，在某种意义上，它可以被视为一项工具，当你输入一个数字，它能够依据自身规则产出另一个数据。古人只掌握了少部分方程规则，比如杠杆原理，但在科学革命的发端阶段，这些法则却如雨后春笋般纷纷显露真颜。开普勒第三定律描述了天体循轨道运行一周所需的时间：r3 /t2 =k，t为时间，r为运行轨道的半长轴距离，k为定量常数。1662年，罗伯特·波义耳发现，压缩一个装满气体的密闭容器会增大容器中的压强，而且压强p与容器体积v的乘积等于一个恒等的常数k，即pv=k。1676年，罗伯特·胡克的研究表明，一根弹簧产生的弹力f等于一个恒定负数-k与弹簧被拉伸的距离x的乘积，即f=-kx。这些早期发现的方程法则极好地阐明了某些简单关系，但是，它们固有的恒定性也在无形中成为一种桎梏，禁绝了它们成为普遍法则的可能性。

举一个我们在高中都学习过的著名方程等式作为例子：速度乘以时间等于距离。该式阐明了一定速度（每小时行进v英里）下t小时之后的前进总位移x应等于vt，即x=vt，因为每小时行进的英里数乘以时数就等于总英里数。若要计算一趟时速为120英里（约193公里）的列车从纽约到芝加哥所需的时间，这个公式就能大展神威了。然而，在现实世界中，能有多少事物能够像数学问题中的列车一样一直保持匀速运动？掷下小球，它移动的速度只会越来越快，在这个情况下，x=vt显然不适用，此时下降小球的位移x=gt2 /2，g是重力作用下的加速度。另外，如果在小球上施加一个递增的力，x或许会等于t3 /3。可见，速度乘以时间等于距离绝非普遍性规律，它只在有限条件下适用。

微积分却容许牛顿将所有这些方程等式统一融合于一套规则体系中，这个宏大绝伦的体系适用于任何情况、任何条件，这也是人类科学第一次得以一窥作为世间各类局部规律根基的普遍法则。数学家们纵然深知，由于0与无穷量的诡秘数学性质，微积分仍旧存在着根深蒂固的缺陷，但这无碍他们对这门新兴数学工具的迅速接纳，因为他们同样明白，仅靠一般的方程等式绝对无法阐明大自然的繁复变化，微分方程（differential equations）才是大自然的发声载体。为了建立和解决这些微分方程，拾起微积分这一强力工具就是他们唯一的选择。

微分方程与我们平日熟知的普通方程式截然不同。普通方程式就像一台机器，你往机器里输入一个数字，它会相应地输出另一个数字。微分方程也像一台机器，但是这台机器需要的原料不是数字，而是方程式，你输入一个方程式，机器便会相应地输出另一个新的方程式。若你输入一个描述了某个问题（小球是否做匀速运动或者小球上是否施加了外力）的相关条件的方程式，这台机器将为你提供一个编码了问题答案（小球做直线运动或做抛物线运动）的方程式。一个微分方程就能掌控与方程规律有关的所有数字，与时灵时不灵的局部方程规律不同，微分方程永远正确无误。它是一条普遍法则，是一扇窗口，正是透过这扇窗口，人类得以一窥大自然的运转机制。

牛顿创立的微积分（流数术）是通过将许多概念——如位置、速度、加速度——联系为一体而做到这一点的。牛顿用变量x表示位置，他意识到，速度其实就是x的流数x（现代数学称之为导数），而加速度则是速度的导数x。因此，从位置到速度到加速度，或者从加速度到速度再到位置，无非就是求其微分（增加一个点）或求其积分（移除一个点）罢了。以此为基础，牛顿构建了一个简洁的方程式来表征宇宙万物的运动规律：F=mx。其中F代表物体所受的合力，m则是物体的质量。（事实上，这个规律还不是严格意义上的普遍法则，因为它成立的前提是该物体的质量是恒定的。牛顿提出的另一个适用范围更广的定律是F=p，p指的是物体的动量。后来，爱因斯坦修正了牛顿提出的若干方程式定律。）假如已知揭示物体所受合力的方程式，物体运动的精确轨迹就能通过相应的微分方程得以确定。比如，若小球做自由落体运动，其运动轨迹应呈抛物线状；再比如，光滑的弹簧能够永不停歇地摇曳，受摩擦力作用下的弹簧则会逐渐停止移动（见图表28）。尽管这些运动的轨迹与结果均不相同，却能由同一个微分方程支配操控。

图表28：同一微积分方程支配下的不同运动

同样地，若已知某物体——不管是玩具小球还是大型行星——的运动轨迹，此物体所受的力便能通过微分方程得以确定。（牛顿的成就之一就是提出了描述重力的方程式以及论证了天体运行的轨道形状。人们曾以为，重力或与1/r2 成正比，不过，当牛顿的微分方程显露了椭圆轨道的影迹，人们开始相信，牛顿是正确的。）尽管微积分能量巨大，但这无法掩盖它身上悬而未决的关键问题。0除以0这一运算是牛顿微积分理论的构筑基础，然而，这个地基其实是十分不牢靠的。他的竞争对手的研究也存在与此相同的缺陷。

1673年，一位受人敬重的德国律师、哲学家访问了伦敦，他的名字叫戈特弗里德·威廉·莱布尼茨。就是此人，与牛顿携手撕碎了旧有的科学世界，尽管两人最终都未能驱散那层蒙罩着微积分的浓雾——0的问题。

在这趟游历英国的行程中，33岁的莱布尼茨究竟是否偶然看到过牛顿尚未正式发表的研究手稿，今天的我们已然无从知晓，不过可以确定的是，在1673年至1676年间莱布尼茨第二次踏足伦敦时，他的微积分系统也已发展成熟，只不过在形式上与牛顿的流数术稍有不同。

现在回头看，虽然此事仍有争议，但莱布尼茨与牛顿似乎确实是各自独立地发明了微积分。17世纪70年代，两人曾有书信往来，这使得人们很难确切地分辨他们究竟是否相互影响。尽管两套理论都能得出同样的答案，但其采用的表示符号——以及背后的哲学观念——则大相径庭。

牛顿十分厌恶无穷小量，即流数方程中的o。在流数术中，它时而等于0，时而又等于0之外的其他数值。从某种意义上说，这些无穷小量的数值极其微小，小于任何你能想到的正数，但仍比0大。在当时的数学家们看来，这是一个非常荒谬的概念。流数术中的无穷小量令牛顿陷入了进退维谷的境地，于是，他决定对这个棘手的问题予以回避。在牛顿的微积分算法中，无穷小量o仅是一个媒介，或者说是支撑物，且在计算临近结束时奇迹般地变身为0，继而销声匿迹。与牛顿对无穷小量的反感不同，莱布尼茨对它甚是喜爱。莱布尼茨以dx来表示牛顿流数术中的ox，代表x的无穷小变化量。在莱布尼茨的微积分体系中，这些无穷小量贯穿始终，且不作变动，而且莱布尼茨主张，与x相关的y的导数并非不受无穷小量约束的流数之比y/x，而是无穷小量之比dy/dx。

莱布尼茨的微积分观点认为，dy与dx的运算处理应与一般数字无异，而这正是现代数学家与物理学家大多倾向于采用莱布尼茨的微积分符号而非牛顿的微积分符号的原因。莱布尼茨微积分的威力绝不逊于牛顿的流数术，由于其表示符号的简洁，甚至还略胜一筹。然而，在所有运算过程之下，莱布尼茨的微积分同样包藏着那个令牛顿流数术备受煎熬的禁忌——0/0，这个缺陷一日不除，微积分就只能建筑在信仰而非逻辑之上。（实际上，对于莱布尼茨在数学领域的开疆扩土，比如发明二进制数，信仰起着不可磨灭的重要作用。任何数字都可以表示为一连串的0与1，在莱布尼茨眼中，这就是从无到有的创造，代表了从上帝/1和虚无/0中衍化而生的创世之举。他甚至试图说服耶稣会的传教士借用这一知识向中国人传播基督信仰。）

在数学家成功将微积分从其摇摇欲坠的根基上解救下来之前的许多年间，整个数学界都在为微积分的发明归属权而争论不休。

毋庸置疑的是，牛顿早在17世纪60年代就率先提出了这一概念，但在之后的20年里，他一直未将研究成果正式对外发表。牛顿既是魔术师、神学家和炼金术师（比如，他曾从圣经文本中推定，耶稣将在1948年左右再次降世），同时也是一位科学家，他的许多观点都被视为异端邪说，因此，他不愿将自己的研究公之于世，往往讳莫如深。在牛顿压下成果不予公开发表的同时，莱布尼茨也独立地完成了自己的微积分研究。于是，两人互相指责对方剽窃自己的学术成果，而支持牛顿的英国数学界也由此开始了与支持莱布尼茨的欧洲大陆数学界的对抗，此后，英国数学家坚持使用牛顿的流数术符号，不肯接受莱布尼茨发明的更为先进的微积分符号，这样意气用事的举动使得英国的微积分研究停滞了一个多世纪，严重落后于他们的欧洲大陆同行。

对于微积分研究中充斥的神秘难解的0与无穷，一位法国人，而非英国人，成为第一个吃螃蟹的人。就算是初次接触微积分的数学家，也必定听说过洛必达法则（L'Hôpital's rule）。不过，说来也奇怪，这个称为“洛必达法则”的数学规则并不是由洛必达创造的。

生于1661年的纪尧姆·弗朗索瓦·安托万·德·洛必达是位世袭侯爵，这意味着，他非常富有。早年他对数学萌生了浓厚的兴趣，后来他投身参军，并在军中担任骑兵军官一职，不过，他很快就回心转意，重新投身挚爱的数学研究。

洛必达尽其所能，重金聘请了一位十分优秀的数学老师，瑞士数学家约翰·伯努利。伯努利是早期精通莱布尼茨微积分的数学家之一。1692年，伯努利开始教授洛必达有关微积分的知识，洛必达被新奇的数学运算深深吸引，他竟开出高价，向伯努利求购其在数学方面的所有最新研究成果，而伯努利也欣然答应了。于是，一本教科书由此诞生。1696年，洛必达出版了《阐明曲线的无穷小分析》，此书是世界上第一本系统的微积分教科书，对莱布尼茨版本的微积分在欧洲大陆的广泛传播贡献甚大。书中，洛必达不仅论述了微积分的有关基本概念，还提出了许多激动人心的新成果，其中最著名的莫过于洛必达法则。

洛必达法则打响了数学家攻克微积分中令人困扰的0/0难题的第一枪。该法则提出的方法揭示了无限趋近0/0这一数学运算的真正数值。洛必达法则规定，此分数的数值等于分母表达式的导数与分子表达式的导数之比。以x=0时的表达式0/（sin x）为例，当x=0，sin x也等于0，因此，表达式等于0/0。运用洛必达法则可得，表达式0/（sin x）等于1/（cos x），因为x的导数是1，sin x的导数是cos x。x=0时，cos x=1，因此，整个表达式等于1/1=1。洛必达法则还适用于其他古怪表达式：∞/∞、00 、0∞ 、∞0 。

以上这些表达式，特别是0/0，可以等于任意数值，其值随着分母与分子位置的函数式不同而改变，而这也是0/0被赋予“未定数”（indeterminate）称号的缘由。0/0不再是叫人无从下手的神秘谜团，数学家已经获取了一些与之相关的有用信息；0也不再是叫人避之若浼的强劲敌人，而是一个亟待世人研究的难解之题。

1704年，洛必达逝世，不久之后，伯努利便开始声称洛必达剽窃了自己的学术成果，但当时的数学家并不认可这种说法，不仅因为洛必达已经证明了自己的数学才华，也因为约翰·伯努利的声誉在先前业已受损，之前他也曾宣称某一位数学家的某项证明因归功于他。（那位数学家恰好是他的哥哥雅各布。）不过，这一次，他的声明并非空穴来风，他与洛必达的来往书信证实了他的故事，但不幸的是，“洛必达法则”的命名已是覆水难收。

对于解决一些与0/0有关的棘手难题，洛必达法则极为重要，但是，微积分存在的根本问题仍然未得到解决。无论是牛顿还是莱布尼茨，他们发明的微积分都是建构在除以0这一运算之上、以某些一遇到乘二次方的运算便会神奇消失的数字为根基的。也就是说，洛必达法则用来检验0/0的工具本身就是建立在0/0的基础之上的，因此，该法则是一种循环论证。此外，当全世界的物理学家和数学家着手使用微积分解释自然的时候，来自教会的反对之声也已开始在耳边轰鸣。

1734年，牛顿辞世的第七个年头，一位名为乔治·贝克莱的爱尔兰大主教撰写了一本论著，标题很长，叫作《分析学家，或一篇致一位不信神数学家的论述》。（至于这位被质疑的数学家到底是谁，最有可能的候选人是埃德蒙·哈雷，他是牛顿的忠诚拥趸。）在此书中，贝克莱批判了牛顿（还有莱布尼茨）在有关0的问题上所做的卑鄙把戏。

贝克莱尖锐地指出，无穷小量的恣意不理解必然引发不可调和的自相矛盾，他还将无穷小量讽称为“已死量的幽灵”（ghosts of departed quantities），并总结道：“在我看来，能消化得了二阶、三阶流数的人，是不会因吞食了神学论点就呕吐的。”

尽管当时的数学家对贝克莱的逻辑抨击不断，但他无疑是正确的。那时的微积分与数学的其他领域截然不同。几何学中的所有定理都经过严格的证明，比如，数学家以欧几里得几何中的某几条公理为基础，通过环环相扣的严谨推理，最终可以得出三角形的内角之和为180o 的结论，其他几何规律亦能经由相似的推理过程而得，而微积分的构建根基却是信仰。

没有人能够解释，为何无穷小量在乘以二次方之后就可化0消除，他们似乎理所应当地接受了这个事实，只因它们消失得恰如其分，正好可以得出正确的答案；没有人因为除以0这一运算而忧心忡忡，他们坦然地忽视了那些解释世间万物（从苹果的掉落到天际行星的运动轨迹）运行规律的数学法则。尽管微积分总能给出正确的答案，但其应用与坚信上帝存在一样，都是受信仰驱使的行为。

神秘的落幕

一个量要么等于0，要么不等于0。
若等于0，它早已消失无痕；若不等于0，便不可随意消除。
介于两者之间的中间状态只能存在于幻想之中。

——让·勒朗·达朗贝尔

在法国大革命的阴影笼罩下，微积分身上的神秘因素正被一一剔除。

微积分的根基并不牢固，尽管如此，至18世纪末叶，手握微积分这门新工具的欧洲数学家已经取得了许多震惊世人的成就。科林·马克劳林和布鲁克·泰勒或许称得上是英国数学界脱离欧洲大陆时代最好的数学家，他们发现可运用微积分以另一种全新的形式来表示函数。比如，数学家意识到，通过一些微积分运算中的小技巧，函数1/（1-x）亦可改写为：

1+x+x2 +x3 +x4 +x5 +…

这两个表达式看似迥然不同，实则别无二致（但仍有一些警告需谨记于心）。

那些警示源自0与无穷大量的特殊性质，其重要性不容小觑。微积分运算中对0与无穷大量的处理方式“启发”了瑞士数学家莱昂哈德·欧拉，他效仿马克劳林和泰勒，运用相似的推理方法“证明”了，以下这个表达式之和等于0：

…1/x3 +1/x2 +1/x+1+x+x2 +x3 …

（令x=1，该结论的疑点立马显现。）欧拉是个杰出的数学家——事实上，称他是人类历史上最多产、最富影响力的数学家之一也不为过——但是这一次，对0与无穷大量的草率处理使他栽了跟头。

一名弃婴最终降服了微积分中桀骜不驯的0与无穷量，褪去了微积分身上的神秘外衣。1717年，一个婴儿躺在巴黎圣·让·勒朗大教堂的门前石阶上，嗷嗷啼哭，他的名字让·勒朗也由此而得，后来他给自己取姓为达朗贝尔。他的养父母家境贫寒，养父是一名玻璃工匠，但他的生父是一名将军，生母更是出身贵族。

达朗贝尔最为人熟知的著作应是他20岁时与德尼·狄德罗一齐编撰的有关人类知识的法国《百科全书》，但这绝非他的全部成就。那个领悟到终点固然重要，但通往终点的旅程同样不可忽视的有识之士就是达朗贝尔，他攥住了极限（limit）概念的要义，成功攻克了微积分中0的难题。

让我们再次回顾一下阿基里斯与乌龟的故事，在二者的跑步竞赛中，它们无穷尽的步伐之和越来越趋近于0。无穷项的求和运算——不管是阿基里斯问题，还是求曲线下面积，抑或是求数学函数的替代形式——往往会使数学家得出自相矛盾的答案。

达朗贝尔意识到，只要把竞赛的极限纳入思考的范畴，阿基里斯问题便不复存在。在之前的例子中，乌龟和阿基里斯每踏出一步，就离两英尺标志点更近一分，他们之间的距离以及他们与两英尺标志点的距离无时无刻不在缩短。因此，这场竞赛的极限，也即它的最终目的地，就在两英尺标志点，也就是在这一点，阿基里斯终将超过乌龟。

但是，又该如何证明，这场竞赛的极限确实是两英尺呢？我诚邀你向我发出挑战，提出一个极小的距离，不管该距离多微小，都存在这样一个时刻：阿基里斯和乌龟与极限的距离均小于你所举的范围。

比如，假设你提出的距离是千分之一英尺，那么经过一系列计算可以得出，跑完第11步时，阿基里斯与标志点的距离为9.77亿分之一英尺，乌龟与标志点的距离是前者的一半。我不仅满足了你的挑战，而且还多出来2300万分之一英尺。倘若你又提出了一个更短的距离，比如十亿分之一英尺，情况又会如何呢？跑完第31步时，阿基里斯与目标点的距离为931万亿分之一英尺，乌龟与目标点的距离仍旧是前者的一半。这一次挑战依然难不倒我，而且又有剩余，多出来的距离是69万亿分之一英尺。不管你如何挑战，我皆能泰然应对，明晰地指出阿基里斯比你所举的距离更接近标志点的时刻。这说明，随着竞赛的进行，阿基里斯正无限接近两英尺标志点，而两英尺正是这场赛跑的极限。

现在，先不把这场赛跑视为无数部分的求和，而将它看作有限的各分赛段的极限。比如，在第一赛段，阿基里斯拔足奔向一英尺标志点，那么，他一共跑了1英尺。

1

在第二赛段中，阿基里斯又跑了半英尺，所以，他跑过的总路程为1.5英尺。

1+1/2

第三赛段过后，阿基里斯跑动的总距离变为1.75英尺。

1+1/2+1/4

每一个赛段都界限分明，不存在无穷量。

达朗贝尔所做的就是将这个无穷求和表达式：

1+1/2+1/4+1/8+…+1/2n +…

转写为另一种形式：

1+1/2+1/4+1/8+…+1/2n 的极限（当n趋于∞）

乍看之下，两种表示方法的区别似乎不大，但正是这个微乎其微的差别在全世界掀起了巨变的浪潮。遗憾的是，达朗贝尔并没有把这种表达公式化，这一工作将由之后的法国人奥古斯丁·柯西、捷克人伯恩哈德·波尔察诺以及德国人卡尔·魏尔斯特拉斯完成。

数学表达式中一旦出现无穷量或除以0，一切数学运算，即便简单如加减乘除，也会失常无效，变得毫无逻辑可言。因此，在处理无穷数列时，即使是浅显的“+”号也会显得面目暧昧，朦胧不清，这就是章节伊始提及的+1与-1的无穷数列求和的结果似乎既可能等于0也可能等于1的原因。

不过，数列中新添的极限符号可将过程与目的分离开来，并有效规避与0和无穷量有关的运算。正如阿基里斯的竞赛中各赛段都是有限的，极限中的部分和（partial sum）同样也是可随意加减乘除的有限量。因为一切数项都是有限的，所以数学法则仍旧通行。按部就班地进行完所有运算之后，就能取其极限了：推断求出该表达式的行进方向。

有时，极限是不存在的，比如，+1与-1这一无穷数列的求和就不存在极限。该数列的部分和的数值在1与0之间来回摇摆，换言之，它并没有走向某个可预测的目的地。阿基里斯的竞赛问题则大不相同，其部分和从1到1.5到1.75到1.875再到1.9375，如此往复，越来越趋近于2，因此，这一个无穷数列的求和之旅终能寻觅到终点，即极限。

同样的道理也适用于求导。现代数学家不像牛顿和莱布尼茨一样以0为除数，他们把一个趋近于0的量当作除数，显然，这样的运算是完全合乎逻辑的，因为0并未牵涉其中。于是，他们在全然合理的情况下做完除法，然后取极限。强令无穷小量的平方乘积消失而后除以0求导这样惹人争议的手段再无存在的必要（见附录C）。

这一逻辑或许有些吹毛求疵，又有点像牛顿体系中的“幽灵”，略带神秘，但事实正好相反，它满足了数学家对逻辑严密性的不懈追求，因为极限这一概念具有内在一致的坚实理论基础。你可以全然忽略先前提及的“向我挑战”的论证过程，因为仍有其他定义极限的方式，比如，称其为两个数，即上极限（lim sup）与下极限（lim inf）的收敛（对于它，我有一个绝妙的论证方法，但鉴于此书篇幅，在此就不赘述了）。由于极限在逻辑上拥有无懈可击的严密性，以极限为基础的求导过程自然也无可指摘，它们为微积分奠定了稳固的理论根基。

至此，人们不再需要把0当作除数，神秘主义的迷雾开始蒸腾消散，逻辑又一次取得了胜利，数学的国度重归宁静，直到恐怖统治 [3] 汹汹来袭。

[1] 牛顿三岁时，他的母亲改嫁并搬走了，牛顿没有跟随母亲去和继父一起生活，自此之后他和父母几乎断了联系，他甚至威胁，要把他们连同房子一齐烧掉。

[2] 若两数相乘等于0，则两数中至少有一数为0。（用数学语言则可表示为：若ab=0，要么a=0，要么b=0。）这就意味着，若a2 =0，则aa=0，因此a=0。

[3] 一些历史学家对法国大革命的一个阶段的称呼。不同历史学家对恐怖开始时间有不同的看法，包括1793年9月、1793年6月、1793年3月（创立革命法庭）、1792年9月（九月大屠杀）或1789年7月（第一次斩首），但一般同意恐怖结束于1794年7月。

第6章
无穷的双生子
［0的无穷本质］

上帝创造了整数，其余都是人做的工作。

——利奥波德·克罗内克

0与无穷大总是十分相似。0乘以任何数都等于0，无穷大乘以任何数都等于无穷大；任何数除以0都等于无穷大，任何数除以无穷大都等于0；任何数加上0都等于原来的数，任何数加上无穷大都等于无穷大。

自文艺复兴以来，两者的这些肖似之处业已熟为人知，但是，要等到法国大革命临近结束时，0身上的巨大谜团才得以真正解开。

0与无穷是一枚硬币的正反两面，如同阴与阳，平等而对立。它们又是对手，旗鼓相当，盘踞在各自所属的数字领域的尽头。0独有的恼人属性与无穷的奇异威力息息相关，0的研究或许可以帮助我们进一步弄清无穷的性质。为此，数学家必须鼓起勇气，冒险一探波诡云谲的虚数世界。在那里，圆形就是直线，直线就是图形，而这个世界的正对两极便是0与无穷。

虚数

虚数是神灵遁迹的精微而奇异的隐蔽所，
它大概是存在和虚无两界的双栖物。

——戈特弗里德·威廉·莱布尼茨

遭到数学家冷眼排斥长达数百年的数字绝不止0一个。与0在古希腊饱受偏见的经历类似，其他没有几何意义的数字也被有意无意地忽视了，其中一个数字，i，是人们掌握0的奇异特性的关键所在。

代数学为世人展现了一条通往数字世界的全新道路，它和古希腊几何思想毫无联系。不同于总是尝试求算曲线下面积的古希腊人，早期的代数学家力图找到蕴含不同数字关系的方程式的求解方法，比如，一次方程式4x-12=0描述了未知数x与定量4、12和0之间的联系，代数学研究者的任务就是求出未知数x，在此方程式中，x等于3；再将x=3代回以上方程式进行检验，很快能看出该等式成立，因此，3就是方程4x-12=0的正解。换言之，3能使表达式4x-12等于0，它是该方程式的根（root）。

若你试着将各式符号串联成一个方程式，或许你会得到意想不到的结果。再次以上文的方程式为例，如果把方程中的符号“+”改为“-”，我们将得到一个十分温良无害的表达式，4x+12=0，其解也相应变为一个负数，-3。

正当古印度数学家敞开双手热情拥纳0的时候，他们的欧洲同行也伸出了双手，不过是将它拒之门外，并且，大门一闭就是几个世纪。负数的际遇也是如此，东方世界的态度是欣然接受，西方数学界却一直设法忽略它们的存在。直到17世纪，笛卡儿仍拒绝接受负数成为方程式的根，他称其为“伪根”（false roots），这也解释了笛卡儿建立的直角坐标系里竟没有负数的一席之地的原因。笛卡儿在促成代数学与几何学的联姻方面取得了巨大的成功，但这种成就反过来却桎梏了其思想的发展。其实，代数学家对负数的使用由来已久，即便是在西方也不例外。负数的足迹在方程求解中处处可寻，最常见的例子是二次方程式。

线性方程（linear equation，如4x-12=0）的求解十分简单，代数学家探索的目光不会过长地停留在它的身上，他们很快就找到了新目标：二次方程。这类方程以数项x2 为发端，如x2 -1=0，与一次方程相比，求解难度更大，因为它有两个不同的根。例如，x2 -1=0就有两个解：1和-1，因为表达式x2 -1可以分解为（x-1）（x+1），无论x是等于1还是-1，都能令该表达式等于0，所以两个根都是方程式的有效正解。

虽然二次方程比线性方程复杂，但它有一个简便的求根方法，那就是著名的二次公式（quadratic formula）。根据该公式，二次方程ax2 +bx+c=0的根，+号与-号两种情况得出两个不同的根。二次求根公式流传于世已有几百年之久，9世纪数学家阿尔·花剌子模几乎通晓所有二次方程的求解，尽管他似乎并未将负数视为方程的根，不久之后，代数学家达成普遍共识，承认负数为二次方程的有效解。虚数的境遇则略有不同。

线性方程中从未出现过虚数的影迹，但在二次方程的领地里，它们却频频现身。思考一下这个方程：x2 +1=0，你会发现，你似乎难以找到一个合适的数字使它成立，不管是代入-1、3、-750、235.23，还是其他任意正数和负数，都不能得到正确的答案。这个表达式无法分解，更糟糕的是，当你试图运用二次求根公式求解时，你将得到两个听起来十分愚蠢的答案：

以上两个表达式似乎毫无逻辑可言。12世纪的古印度数学家巴斯卡拉曾这样叙述道：“负数是没有开平方根的，因为负数并非任何数的二次方。”巴斯卡拉和其他持相同观点的数学家认识到，正数的二次方是正数，比如2乘以2等于4；负数的二次方也会得到一个正数，比如-2乘以-2同样等于4。不管是正数还是负数，抑或是0，它们的二次方乘积都不可能等于负数，而这三者涵盖了整条数轴，这就意味着，数轴上不存在其二次方为负数的数字。因而，负数的开平方根看起来就是一个荒谬无理的概念。

在笛卡儿眼中，这些数字比负数还要恶劣，他给负数的开平方根起了一个充满讥讽的名字：虚数（imaginary numbers）。这个名字就此流传了下来，i最终成为-1的开平方根的符号。

代数学家热爱i，其他人却对它十分憎恶。对于多项式（如x3 +3x+1这类含有不同次幂的x的表达式）的求解，i大有裨益。事实上，一旦允许i成为数字王国的一员公民，所有多项式都能求解：x2 +1可分解为（x-i）（x+i），因此该方程式的根为+i和-i。三次式如x3 -x2 +x-1可分解为三个单项式（x-1）（x-i）（x+i）。四次式（含有x4 的表达式）通常可分解为四个单项式，五次式（含有x5 的表达式）则可分解为五个单项式。一切n次多项式（最高次项的次数为n的表达式）均可分解为n个单项式——这就是代数基本定理（fundamental theorem of algebra）。

早在16世纪，数学家就开始运用所谓的复数（complex numbers，指含有虚数单位i的数字）来实现三次多项式和四次多项式的求解。许多数学家将复数当作实用便利的虚构之物，但有些人从中窥见了上帝。

莱布尼茨认为i是存在与虚无的奇异混合体，在他创建的二进制方案中，i就像1（上帝）与0（虚空）的交叉物。莱布尼茨还将i喻为圣灵，因为两者都是超凡脱俗且虚无缥缈的存在。然而，就连莱布尼茨都未曾意识的是，最终揭露0与无穷之间的联系的就是i。在这种联系真正浮出水面之前，i还将推动数学界的两次重大发展。

点与对点

这些概念既具备人们业已熟知的属性，
也通往普通几何学难以轻易触碰的无穷疆域。
人们将很快察觉到它们的简便性。

——吉恩·维克托·彭赛列

第一项发展——射影几何学——诞生在兵荒马乱的战争年代。18世纪，为了争夺权力，法国、英格兰、奥地利、普鲁士、西班牙、荷兰以及其他一些国家纷纷卷入战争，国家间不断缔结同盟关系，又不断撕毁合约，往复无常。殖民地间的领土争端频频发生，没有一个国家甘愿放弃与新世界的贸易支配权。18世纪上半叶，法国、英格兰和其他欧洲列强小规模冲突不断，在牛顿逝世大约四分之一个世纪后，全面战争最终爆发，法国、奥地利、西班牙、俄国与英格兰、普鲁士交战竟长达九年。

1763年，法国认输，七年战争终于落下血红帷幕。（在正式宣战前，各方已经混战了两年时间。）英格兰取得胜利，一跃成为世界的超级霸主，但同时，它也付出了沉痛的代价。战后的法国和英格兰国力疲敝，举债累累，她们为这场战争承担了相同的后果——革命。七年战争结束十几年后，美国独立战争的第一枪正式打响，这场反抗将令英国失去她最富庶的殖民地。1789年，正当乔治·华盛顿宣誓就任新成立的美利坚合众国总统一职，法国大革命爆发，四年之后，革命分子斩下了法国国王的高贵头颅。

数学家加斯帕尔·蒙日签署了革命政府处死国王的记录。蒙日是一名卓绝完美的几何学家，专门研究三维几何学，负责为建筑师和工程师测量制图：把设计投射到垂直面和水平面，记录并保存日后重建该物体所需的全部信息。蒙日的工作对军队至关重要，因此，他的许多成功都被革命政府以及之后迅速摘取胜果的拿破仑政府归为国家机密。

吉恩·维克托·彭赛列师从蒙日，向他学习三维几何学，后成为拿破仑军队中的工程师，然而，不幸的是，彭赛列入伍的那一年——1812年，正是拿破仑决心进军莫斯科的时刻。

撤出莫斯科时，严酷的冬季和一支同样严酷的俄国军队令拿破仑的铁骑几乎折损殆尽。彭赛列被当作战死者遗留在克拉斯诺耶战场，之后沦为俄军战俘，在漫长煎熬的狱中岁月里，彭赛列创建了一个新的学科：射影几何学。

自15世纪以来，许多艺术家和建筑师，如菲利波·布鲁内列斯基和列奥纳多·达·芬奇，发现并发展了写实绘画的技巧——透视法，彭赛列创立的数学学科就是这类研究的集大成者。绘画里的各“平行线”收敛相交于灭点，这个小障眼法令观察者相信，这些直线从未相交。地板上的正方形一经入画就成了不等边四边形，画中的所有事物都有不同程度的变形扭曲，但观者却觉得它们十分自然顺眼。这就是距离观察者无限远的那个点——无穷远处的0——的能量。

约翰尼斯·开普勒，这位发现了天体的椭圆形运行轨道的天文学家，对无穷远处的点这一概念进行了深一步挖掘。椭圆形有两个中心，或者说焦点（foci），椭圆形越瘦长，两个焦点相离越远。另外，所有椭圆形都具有一个共同的特点：若在一面椭圆形镜子的一个焦点处放置一颗灯泡，灯泡发出的所有光束在经过若干反射之后，都会聚焦于另一个焦点（见图表29）。

图表29：椭圆形中的光线

开普勒在脑海中勾勒出一个椭圆形，并不断拉伸它，把其中一个焦点拖曳得越来越远，然后开普勒假设第二个焦点已在无穷远处，于是，这个椭圆形转眼就变成了一条抛物线，而聚焦于第二个焦点的所有线条也相应转变为平行关系。换言之，其中一个焦点位于无穷远处的椭圆形就是抛物线（见图表30）。

图表30：拉伸椭圆可得到抛物线

你可借助手电筒来厘清其中的道理。假设你走进一间漆黑的屋子，站在一堵墙边，并把手电筒径直指向它，之后，墙上会投射出一个完好的圆形光圈。现在，慢慢令手电筒向上倾斜翘起（见图表31），你会发现，圆圈正渐渐拉伸成椭圆形，并且随着手电筒往上倾斜角度的增大而拉长。最后，椭圆形的一端会在某个瞬间突然打开，变成一条抛物线。因而，开普勒的无穷远点证明了，抛物线和椭圆形实际上是同样的事物。这便是射影几何学科的发端，在这个阶段，数学家们侧重关注几何图形的阴影和投射，力图挖掘一些比抛物线和椭圆形的等价性更具影响力的隐藏真相。不过，想要达成这一目标的前提是，必须接受无穷远点。

图表31：手电筒投射出的椭圆与抛物线

17世纪法国建筑师吉拉德·笛沙格是射影几何学的早期奠基人之一，他利用无穷远点证明了一系列重要的新定理，但笛沙格的同事无法理解他所用的术语，因此武断地认为笛沙格是在胡说八道。尽管他的研究成果也引起了一些数学家如布莱士·帕斯卡的注意，但总归还是没有在历史的长河中激荡出引人瞩目的水花。

对于吉恩·维克托·彭赛列来说，这些都不重要。作为蒙日的学生，彭赛列掌握了将图解投影于垂直面和水平面的方法，而作为战俘，他又有大量的空闲时间，于是，他利用这段狱中时光重新改造了无穷远点这一概念，把它与蒙日的研究结合到一起，就此成为第一个真正意义上的射影几何学家。从俄国归来后（他还从俄国带回了一个算盘，中世纪时在西方也用这种算盘，后来废而不用，因此被人遗忘了，彭赛列这次把它带回国，人们竟还把它当作新奇物件了）。他把这门学科推向了一个新的艺术高度 [1] 。不过，彭赛列全然没有察觉到，射影几何即将撕扯下0的神秘面纱，把它的本质暴露在世人的审视眼光之下，这是因为此时，前文提及的第二项重要进步，复数平面（complex plane），仍未显露真容。现在，让我们回到德国去寻找这一块缺失的关键拼图吧。

卡尔·弗里德里希·高斯出生于1777年的德国，聪慧过人，堪称奇才。他的数学之路始于对虚数的探索，他在博士论文中证明一项代数基本定理：次数为n的多项式（多项式中最高单项式的次数即多项式的次数，二次方程式的次数为2，三次方程式的次数为3，四次方程式的次数为4，以此类推）有n个根。只有同时承认实数和虚数，该定理方能成立。

高斯一生中钻研过许多不同类型的课题，成就之丰硕令人惊叹，例如，他在曲率方面的研究成果便是爱因斯坦广义相对论的关键组成部分，不过，这些都只是高斯通往数学新世界的征途中短暂停留的驿站，他在复数与平面图形之间架起互通的桥梁，从而构建了一个全新的数学体系。

19世纪30年代，高斯认识到，每一个复数（形如1-2i的数字，既包含实数部分，也包含虚数部分）都能在笛卡儿网格中找到对应的位置，横轴代表复数中的实数部分，纵轴则代表虚数部分（见图表32）。这个称为复数平面的简单建构蕴藏着大量有关数字运算原理的信息。以数字i为例，i与x轴之间的角度为90度（见图表33），假如用i乘以i，又会发生什么呢？根据定义，i的平方乘积，即i2 =-1，这个点与x轴之间的角度为180度，也就是说，角度翻倍了；数字i3 等于-i，与x轴之间的角度为270度，角度增至三倍；数字i4 等于1，角度翻转了360度，是原始角度的4倍（见图表34），而这绝非巧合。取任意复数，测量其角度，最终你会发现，该数字的n次幂的角度是其原始角度的n倍。随着数字的次数升高，该数字将呈螺旋形向内或向外移动，移动的方向取决于该数字是位于单位圆（以原点为中心且半径为1的圆）之内还是之外（见图表35）。复数平面中的乘法与取幂运算就此转化为肉眼可观的几何概念，而这就是前文所述的第二次大跃进。

图表32：复数平面

图表33：旋转90度的i

图表34：i的不同次幂

图表35：单位圆内和单位圆外的螺旋状运动轨迹

将这两种思想相互结合的是高斯的学生，格奥尔格·弗里德里希·波恩哈德·黎曼。黎曼把射影几何与复数合二为一，直线旋即变为圆，圆瞬间转化为直线，0与无穷则成为充满数字的球体的两极。

黎曼假设在复数平面的上方有一个半透明的球体，球体的南极与0相触。假如在球体的北极处放置一个小巧光源，那么球体上标注的所有图形都会在平面投射下相应的阴影。赤道的阴影是一个以原点为圆心的圆圈，南半球的阴影落在圆内，北半球的阴影落在圆外（见图表36），原点，即0，则对应南极点。球体上的所有点在复数平面上均有对应的阴影，从某种意义上说，球体上的点等价于它在平面上投下的阴影，反之亦然。平面上的每一个圆都是球体上相应圆圈的投影，而球体上的每一个圆圈都能在平面上找到与之对应的圆——但有一个例外。

图表36：球面投影

假如球体上的圆经过球体的北极点，那么它在复数平面的投影将不再是一个圆，而是一条直线。北极点与开普勒和彭赛列设想的无穷远点十分相似。平面上的直线仅是球体上经过北极点（无穷远点）的圆（见图表37）。

图表37：线与圆是相同的

一旦黎曼意识到，复数平面（附有一无穷远点）和球体实际上是同一事物，数学家们就可以名正言顺地通过分析球体变形或转动的方式来审视乘法、除法或其他更加复杂的运算。比如，乘以数字i等同于球体顺时针旋转90度；以（x-1）/（x+1）替代数字x，相当于把球体整个旋转90度，令北极点和南极点落在赤道上（见图表38、39、40）。最有趣的是，用数字x的倒数1/x取代它，相当于把球体翻转倒置，如同倒映在镜子中，此时，北极点成为南极点，南极点则变为北极点：0成了无穷大，而无穷大则变成了0。换言之，1/0=∞，1/∞=0，而他们皆为球体几何学的固有组成部分。在黎曼球体中，0与无穷大位于正反两极，而且可在瞬息之间调转位置，它们拥有相等而对立的能力。

图表38：黎曼球体

图表39：因i转变的黎曼球体

图表40：因（x-1）（x+1）转变的黎曼球体

复数平面中的所有数字乘以2，就好比将覆于球体表面的橡胶扯离南极点，往北极点的方向拉伸。乘以1/2将产生相反的效果，相当于把覆盖球体表面的橡胶扯离北极点，往南极点的方向拉伸。乘以无穷大，如同在南极点刺入一根针，然后整张橡胶皮都飞也似的朝北极方向猛冲，因为任何数乘以无穷大均等于无穷大。乘以0的情况则像是把一根针狠戳进北极点，于是，所有的一切都朝南极方向涌去，因为任何数乘以0都等于0。无穷大与0对峙两极，势均力敌，而且都一样极具破坏性。

长久以来，0和无穷一直受困于试图吞没所有数字的斗争中。它们端坐在数字球体的正对两极，像小型黑洞一样卷噬着所有数字，如同一个极富摩尼教色彩的梦魇。从复数平面取任意数字——为了论证方便，我们取i/2，然后求它的二次幂、三次幂，甚至四次幂、五次幂、六次幂、七次幂，不断乘下去，会呈旋涡状缓慢趋向0，宛如流入下水道的涓涓水流。如果将数字换成2i，情形又将如何？情况恰好相反。求它的二次幂、三次幂、四次幂，它会如旋涡般向外涌去（见图表41）。而在数字球体上，这两条曲线则如镜像般别无二致（见图表42）。复数平面上几乎所有数字都朝着0或∞围拢而去，这是它们避无可避的宿命，唯一有幸逃脱这一命运的只有位于赤道上的那些数字，如1、-1、i，它们与两极距离相等，同时受到0与无穷大的拉拽，这些数字将永远围绕赤道旋转，永远无法脱离两极的控制。（你可以用计算器模拟这一过程。随意输入一个数字，乘以二次方，然后再次乘以二次方，几次重复操作之后，你会看到数字正急速飙向无穷大或0，除非你一开始输入的数字是1或-1，否则必定不会出现例外情况。）

图表41：在平面上向外和向内旋转

图表42：球体上的镜像

无穷的0

我的理论坚如磐石，每一支射向它的利箭都会很快被反弹回来，转而射向射箭的人。
我是如何知晓这个理论的？哦，我对它进行了透彻的研究……
打个比喻，我曾循着它的根脉，找到了世间万物的永无谬误的创造者。

——格奥尔格·康托尔

无穷从此不再深奥难测，而今的它只是一个普通的数字，一个钉在图钉上亟待数学家剖析的标本。然而，在无穷的最深处，在浩瀚连绵的数字连续统之中，0频频出现。最耸人听闻的一个事实是，无穷本身也可能是0。

昔日，在黎曼领悟到复数平面实则是一个球体之前，诸如1/x一类的分数常令数学家焦头烂额，无从下手。随着x趋向0，1/x的值持续增大，直至无穷。黎曼大大提升了这一事实的可接受性，因为在他的理论体系中，无穷大和其他数字一样，只不过是球体上的一个点，丝毫没有可怖之处。于是，数学家开始着手分析和归纳一类令函数趋于无穷的点：奇点（singularity）。

曲线1/x在点x=0处有一个奇点，这类性质单一的奇点被数学家称为极点（pole）。除此之外，还有其他几种奇点，比如曲线sin（1/x）在x=0处有一个本性奇点（essential singularity）。本性奇点仿佛性情古怪的野兽，在这类奇点附近，曲线会陷入彻底失控的境地，在正数范畴与负数范畴之间来回上下振荡，且越接近奇点，振荡的速度越快。即便是距离奇点很近的区域，曲线仍在不停地横扫过所有你能想象得到的数值区间。尽管这些奇点行为乖张，但数学家业已拨开缭绕在其周围的浓烈迷雾，开始领会解剖无穷的正确方法。

格奥尔格·康托尔是“无穷解剖学”领域首屈一指的专家。他生于1845年的俄国，却在德国度过了他人生的大部分时光。正是在德国，在这片哺育和滋养了高斯和黎曼的土地上，无穷的隐秘最终显露真颜。遗憾的是，德国也是数学家利奥波德·克罗内克的故土，正是他逼得康托尔患上了精神分裂症，最后在精神病院离世。

康托尔和克罗内克的激烈冲突因一个有关无穷的设想而起。可以用一个简单的智力问题来描述这个设想。假设有一个挤满人的巨大体育场，你想知道体育场里是人的数量更多还是座位的数量更多，抑或两者一样多。你可以分别数出人和座位的数目，然后进行比较，但是那样会耗费很多时间。还有一个更聪明的办法，就是让在场的每一个人都就近找一个座位坐下，如果结果剩有空位，说明人少于座位；如果最后还有人站着，则说明人多过座位；如果位子都坐满了的同时又没有人站着，说明两者的数量一样多。

康托尔把这一小窍门推而广之。他假设有两个数集，如果其中一个数集中的数字恰好能够一对一地“坐落”在另一个数集的数字上头，就像一人对应一个座位那样，那么这两个数集的基数（数集所含元素的个数）相等。比如，{1，2，3}与{2，4，6}就是两个基数相等的数集，因为我们可以为它们安排一个完美的座位表，使所有数字妥善“就座”，且所有“座位”无一落空：

但{1，2，3}与数集{2，4，6，8}的基数就不一致

因为8是一个“空位”。

倘若把一一对应的概念推广到无穷数集，情况将变得相当有趣。以自然数集为例：{0，1，2，3，4，5，…}，显而易见，这个数集等价于它自身，所以可以令每一个数字“落座”于它自己上方：

毋庸置疑，每个数集都等于它自身。不过，若我们尝试从数集中移去一些数字，又会出现什么样的情况呢？譬如从整数集中移去0，奇怪的是，移除0并不会改变集合的基数，只要稍微调整一下座位安排，就能保证每个人都有座位，且所有座位都不空置：

即便我们从数集中移除了一些数字，但其基数仍旧维持不变。实际上，我们可以从自然数集中移走无数元素，比如，删除所有奇数，集合的基数却依然如故。依旧满座，依旧无人落空：

这便是无穷的定义：即便从中减去一些元素，其基数仍然维持不变。

偶数、奇数、自然数、整数——所有这些数集的基数相等，康托尔为这个数集的基数取名ℵ0（aleph 0，取自希伯来语字母表的第一个字母）。由于这些数字的集合与自然数（counting numbers）集的基数相等，因此一切基数为ℵ0的数集都称为可数集（countable set）。（当然，这些数集并非真的可数，除非你拥有无限多的时间。）就连有理数 [2] 集也是可数集。康托尔通过一个巧妙的方法证明了，有理数也是一个基数为ℵ0的数集（见附录D）。

不过，正如毕达哥拉斯指出的，有理数并不能展露数字的全部面目，有理数集和无理数集一起方能组成所谓的实数集。康托尔发现，实数集的基数要比有理数集大得多。他的证明过程并不复杂。

假设我们手头已有一份完美的实数座位表：每一个实数都有一个对应的座位且无空置座位，这意味着，我们可以制作一份座位列表，标明每个座位对应的实数。我们制作的列表可能如下所示：

紧接着，康托尔将创造出一个不在这份列表上的实数。

首先，观察一下列表上第一个数字的第一个小数位（小数点后的第一个数字），在我们所举的例子中，这个数字是3。假如新创造的这个数字与列表上的第一个数字相同，那么它第一个小数位也应该是3——但是，我们可以轻易地规避这一点。那么，就假定这个新数字的第一个小数位是2。换言之，既然列表上的第一个数字以3为开端，而我们的新数字以2为开端，那么这两个数字肯定不相等。（严格意义上并非如此，数字0.300000…就与数字0.2999999…相等，因为许多有理数都有两种表示方法。不过这只是小问题，很容易克服，所以为了叙述的简便，我们将忽略这个例外。）

接下来，让我们把目光投向第二个数字。我们该如何确保新数字与列表上的第二个数字不相等呢？很简单，仍旧采用和先前一样的策略就可以了。列表上第二个数字的第二个小数位是8，那么，如果新数字的第二个小数位是7，我们就可以保证新数字与列表的第二个数字不相等，因为只要有一个数位上的数字不一致，两个数字就不能视为相等。接着，改变列表上第三个数字第三个小数位上的数字，然后，更改列表上第四个数字第四个小数位上的数字，之后以此类推。

　座位　实数

1 .3125123…　新数字的第一个小数位为2（与3不相等）

2 .7843122…　新数字的第二个小数位为7（与8不相等）

3 .9999999…　新数字的第三个小数位为8（与9不相等）

4 .6261000…　新数字的第四个小数位为0（与1不相等）

5 .3671123…　新数字的第五个小数位为0（与1不相等）

… …　　　…

于是，我们可以得到一个新数字，.27899…。它：

不等于第一个数（它们第一个小数位上的数字不一致），

不等于第二个数（它们第二个小数位上的数字不一致），

不等于第三个数（它们第三个小数位上的数字不一致），

不等于第四个数（它们第四个小数位上的数字不一致），

并以此类推。

只要以相同的方法沿着对角线持续推行下去，我们就能创造出一个全新的数字，这个过程能够确保它不同于列表上的任意一个数字。如果它不同于列表上的任意一个数字，那么它自然不在列表上——然而，我们制作列表时已经假定了一个前提，那就是这份列表必须囊括所有实数，因为这个表单是完美的。矛盾由此而生。所谓的完美列表根本不可能存在。

实数集是一个基数比有理数集大得多的无穷数集，这类无穷集被称为ℵ1，是第一个得到证明的不可数（uncountable）集。（严格来说，描述实数轴上的无穷数集的术语应是C，或连续无穷。多年来，数学家们一直试图证明C是否就是ℵ1。1963年，数学家保罗·寇恩在哥德尔不完全备定理的帮助下，证明了所谓的连续统假设 [3] 既无法被证实，也无法被证伪。如今，尽管有一些研究，如非康托尔超限数，认为连续统假设存在谬误，但大部分数学家主张该假设为真。）在康托尔的理论体系中，无穷数集不止一个，而且它们的基数并不相同，因此，康托尔创造了超限数（transfinite numbers）来描述无穷数集的基数。其中，ℵ0小于ℵ1，ℵ1小于ℵ2，ℵ2小于ℵ3，以此类推。端坐在这条递推链顶端的是公然挑衅人类的理解能力、势要吞噬所有其他无穷数的终极无限——上帝。

不幸的是，并非所有人对上帝的理解和憧憬都与康托尔一致。利奥波德·克罗内克是一位执教于柏林大学的杰出教授，他曾是康托尔的恩师。克罗内克笃信，无理数或不断增长的俄罗斯套娃式无穷数集等这一类丑陋事物不可能是上帝的创造。整数代表着上帝的纯粹，无理数和其他诡异的数集则通通都是令人憎恶的存在，是有瑕疵的人类思维的臆造之物，而康托尔的超限数更是其中最糟糕的一个。

对康托尔反感至极的克罗内克恶毒地攻击了康托尔的研究成果，使得其论文的发表举步维艰。1883年康托尔向柏林大学申请教职时遭到拒绝，于是，他不得不转而在声名略逊一筹的哈雷大学任教。在柏林大学甚有权势的克罗内克很有可能是这一切的幕后指使者。同年，康托尔撰写了一篇论文对克罗内克的攻击予以辩驳。然而，1884年，压抑沮丧的康托尔终于支撑不住，第一次精神崩溃了。

康托尔的研究开创了一个全新的数学分支——集合论。数学家不仅能够从无到有地创造数字，更重要的是，在集合论的指导下，他们创造了我们前所未闻的一类数字——无限的无穷，它们之间可以像普通数字一样进行加减乘除的运算。康托尔开辟了一个崭新浩渺的数字宇宙。德国数学家大卫·希尔伯特曾这样说过：“没有任何人能将我们从康托尔创造的伊甸园中驱赶出来。”然而，对于康托尔来说，这一切来得太迟了。在他的余生中，他几进几出精神病院，最终在1918年于哈雷的一家精神病院里与世长辞。

在与克罗内克的这场斗争中，康托尔获得了最终的胜利。康托尔的理论表明，克罗内克视若珍宝的整数，甚至是有理数，根本不值一提，它们只不过是一个无穷的0罢了。

在无穷无尽的有理数中任选两个数字，无论这两个数字的数值多么接近，它们之间永远横亘着无垠无边的有理数。有理数无处不在。但是，康托尔提出的“无穷集同样也有数量（基数）上的区别”向世人揭露了，有理数在数轴上占据的空间实际上是多么微渺。

为完成这一错综复杂的运算，数学家运用了一个非常高明的技巧。通常来说，不规则物体是很难测量的。比如，假设你发现家中的木地板上有一小块污迹，那么你该如何算出它的面积呢？如果污渍形似圆形、正方形或者三角形，那么求解应该不难，只需用尺子测量其半径或高和底边。然而，倘若它状若变形虫，现成的求面积公式皆不适用，你又该如何呢？还有另一个方法。

拿一张矩形地毯盖在污迹上面，如果地毯能够完全覆盖污迹，则说明污迹的面积小于地毯；假如地毯的面积为1平方英尺（929平方厘米），那么污迹占据的面积必然小于1平方英尺。如果我们用的地毯越来越小，得到的近似值也会越来越接近真值。假设污迹能够被5张1/8平方英尺大的地毯完全覆盖，我们便能得知，污迹的面积最多只有5/8平方英尺，小于我们先前所取的1平方英尺的近似值。随着地毯越来越小，覆盖层也越来越接近污迹，换言之，各地毯的总面积正趋近污迹的真正面积。实际上，可以把污迹的面积定义为单位地毯面积趋向于0时的极限值（见图表43）。

图表43：覆盖污渍

现在，让我们用相同的手法来处理有理数，只不过这一次地毯换成了数集。比如，数字2.5被一张囊括了2到3之间的所有数字的“地毯”完全覆盖，那么地毯的面积为1。若尝试用类似的地毯去覆盖有理数，将会产生许多怪异的结论。康托尔的座位表方法很快能证明这一点。那张座位表将一切有理数包囊其中，一一为它们指定座位，所以根据它们的座位号码，我们逐一报出这些数字。取第一个有理数，想象它正处在数轴上，此时，我们拿一张面积为1的地毯盖住它，但同时我们也盖住了其他许多数字，不过我们无须担心这一点，只要第一个数字被妥善遮盖，我们的目的就达到了。

现在取第二个数字，并用一张面积为1/2的地毯覆盖它。然后取第三个数字，用一张面积1/4的地毯覆盖它，并以此类推，直至无穷。由于所有有理数无一不在座位表上，因此每一个有理数的身上都铺上了地毯。那么，地毯的总面积是多少呢？——又是我们熟悉的老朋友，阿基里斯求和。将所有地毯的面积相加，将得到表达式1+1/2+1/4+1/8+…+1/2n ，并且当n趋于无穷，表达式的总和等于2。所以，一整套地毯能够完全覆盖数轴上的无穷有理数军团，而地毯的总面积为2。这意味着，有理数占据的总空间少于2单位空间。

就像我们处理污迹问题一样，我们通过缩小地毯的面积以得到更接近真值的有理数“面积”。这一次，我们不从面积为1的地毯开始，我们从面积为1/2的地毯开始，而最终得到的地毯总面积为1，也即有理数占据的总空间少于1单位空间。倘若我们一开始使用的是面积为1/1000的地毯，那么最后地毯的总面积应为1/500，也就是说，有理数占据的总空间少于1/500单位空间。假如我们一开始使用的是面积为1/2原子的地毯，那么我们用来覆盖数轴上所有有理数的全部地毯的总面积将少于1原子。即便是这么小的地毯也能完全覆盖所有有理数（见图表44）。

图表44：覆盖有理数

我们可以随心所愿地令地毯面积变小，只要我们愿意，完全覆盖所有有理数的全部地毯的总面积可以缩小到只有1/2个原子、1个中子、1个夸克，甚至是任何你能想象到的微小事物的大小。

那么，有理数到底有多大呢？我们把它的面积定义为一个极限，即单位地毯的面积趋于0时全部地毯的总面积。同时，我们可以清楚地看到，随着单位地毯的面积越来越小，其覆盖的总面积也越来越小——小到比1个原子、1夸克或者百万分之一夸克还小，即便如此，有理数也能被妥善覆盖。若某事物正永远无止境地变小，它的极限会是什么呢？

0。

有理数到底有多大？它们完全不占据任何空间。这样的结论也许很难接受，但它确实是真实的。

尽管有理数遍布整条数轴，但它们并不占据任何空间。若朝数轴投掷飞镖，它永远都不可能掷中一个有理数。永远。有理数十分微小，无理数则不然，因为我们无法为它们制作一张完备的座位表，然后将它们一一覆盖，永远都会有剩下的未被覆盖的无理数。克罗内克憎恶无理数，但是它们占据了整条数轴的所有空间。

到头来，无穷无尽的有理数无非是一个0。

[1] 彭赛列的射影几何学提出了一个堪称数学史上最古怪的概念之一的对偶原理（the principle of duality）。高中的数学老师应该教过你，两点确定一线，但是，倘若你接受了无穷远点的观念，你会发现，两线总能确定一点。换言之，在一个射影定理中，把点与直线的观念对调，即把点改成直线，把直线改成点，把点的共线关系改成直线的共点关系，所得的命题仍然成立，在这种情况下我们认为，点与线具有对偶二元性。欧几里得几何学中的任意一条定理在射影几何学中都可被对偶二元化，它们在射影几何学的平行宇宙中构建了一套全新的定理体系。

[2] 有理数指可以写成两个整数之比（a/b，且a与b皆为整数）的数字。

[3] 该假设是说，无穷集合中，除了整数集的基数（集合中元素的个数），实数集的基数是最小的。

第7章
绝对0度
［物理中的0］

合理的数学是当一个量很小的时候可以忽略它，
而不是因为它呈无穷大而你又不想要才决定忽略它。

——P.A.M.狄克拉

我们终于弄清楚了，无穷与0是密不可分的，它们在数学中占有举足轻重的地位。数学家别无选择，只能与它们朝夕共处。不过，对于物理学家来说，0与无穷似乎同宇宙的运作方式毫无关联。加上无穷和除以0或许是数学运算的一部分，但并非大自然遵从的规律。

也许，这正是科学家们所期望的。当数学界正如火如荼地研究0和无穷之间的关系时，物理学家也与自然世界中的0不期而遇了。热力学中，0成为一道无法逾越的屏障——可能达到的最低温度；爱因斯坦的广义相对论中，0化身黑洞，一种能吞噬邻近宇宙区域的所有光线和任何物质的骇人天体。量子力学中，0是某种怪异能量来源（它无处不在，无穷无垠，甚至存在于最深的真空里）和一种找不到施力者的幽灵之力的缘由。

0热度

如果你能测量你所说的事物并用数字予以表达，说明你确实对它有所了解；
但是如果你既无法测量它，也无法用数字表达它，
说明你对它的所知是贫乏且难以令人满意的：
它或许是知识的开端，但你几乎没有从思想上达到科学的阶段。

——威廉·汤姆森·开尔文勋爵

物理学遭遇的第一个无可回避的0来自一条已经使用了半个世纪的规律。1787年，法国物理学家雅克·亚历山大·查尔斯发现了这一规律，在这之前，他已经作为氢气球载人飞行第一人而扬名于世。然而，人们之所以记住他并不是因为他的飞行绝技，而是因为一则以他的名字命名的自然定律。

查尔斯和当时的许多物理学家一样，被气体之间各不相同的奇异特性深深吸引。氧气拥有令灰烬一下子燃烧起来的魔力，二氧化碳能让火焰瞬间熄灭，绿色的氯气是致命毒物，无色的一氧化二氮可以使人无端傻笑。不过，这些气体都具有一个共同的基本性质：遇热膨胀，遇冷缩小。

查尔斯发觉这一现象极具规律性和可预测性。取体积相等的任意两种气体，分别置于两个完全相同的气球中，若为它们同步加热，两个气球将一齐膨胀且步调一致。降温的情况亦是如此。而且，温度每升高或降低一度，气体膨胀或缩小的体积比例都是固定不变的。查尔斯定理阐述的就是气体体积与其温度之间的关系。

不过，19世纪50年代，英国物理学家威廉·汤姆森注意到查尔斯定理中有一个怪异之处——0的幽灵。温度降低，气球的体积也随之缩小；温度以一定的速度持续下降，气球也随之以一定的速度缩小，但是气球不可能一直不停地缩小下去。理论上，气体将在某一时刻缩小到再也不占任何空间，查尔斯定理也指出，装在气球中的气体肯定会一直缩小0空间状态。0空间自然是可能达到的最小体积（因为气体肯定不可能占据体积为负的空间）。当气体缩小到这一程度，它就不再占据任何空间。倘若气体的体积与其温度密切相关，既然存在最小体积，那就必然相应存在一个最低温度。气体的温度不可能无限度地降低，因为当气球的体积缩小到最低值，其温度自然也无法再降低分毫。这就是绝对0度（absolute zero）——物体可能达到的最低温度，略高于摄氏温标零下273.15摄氏度。

汤姆森更多地被尊称为开尔文勋爵，而如今通用世界的温标，开氏温标，就是以他的名字命名的。在摄氏温标中，0度是水的凝固点；在开氏温标中，0度指的就是绝对0度。

气体若处于绝对0度状态，则意味着它已耗尽所有能量，但在现实世界中，这是不可能实现的。物体永远不可能降温至绝对0度，只能无限逼近而无法真正达到。利用激光制冷技术，物理学家可以使原子冷却至0上几百万分之一度，但宇宙间的一切事物都在齐心协力地阻止物质真正达到绝对0度，这是因为任何存有能量的物质都势必产生运动和辐射光线。例如，人类是由水分子和一些有机杂质组成的，所有这些原子在空间中不停活动，温度越高，原子运动越活跃。它们之间不断相互撞击，同时带动它们周围的其他原子运动。

假设你正试图将一根香蕉降温至绝对0度。为了耗尽香蕉蕴含的所有能量，你必须令它的原子停止运动，于是你把它放进盒子里并调低温。然而，放置香蕉的这个盒子也是由原子组成的，这些原子同样处于不停运动的状态，它们会撞击构成香蕉的原子，使香蕉的原子重新活跃起来。即便你把香蕉放进一个完美的真空盒子里，令它漂浮于真空中，其原子也不可能完全停止运动，因为粒子具有热辐射，盒子会持续地辐射出光线，撞击香蕉，从而令香蕉的分子再次开始运动。

一切原子——无论是构成镊子、冰箱线圈还是一浴缸液氮的原子——都时刻处于运动和辐射的状态，因此，香蕉必然不断吸收装盛它的盒子、用来进行操作的镊子、降温所用的冰箱的线圈等物体因运动和辐射而产生的能量，你很难用防护层将香蕉与盒子、镊子或者线圈完全隔离，况且，防护层本身也会辐射能量。所有物质都无可避免地受到其所处环境的影响，因此，将宇宙中的任一物质——无论是香蕉、方冰块还是一勺液氦——冷却至绝对0度是一项不可能完成的任务。绝对0度是一道难以跨越的屏障。

从牛顿定律可以品评出绝对0度这一发现的另一种内蕴。牛顿创建的方程等式赋予了物理学家强大的能量，使他们能够准确预测天体的运行和物体的运动。另一方面，开尔文发现的绝对0度则奉告了物理学家何为不能行之事，令他们明白绝对0度仅是一个永远无法抵达的终点。对于物理学界来说，这无疑是个令人失望的消息，但同时，一个全新的物理学分支学科正悄然发轫于此，它便是热力学。

热力学着重研究物质的热性质与能量的转换规律。与开尔文揭示的绝对0度一样，热力学中的许多规则也为科学家们设立了一道道无论如何努力也无法突破的关隘。譬如，热力学向世人宣告了永动机的不可实现性。热切的发明家们不断拿出一张又一张有关某类机器的设计蓝图，令各个物理学系和众多科学杂志应接不暇。这种机器的设计理念令人惊叹，它无须借助任何外界能源便能不断产生能量。不过，热力学法则明确指出，这样的机器是绝不可能存在的——又一道无论如何努力也无法突破的关隘。而且，机器在运作过程中是不可能不损耗能量的，它的部分能量势必以热量的形式挥散至外部环境中。（热力学比赌场还要恶劣，不管你多么用功，你都不可能有盈余，甚至连不赚不赔都是奢谈。）

热力学催生了另一个物理学科——统计力学。通过观察大量原子的共同运动，物理学家可以预测物质的宏观行为规律。比如，对气体的统计描述阐释了查尔斯定理的根由。气体温度升高时，平均运动速度加快，撞击容器壁的力度增大，气体施加于容器壁的压力也随之增大，因而压强上升。统计力学不仅能够阐明物质显露某些基本特质的缘由，更重要的是，它似乎能解析光的本性。

光的本性这一难题业已困扰科学界长达数个世纪。艾萨克·牛顿坚信，光是由来自每个发光物体的微小粒子组成的，不过，随着时间的推移，科学界逐渐达成共识，光并非由粒子组成，实际上它是一种波。1801年，一位英国科学家发现光自身会互相干涉（interference）。这一发现似乎一劳永逸地平息了有关光的本质的全部争议。

所有类型的波都无法避免干涉现象的出现。往池塘掷下一颗石子，水中旋即出现环形涟漪——这就是波。池水上下振动，波峰及波谷以圆环状向外扩散。在池塘中同时掷下两颗石子，它们产生的涟波会彼此干扰，若把两个振荡的活塞沉入同一盆水中，这一现象将得到更清晰的展现。当一个活塞的波峰恰好撞上另一个活塞的波谷时，两者将相互抵消，仔细观察涟波的图纹，可以看到平静、不起波澜的直线纹路（见图表45）。

图表45：水中的干涉图样

光的情况亦是如此。如果光束是透过两个细小缝隙照射进来的，那么势必存在光线照拂不到的区域，即无波区域（见图表46）。（你在家中也可以演示出类似的效果。双手手指交叉，中间留一些容许光线漏过的小缝隙，然后透过其中一条缝隙注视灯泡，你将看到若干条模糊的黑线，特别是在靠近缝隙顶部和底部的地方。这些黑线产生的原因也应归咎于光具有的波动性。）波以这种方式彼此干涉，微粒则不具备此种性质。因此，干涉现象的发现似乎彻底解决了光的本质问题，物理学家们也可以理直气壮地宣布，光不是粒子，而是一种电磁波。

图表46：光干涉

（若你把书本转向一侧并沿着页面看过去，你将在页面上观察到干涉图样）

这就是19世纪中叶人们对于光的认识，而这一主张似乎也与统计力学中的定理法则十分契合。统计力学揭露了组成物质的分子的运动规律，光的电磁波理论则指出，正是这些分子的运动引起了辐射的涟漪——光波 [1] （light wave）。统计力学的研究成果表明，物体温度越高，分子运动就越剧烈；同时，物理学家也指出，物体温度越高，该物体辐射的电磁波能量就越大。这是完全讲得通的。电磁波振荡速度越快，频率就越大，能量也就越高。（而且，频率越高，波长越短，波长即两个波峰之间的距离。）而且，热力学上最重要的定理之一，斯特藩·玻尔兹曼定律，似乎也暗示了分子的运动与光的波动之间的紧密关系，该定理把物体的温度与它辐射的光能量联系在了一起。这是统计力学和光的波动说联袂取得的最大胜利。（玻尔兹曼定律指出，辐射的能量与温度的四次方成正比。它不仅可以告知我们物体辐射了多少能量，还能推算出当一个物体被辐射一定能量时升高的温度。物理学家运用这一定律，加上《圣经·旧约》中的一篇文章，断定天堂的温度为500多开氏度。）

遗憾的是，胜利没有持续很长时间。世纪之交，两位英国物理学家试图应用光的波动说解决一个简单问题，涉及的运算也十分明了。该问题是：一个空腔 [2] 将辐射多少光？通过运用统计力学中的基础公式（阐明分子运动规律）以及其他一些描述电场和磁场的相互作用规律的公式（阐明光的波动规律），他们得出一个描述空腔在任何特定温度下辐射的光波波长的公式。

这个以物理学家瑞利勋爵和詹姆斯·琼斯爵士的名字命名的瑞利·琼斯定律应用良好，在预测高温物体辐射的长波低能量光的数量方面贡献卓越，然而，在高能量光的领域里，该定律举步维艰。瑞利·琼斯定律断言，物体辐射的光越多，波长越短，辐射的能量越高。因此，当波长趋近于0，物体的高能量光的数量应趋向无穷。根据瑞利·琼斯定律，不管温度多高，一切物体通通都在持续不断地辐射无穷大的能量，甚至是冰块也在辐射足以令周遭物体蒸发的紫外线、x射线和伽马射线。这就是后人所称的“紫外灾难”。波长为0意味能量无限，0与无限携手击垮了一个齐整精密的规律体系。解决这一悖论迅速成为物理学界的主要研究课题。

瑞利和琼斯并没有犯错，他们只是运用了一些物理学家公认合理有效的公式，再以恰当巧妙的方式对它们进行处理，最后得出一个答案，但这个答案并不能反映现实世界的运行规律。这些在当时受到广泛认可的定律无情地将我们引领进一个惊悚可怕的世界，在那里，冰块也能辐射出足以把人类文明摧毁殆尽的伽马射线。所以，这些物理定律中必然有一条是错的。但是，究竟是哪一条呢？

量子力学中的0：无限能量

与哲学家眼中等同于虚无的真空相比，
物理学家眼中的真空是一个内涵丰富得多的实体，它蕴藏着所有的微粒和力。

——马丁·里斯爵士

紫外灾难引发了量子革命。量子力学摆脱了传统光理论中的0，从而移除了本该来自世间万物的无限能量。然而，胜利的曙光仍未降临。量子力学中的0指的是整个宇宙，包括真空，充斥着无限数量的能量——0点能量（zero-point energy）。这反过来催生了宇宙中最怪异的一个0——虚无的幽灵之力。

1900年，德国实验者尝试弄清紫外灾难的问题。他们严谨细致地测量了不同温度下物体的辐射，最后宣布瑞利·琼斯定律无法正确预估物体辐射的光的数量。一位名为马克斯·普朗克的年轻物理学者仔细阅读了最新的实验数据，之后的几个小时里，他灵感如泉涌，想出了一条取代瑞利·琼斯定律的新公式。普朗克的公式不仅能够解释新近测量得到的数据，而且一举解决了紫外灾难。此公式不会随着波长减短而向着无限狂奔而去，换言之，能量不会随着波长变短而无限增大，相反，当波长缩短至某一点，能量将停止增长，并开始变小（见图表47）。不幸的是，虽然普朗克提出的公式是正确的，但它产生的后果远比它解决的紫外灾难问题令人困扰。

图表47：瑞利—琼斯定律趋向无穷，而普朗克的公式则保持有限

问题的出现是因为统计力学的常规假设，即物理定律，无法解释普朗克的公式，原有的物理法则必须做出改变方能契合普朗克提出的新公式。后来，普朗克形容自己的所为是“绝望之举”，只有绝望才能迫使一个物理学家鼓起勇气对物理定律做出这样一个看似癫狂的改变——据普朗克所言，在大多数情况下，分子的迁移是不被允许的，只有具备特定能量值的分子才能振动，这些所谓的“特定能量值”只能是某个最小数值的整数倍，这个最小数值被称为能量子（quanta）。分子的能量值不可能介于这些特定能量值之间。

这个假设乍听之下似乎并不是十分怪诞，但关键在于，世界的运作方式并非如此，自然界的运动不是跳跃式的。倘若有人说世界上的人要么5英尺高，要么6英尺（约183厘米）高，不存在介于两者之间的身高，或者说，一辆车一个小时行过的路程要么是30英里（约48公里）要么是40英里（约64公里），但绝不可能是33或38英里，你肯定会觉得，这个人要么是个蠢货要么是个疯子。然而，“量子汽车”的运动规律恰是如此。前一刻，你正驾着车以30英里每小时的速度往前奔驰，此时，你踩了下油门，车辆的行驶速度瞬间突变为40英里每小时，任何介乎两者中间的速度都不被容许存在。要从30英里每小时突变为40英里每小时，你必须完成一次量子跃迁（quantum leap）。同样地，“量子人类”长大成人的过程也不容易，他们会在4英尺这一高度徘徊数年，然后蓦地一蹿，瞬间长到5英尺。总而言之，量子假说违反了我们的一切日常经验。

尽管它似乎与自然的运行规律格格不入，但无论如何，在普朗克的古怪假说——分子振动是量子化的——的引导下产出的公式能够正确预估物体辐射的光的频率。虽然物理学家们很快就意识到，普朗克的公式是正确的，但他们始终无法泰然接受量子假说，因为它实在是太过离奇了。

一个大学入学考试失败的年轻人将彻底扭转这一局面，把量子假说转变成一个不争的事实。阿尔伯特·爱因斯坦，一个26岁的专利局技术员，向整个物理学界郑重阐明，自然的运转方式是量子化的，而不是连续渐变的。此后不久，他将成为一个他曾参与建构的理论的头号反对者。

爱因斯坦看起来并不像一个革命者。当马克斯·普朗克把物理世界搅得天翻地覆之际，阿尔伯特·爱因斯坦正在为一个职位努力奋争。手头拮据的他无奈之下只能暂时在瑞士专利局供职，这与他原本想找的大学助教职位相去甚远。1904年，彼时的爱因斯坦已结婚并育有一子，仍在专利局干着那一份几乎不可能引领他走向伟大之路的工作。不过，1905年的3月，他撰写了一篇论文，正是这篇论文使他最终获得了诺贝尔奖。该论文对光电效应（photoelectric effect）进行了详尽的阐述，令量子力学成为研究的主流。一旦量子力学受到认可，0的神秘力量也将被欣然接纳。

光电效应首次显露真容是在1887年，当时，德国物理学家海因里希·赫兹发现，紫外线光束可以令金属盘冒出火花，也就是说，当光束照射在金属上，电子会外溢。对于经典物理学家来说，这一现象实在十分费解。紫外线是具有高能量的光，于是，科学家自然而然地推断道，需要耗费相当多的能量才能激发电子使其脱离原子。但是，根据光的波动理论，提高光的亮度也能使光获得高能量。比如，一道非常明亮的蓝光蕴含的能量可能和一道黯淡的紫外线一样多，因此，耀眼的蓝光应该也能将电子打出金属表面，就像黯淡的紫外线光束所做的那样。

但实验结果表明，事实并非如此。即便是极其昏暗的紫外线（高频率）光束也可以激发电子使其飞逸出金属表面，然而，若降低光束的频率，即令光束逐渐转换为红光，一旦它低于某个临界阈值，火花瞬间湮灭。无论光束多么光亮夺目，只要其颜色不合宜，所有的电子都会稳当地待在金属中，无一逃逸。如果光的波动理论成立，这样的现象就不该出现。

爱因斯坦化解了这个窘境，消除了光电效应带给人们的困惑，但他的解决方法比普拉克的假说更具革命颠覆性。普拉克提出，分子的振动是量子化的，爱因斯坦则主张，光是由一颗一颗的光子（quanton）组成的光子流，其能量负载于光子，换言之，光的能量分布形式并不是均匀连续的。这个观点与当时公认的光理论相冲突，因为它意味着，光不是一种波。

然而，如果光的能量确实如爱因斯坦所言，是以“一包一包”的形式存在的，那么光电效应带来的困惑将迎刃而解。射向金属表面的光如同一颗颗子弹，当子弹击中电子，会对它产生一个推力，如果子弹蕴含的能量足够多（即光的频率足够高），就能击出电子，使其脱离原子的束缚；如果组成光的微粒蕴含的能量不足以推动电子逸出，电子将留在原地不动，光子则飞掠而过。

爱因斯坦的大胆假设出色地解释了光电效应。光的波动说已经在物理学界岿然屹立了超过一个世纪的时间，爱因斯坦主张的“光是由量子化的光子组成的”这一观点与它截然对立。事实上，后来的物理学研究表明，光既具有波的本质，同时也蕴藏着粒子的特性，有时表现得像波，有时又表现得像粒子。光既不是波，也不是粒子，而是两者的综合体。这样的概念也许十分叫人费解，但它是量子理论的核心所在。

量子理论认为，一切物质，包括光、电子、光子、小狗，都具有波和粒子的双重性质。然而，所谓的“波和粒子的双重性质”究竟是什么呢？数学家知道该如何描述：他们采用波函数（wave function）来描写微观物质的波粒二象性状态，波函数是微分方程——薛定谔方程的解。遗憾的是，基于数学语言的描述并不具备直观意义，将这些波函数具象化是近乎不可能达成的任务 [3] 。更糟糕的是，当量子力学的种种复杂特性被物理学家逐步揭露，古怪的事情开始层见叠出，其中最诡异的一桩或许是由量子力学方程公式中的一个0引起的——0点能量。

这股怪异的力量交织在量子宇宙的数学等式中。20世纪20年代中期，德国物理学家沃纳·海森堡发现，这些方程等式中包藏着一个可怕的结论——不确定性。海森堡的不确定性原理便是这股虚无之力的缘起。

不确定性这一概念与科学家描绘粒子状态的能力有关。譬如，假如我们想要找出某一指定粒子，我们就必须确定它的位置和速度。海森堡的不确定性原理却告诉我们，我们做不到，虽然这件事情看上去十分简单。不管我们如何竭力用功，我们都无法同时确定粒子的位置和它的速度，因为测量某个东西的行为会不可避免地干扰那个事物，从而改变它的状态。

为了测量某件事物，你必然会对它造成一定的刺激。比方说，假设你正在测量一支铅笔的长度，你可以伸展手指沿着笔身作估测，然而，你极有可能会碰到铅笔，不经意间轻推了一下它，从而稍许扰乱了铅笔的速度。还有一个更好的办法，那就是拿一把尺子小心翼翼地放置在铅笔近旁，但事实上，对比两个物体长度的过程同样会细微地改变铅笔的速度。我们之所以能看见铅笔，是因为照在铅笔上的光经铅笔发射进入了我们的眼睛，也就是说，光子撞上铅笔后被反弹了出来，尽管撞击产生的推力极其微弱，但仍会稍许改变铅笔的速度。不管你采用什么方式测量铅笔，在这过程中你总会对它产生力的作用。海森堡的不确定性原理表明，我们永远不可能同时精准地测量出铅笔的长度——抑或电子的位置——及其速度。实际上，对粒子的位置掌握得越精准，就越难了解它的速度，反之亦然。假如你确凿无误地定位了电子的所在，即你确切知道在某一特定时刻电子在哪里，那么，你必定对它的速度一无所知；反过来，假如你0误差地掌握了粒子的速度，那么，你对其位置的估测必定错漏百出，或者说，你压根不可能知道它在何处 [4] 。你永远无法同时知晓这两者，如若你对其中一个有所了解，那么你对另外一个的认知必定蕴含着不确定性——这是另一条颠扑不破的法则。

海森堡的不确定性原理不止适用于人类的测量行为。与热力学的定理一样，该原则也能诠释自然本身。不确定性令宇宙盈满无限能量。假设在宇宙空间中有一个极其微小的盒状容器。若要分析此时盒内的状态，我们可以提出许多设想。比方说，我们能够大致了解盒子里的粒子的位置，因为它们不可能跑出盒子外，它们的活动范围只能局限于此容器内。此时，由于我们对粒子的位置有所了解，根据海森堡的不确定性原理，我们对粒子速度——或者说能量——的认识势必怀有不确定性。当容器的体积越缩越小，我们对粒子能量的了解也越来越少。

这一主张在无垠宇宙的每个角落都能成立——不管是地球的中心抑或是苍穹最深处的虚空，这意味着，对于某个体积充分小的物质，甚至是真空所蕴含的能量，我们始终无法确切知晓。对真空蕴藏的能量多寡怀有不确定性，这听起来实在十分荒谬。按照定义，真空即空无一物的空间，不存在粒子，不存在光，不存在任何物质，因此，真空也不应该具有能量。然而，按照海森堡的主张，我们不可能无误掌握在某一时刻一定体积的真空所蕴含的能量数量。一小块体积的真空所蕴含的能量必定时刻处于波动状态。

那么，空无一物的真空怎么可能具有能量呢？答案就藏在另一条公式中——爱因斯坦著名的质能公式E=mc2 。这个简洁的公式把质量同能量联系了起来：物体的质量等于一定数量的能量。〔实际上，粒子物理学家从不用一般的质量或重量单位如千克、磅等来表示电子的质量，他们会说，电子的静止质量为0.511MeV（一兆电子伏特）——电子伏特为能量单位。〕真空中的能量波动与质量波动其实是一回事。基本粒子不断在真空中出现而后消失，周而复始，犹如一只只小型版的柴郡猫 [5] 。真空从来都不是“真”的“空”，它充斥着虚粒子（virtual particle），在真空中的任意一点，都有无数的虚粒子突然成堆出现然后消失。这就是0点能量，存在于量子理论公式中的无限。根据量子力学中的公式推理，所有煤矿油田储存的能量远比0点能量多得多，世界上全部核武器所储存的能量就蕴藏在你家烤箱的内部空间里。

若等式中出现无限的踪影，物理学家通常会认为，中间肯定有什么差错，因为无限不具有物理上的意义。0点能力也不例外，大多数科学家完全无视它的存在，假装0点能量就是0，虽然他们心知肚明，0点能量是无限。这样的虚构假设十分实用，而且通常无关紧要。然而，在某些情况下并非如此。1948年，两位荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔和德克·波尔德首次发现，0点能量并非在所有情况下都能忽略不计。两位科学家在研究原子之间的力时发现，他们的测量数据与公式推算的结果并不吻合。在寻求解释的过程中，卡西米尔觉得他切实地感受到了那股来自虚无的力量。

这股力的秘密就潜隐在波的性质中。古希腊时代，毕达哥拉斯留意到了在弹拨乐器上来回击荡的波具有的独特行为特征，即某些音调可以出现在乐曲中，而其他一些却不被容许。毕达哥拉斯弹拨一下单弦琴，得到一声清脆鸣响，其音调称为基础音调，然后他把手指移至琴弦的中间位置，再次拨动琴弦，得到另一声动听音响，但这次的调子比基础音调高了8度。若把撩拨音弦的位置再下移1/3，又会奏出另一个悦耳音调。但是毕达哥拉斯察觉到，并不是所有音调都能自如出现。他随意地在琴弦的不同位置上弹拨，却很少能弹奏出清晰明亮的音调，只有少数音调能在琴弦上奏响，大多数都被排除在外（见图表48）。

图表48：吉他弦上的禁止音调

物质波与琴弦波相差无几。就像某特定尺寸的吉他弦难以弹奏出所有音调一样——一些波动被“禁止”出现在琴弦上——某些粒子的波动也不被容许出现在盒子中。比如，使两个金属薄盘紧紧靠在一起，此时，不是每一种粒子都能进入它们的内部，只有那些波动与盒子的大小相容的才被允许进入（见图表49）。

图表49：卡西米尔效应

卡西米尔意识到，被禁止进入的粒子波会影响真空的0点能量，因为每一处都有粒子在瞬息之间生灭变迁。如果两个金属薄盘贴得很近，而某些粒子又被排除在外，不予进入，那么金属板外的粒子将多于金属板之间的粒子。未经削弱的粒子将挤压金属板外壁，加之两块金属板间的粒子未得到完全补充，最终两个金属薄盘会逐渐靠近，即便是在最深的真空也不例外。而这种生于虚无的力量就是真空的力量。这就是卡西米尔效应。

尽管卡西米尔体会到的这股从无而生的力量神秘得犹如科幻小说中的造物，但它的的确确是真实存在的。它十分微弱，因此很难测量，但在1995年，物理学家史蒂文·拉莫尔奥克斯直接测验捕捉到了卡西米尔效应。他把两个镀金薄盘放在灵敏的可移动测量装置上，观察它需要耗费多少力才能抵消卡西米尔力对两个镀金薄盘产生的压力。实验的结果大约等于蚂蚁重量的三万分之一，与卡西米尔的理论预测一致。也就是说，拉莫尔奥克斯成功测量到了真空产生的力。

相对论中的0：黑洞

（星体）像柴郡猫一样消失得无影无踪。
一个只留下了它的笑容，而另一个则留下了它的万有引力。

——约翰·惠勒

量子力学中的0赋予了真空无限的能量，另一个伟大的现代物理学理论——相对论中的0则创造了另一项悖论：无限虚无的黑洞。

与量子力学一样，相对论也缘起于光的研究。这一次引起纷争的是光的速度。对于宇宙中大多数物体的运动速度，并不是每个观察者都持相同的看法。比如，假设有一个小男孩正在往不同的方向扔石子，一个正靠近他的人感受到的石子速度显然要快于一个正远离他的人感受到的石子速度，石子的速度似乎取决于观察者的运动方向与速度。同样地，光的速度应该也取决于观察者是朝向发光的灯泡奔跑还是背离它远去。1887年，美国物理学家阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷试图测量这一效应，实验结果令他们十分困惑。测量数据证明，不同方向上的光的速度是相同的，并无二致。那么，这又是怎么一回事呢？

1905年，年轻的爱因斯坦再一次给出了答案，而且，他提出的简单假说再一次引起了物理学界的巨大震动。

爱因斯坦提出的第一个假设似乎相当浅显易懂。他认为，如果有许多人正在观测同一个物理现象，比如一只乌鸦飞往一棵大树，那么物理定律对于每一个观者来说都是相同的。假如有两个观察者，一个站在地上，另一个则坐在一辆运行轨迹与乌鸦平行的疾驰火车上，把两人的观察笔记做一番对比，你会发现，他们对乌鸦和大树的运动速度的看法并不一致，但飞行的最后结果是相同的：几秒钟之后，乌鸦到达大树。两个观察者在这一点上达成了共识，虽然他们对一些细节的看法略有差异。这就是相对论。（我们在这里讨论的是狭义相对论。狭义相对论对探讨的运动类别有所限制，它要求每个观察者必须做匀速直线运动，换句话说，他们不具备加速度。广义相对论则没有这些限定条件。）

第二个假设则有些令人费解，尤其是它貌似与相对论相矛盾。爱因斯坦假定，无论观察者自身的运动速度是多少，对于他们来说，真空中的光速都是相同的，该速度以字母c表示，大约为3亿米每秒。如果有人拿着手电筒照向你，光就是以c的速度朝你冲涌而去，不管拿着手电筒的人是静立不动还是正靠近你抑或是远离你，从你的角度看——以及从其他所有人的角度看，光束运动的速度都是c。

这一假设挑战了物理学家关于物体运动的普遍观点。倘若乌鸦的运动类似于光子，那么站在地上的观察者和坐在火车上的观察者对乌鸦飞行速度便能取得一致意见，那就意味着，两位观察者对乌鸦何时抵达大树的看法将出现分歧（见图表50）。爱因斯坦意识到有一个方法可以解决这个问题：基于不同观察者的速度，时间的流动也会产生变化。也就是说，火车上的时钟一定比静止于地面的时钟转得慢，地上观察者经历的10秒对于火车上的观察者而言大概只有5秒长。对于一个急速飞奔的人来说，情况也是如此，他的计秒表或许只嘀嗒流过了1秒，但静立的观察者会觉得时间肯定不止过去了1秒。如果一名宇航员以9/10光速的速度进行了一次长达20年（根据他随身携带的计时器的记录）的太空旅行，当他重归地球时，他应该和人们预期的一样年长了20岁。然而，留在地球上的人已经老了46岁。

图表50：乌鸦的恒速意味着时间必定是相对的

随物质运动速度的变化而变化的不止时间，还有长度和质量。物体的长度和质量会随着其速度的上升而相应变短、增加。例如，在9/10光速的速度下，1英码长的标尺可能缩水到只有0.44英码，一袋1磅的白糖或许会激升至2.3磅——从静止的观察者的角度看。（当然了，这并不意味着你可以用这袋白糖烘焙出更多的饼干，从白糖的角度看，它自身的质量并没有任何变化。）

时间流动的这一可变性特质或许有些难以理解，但它是可以被观察到的。当一个亚原子粒子以极速运动时，它存活的时间将长于其预期的衰减所需时间，因为它的时钟指针减缓了流逝的脚步。一个计时非常精准的钟表若乘上一架疾驰如风的飞机，其指针旋转的速度同样也会有所迟缓。爱因斯坦的理论成立了。不过，成功的表象之下还暗伏着一个棘手的问题——0。

宇宙飞船的速度越趋向光速，时间的流逝就越缓慢。假如飞船以光速遨游于太空，那么船上时钟的1秒就相当于地上的无穷秒。在0点几秒内，数以十亿计的岁月转瞬即逝，在这倏忽间，宇宙或许已经迎来了它的最终宿命，在大爆炸中湮灭了。而对于飞船上的宇航员来说，时间静止了，时间的流动被归为一个乘以0的运算。

好在要停下时间的匆匆脚步并非易事。随着宇宙飞船的速度增加，时间的流动确实变得越来越慢，但同时，宇宙飞船的质量也正逐渐增大，就像推动一辆婴儿车，车上的婴儿正越变越大，很快便长成了相扑选手——要推动一个相扑手可不容易。你推着婴儿车越行越快，但婴儿已然重得像一辆卡车，然后是战舰、行星、恒星、银河系……婴儿越来越重，你的推力所起的作用便越来越小。宇宙飞船的情况亦是如此。飞船不断加速，越来越接近光速，但不久之后，它已太过沉重以致再也无法向前推进。宇宙飞船——或其他任何具有质量的物质永远都不可能达到光速，光速只是一个极限值，只能无限迫近而无法真正实现。自然筑起自卫的堡垒，躲过了来自这个不守规矩的0的侵害。

然而，即便是对大自然而言，0也有些过于强势了。当爱因斯坦把相对论推广至重力时，他从未想过他新提出的这些方程式，即广义相对论，将勾勒出终极之0的轮廓以及释放出最凶猛的无限——黑洞。

爱因斯坦的方程将时间和空间视为同一种事物的不同方面。我们已然习惯性地认为，只要加速，空间中运动的方式旋即发生改变，或加速或减速。但爱因斯坦提出的公式表明，加速度不仅改变了物体穿越空间的方式，而且还改变了其在时间维度上的运动方式，它可以加速或减慢时间的流动。因此，当赋予某物体一个加速度，即向它施加一个外力，可以是重力也可以是巨型的象鼻状宇宙柱的推力，那么该物体在空间和时间，即时空间的运动将发生转变。

“时空”是个不易领会的概念，但我们可以用一个类比来帮助理解。时间和空间就像一个巨大的橡胶板，行星、恒星和其他一切天体都坐落在这块橡胶板上，并且会令它稍许弯曲，我们把这种弯曲称为“曲率”（curvature），而曲率会产生引力。坐落在橡胶板上的物体质量越大，橡胶板的弯曲程度越大，在物体周围激起的涟漪就越大，引力就是物体卷入涟漪的倾向。

橡胶板的曲率不仅是空间的曲率，同时也是时间的曲率。大质量的天体不仅会引起附近空间的弯曲，也会引起时间的弯曲，随着曲率的增大，时间的流逝会变得越来越迟缓。同样的情况也发生在物体的质量上。经过十分弯曲的空间区域时，物体的质量将显著增加，这种现象称为物质膨胀（mass inflation）。

这个类比解释了行星运行轨道的形成缘由。以地球绕太阳来说，太阳的质量决定它附近时空的曲率，地球受此曲率的影响就会以近乎椭圆形的轨道绕日运行。恒星附近的光不沿直线、而沿曲径传播，1919年英国天文学家亚瑟·爱丁顿爵士在一次远征途中观测到了这一现象。爱丁顿在观察日全食期间测量了太阳附近某颗星星的位置，捕捉到了爱因斯坦所预言的时空曲率，证实了他的理论（见图表51）。

图表51：万有引力使经过太阳周围的光线发生弯曲

爱因斯坦还预言了一种更加凶险的物质实体——黑洞。这种天体密度奇大，任何物体都无法从它周围逃脱，甚至连光也不例外。

和所有天体一样，黑洞的产生也始于一团巨大的高温气体（主要是氢气）。如果由其自生自灭，足够庞大的气团会在自身重力的作用下迅速收缩坍塌，把自己碾压成一个密实的星体。对于人类而言幸运的是，并非所有恒星都会继续塌陷，因为在其内部还有另一股力与之抗衡——核聚变。但是，一旦恒星坍塌，其温度和密度皆急剧升高，氢原子相互猛烈碰撞，最后，由于恒星的温度及密度过高，氢原子全部黏合在一起，发生聚变，产生新元素氦，并释放大量能量。这股能量从恒星中心喷涌而出，使恒星少许膨胀。在其存在的大部分时间里，恒星都处于一种不稳定的危险平衡状态，恒星内部氢原子聚变产生的能量与恒星自身产生的、令恒星有坍塌倾向的万有引力相抗衡，以维持恒星结构的稳定。

但这种平衡终有被打破的一天，恒星内部可供聚变的氢原子数量有限，一段时间之后，聚变反应减弱，平衡摇摇欲坠。（这个过程持续时间的长短取决于该恒星的大小。具有讽刺意味的是，恒星越大，内部的氢原子越多，其寿命越短，因为它的焚烧更加炽烈。太阳还剩下大约50亿年的燃料，对此我们不应盲目乐观，因为在这之前，太阳的温度将逐渐升高，届时汪洋蒸腾，大地龟裂，地球将变成和金星别无二致的不宜居荒漠。人类要是还能在地球栖居10亿年，我们就该暗自庆幸了。）经过一系列旷日持久的垂死挣扎（事情的具体进展次序取决于恒星的质量），恒星的聚变熔合引擎终于停工，恒星则在其自身万有引力的催压下坍塌瓦解。

一条名为泡利不相容原理的量子力学法则保护物质不被自身碾碎成末。不相容原理由德国物理学家沃尔夫冈·泡利发现于20世纪20年代中期，该原则的大概内容是，在同一地点同一时刻不可能同时存在两个事物，特别是永远不可能迫使两个量子态相同的电子进入同一位置。1933年，印度裔物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡发现，在对抗重力挤压方面，泡利不相容原则能力有限。

恒星承受的压力增大时，据不相容原理所言，内部电子将加快运动速度以免相互碰撞，但是速度存在极限，电子的运动速度不可能快于光速。也就是说，当物质所受压力增大到一定程度，使电子速度增至极限，那么，该物质只能直面最终命运——坍塌。钱德拉塞卡指出，只要恒星质量大于太阳的1.4倍，恒星就拥有足够大的万有引力击溃泡利不相容原则。换言之，一旦恒星质量超出这一所谓的“钱德拉塞卡极限”，电子再无力阻止恒星的坍缩，因为恒星的万有引力实在太过强大，电子只能无奈放弃抵抗，而后猛烈地撞向质子，并生成中子。于是，庞大的恒星变成了一个巨型的中子集合而成的球体——中子星。

进一步的演算推断，当发生坍缩的恒星仅稍微超过钱德拉塞卡极限，其产生的中子间的压力（与电子的压力相似）可以少许延缓后续坍缩的进程，这就是中子星的情况。此时，恒星密度很大，一茶匙重达亿万吨。然而，中子能够承受的压力也是有限度的。一些天体物理学家主张，只要再施加一点挤压便能令中子星解体，新生成一种名为夸克星（夸克是中子的构成成分）的星体。它是最后的要塞据点，此后，所有的一切都将分崩离析。

当一个质量极其巨大的恒星发生坍缩，它的最后结局是从此消失。万有引力过于强大，以致物理学家所知道的宇宙中的一切力都无法与它抗衡，不管是电子间的互斥力还是中子间的压力，抑或是夸克之间的压力，皆不能阻止恒星的坍塌。垂死的恒星越缩越小，越缩越小……最后变成0。恒星将自己挤压聚集成占据空间为0的一点——这就是黑洞，一个充满矛盾的物体，一些科学家甚至坚信人类可以利用黑洞进行超光速以及时光倒流的旅行。

黑洞的奇特属性的关键之处在于扭曲时空的方式。黑洞完全不占据空间，但它有质量，因此它会引起时空弯曲。一般来说，这不会引发什么大问题。越接近质量重的恒星，时空曲率就越大，但是，一旦越过恒星外缘，曲率便再次减弱，并于恒星中心降至最低点。黑洞则不然，黑洞是一个不占据空间的点，所以它没有所谓外缘，也没有地方供弯曲的空间再次展平。越趋近黑洞，时空曲率越大，且丝毫没有减缓的趋势，因为黑洞不占据任何空间，因此曲率终将趋向无穷，黑洞将在时空中撕裂出一个空洞（见图表52）。黑洞的0是一个奇点，是宇宙构造中的一个裸露创口。

图表52：与其他天体不同，黑洞会在时空结构上撕开一个洞

又一个难以理解的概念！光滑而连续的时空可能存在裂缝，但是，裂缝中的情况我们无从知晓。爱因斯坦对奇点这一观点深感不安，以致他断然否认黑洞的存在。但这一次他错了，黑洞是切实存在的。然而，黑洞的奇点实在太过邪恶危险，因此大自然一直设法遮掩它的存在，不让任何人窥见黑洞中心的那个0。大自然中有一个“宇宙监督员”。

这个监督员就是万有引力。若你朝上扔石子，石子将在地球重力的作用下坠回地面，然而，假如你投掷石子的速度足够快，它便不会落回地面，而是急速上升直至冲出地球的大气层，逃离地球引力的势力范围。这就是NASA（美国国家航空航天局）发射火星探测器的粗略原理。天体表面上物体摆脱该天体万有引力的束缚飞向宇宙空间所需的最小速度称为逃逸速度（escape velocity）。黑洞的密度之大，以致其逃逸速度竟然快于光速。由于黑洞的万有引力拉力过于强大，空间过于弯曲，因此当物体接近黑洞，进入所谓的“视界” [6] ，就再无力逃脱，甚至连光也难逃此劫。

尽管黑洞也属恒星类别，但它发出的光无一能够穿越视界并成功逃离，这就是黑洞之所以“黑”的原因。观察黑洞奇点的唯一方式是自己亲身穿过视界去看一看。不过，即便你身着坚固非凡的航天服，可以保护你不被拉扯成一根太空面条，你也不会有机会跟别人分享你的所见所感，因为一旦进入视界，无线电信号便不可能再逃离黑洞的引力魔爪——其实你也一样。飞越视界的边缘就如同跃下宇宙的边沿，踏出一步，前方就是万劫不复。这就是宇宙监督员的威力。

尽管大自然极力为黑洞奇点打掩护，但科学家还是察觉到了黑洞的存在。在人马座的方向、银河系的中心就有一个特大质量的黑洞，其质量相当于250万个太阳，天文学家业已观测到在其周围曼舞的群星，只不过它们的舞伴是一位我们看不见的隐形人。尽管黑洞不可见，但它周遭天体的运动轨迹却昭示了它的存在。虽然科学家可以探测到黑洞的存在，但坐落在其中心的那个0，即奇点却依旧隐蔽在视界的重重守卫之后，从未显露真颜。

其实这是一件好事。倘若没有视界，没有宇宙监督员努力遮掩奇点使它不暴露在众目睽睽之下，那么将会出现一些非常怪异的事情。理论上，借助一种称为“虫洞”（wormhole）的结构，没有视界包围住的裸奇点（naked singularity）可以令超光速航行和穿越时间的时光旅行成为现实。

让我们重新回到上文提及的橡胶板类比。奇点是一个曲率无穷大的点，是时空结构中的一个空洞，而在某些特定情况下，这个空洞是可以被延展的。譬如，数学家计算出，若黑洞处于旋转状态或负有电荷，其奇点将从一个点、一个时空中的一个微小空洞延展成为一个圆环。根据物理学家的推测，可能存在空间隧道将两个相隔遥遥的环状奇点连结起来，而这个隧道就是虫洞（见图表53）。穿过虫洞可到达空间上的另一地点，也有可能出现在时间轴上的另一节点。单从理论上讲，虫洞既能够在瞬息之间将你传送到半个宇宙之遥的另一处空间，也能够让你在时间河流上来回穿梭（见附录E），你甚至可以穿越到过去，在你母亲邂逅你父亲之前找到她并将她亲手杀死，但如此一来，这个世界上也就不会有你的存在了——于是，悖论出现了。

图表53：虫洞

虫洞是广义相对论方程中的0引起的一个悖论。虫洞究竟是否真实存在，目前我们不得而知，但NASA肯定希望它是存在的。

不劳而获的利益？

世上没有免费的午餐。

——“热力学第二定律”

NASA希望在0中找到星际航行的秘诀。1998年，NASA召开了一次题为“第三个千禧年间的物理学”的专题研讨会，会上科学家对虫洞的价值、曲速引擎、真空能量引擎及其他超前沿课题展开了热烈的讨论。

太空旅行的难点在于，推力无处可倚。游泳时你往后推水，于是水会反过来对你施加一个向前的作用力，助你破浪前行。走路时你的脚对地面施以向后的推力，于是地面将相应产生一个向前的反作用力，令你快步朝前。在太空中，却没有物质可以成为施加向后推力的着力点，你自可以尽情划桨，但这艘船将不会移动分毫。

火箭自身携带产生推力的原料。快速涌出的空气能使气球在房间顶部飞绕，同样地，火箭燃料在引擎处焚烧，热气流从火箭尾部高速向后喷出，利用产生的向前反作用力可推进火箭升空。然而，这个方法代价高昂且缺乏效率，即便是现代对化学燃料发动机的改进，比如利用电力产生向后推力，也无法提供足够的动力在合理的时间内将探测器送往稍远的星球。就算只是前往最近的天体，耗费的燃料总量也十分庞大。

NASA突破性推进物理学计划负责人、物理学家麦克·米利斯将克服这一难关的希望寄托在0的物理性质上。遗憾的是，从短期来看，黑洞的0，即奇点仍未在可实现的候选之列。一方面，创造虫洞所需的裸奇点难度奇高；另一方面，裸奇点极有可能将宇航员彻底撕扯成碎片。1998年，两位来自耶路撒冷希伯来大学的物理学家指出，旋转或负有电荷的黑洞即便拥有“友善的”环形奇点，其大规模的膨胀对于宇航员而言也是致命的因素。当你落在奇点上，黑洞的质量似乎正逐渐增长至无穷，引力的拖拽太过猛烈，倏忽间，你的躯体就将被拉扯得支离破碎。可见，虫洞对于宇航员的生命危害极大。

虽然黑洞中心的0无法为人类的星际旅行提供一个安全无虞的通道，但量子力学中的0投下了一缕曙光：0点能量也许是飞船燃料的最佳选择。在此，我们将暂时离开物理学的主流，一探它的边缘地带。

据米利斯所言，宇航员或许可以像迎风航行的水手一样，利用真空中的能量驱动飞船前进。“我想对卡西米尔效应作个类比。当你将两个金属薄盘紧贴在一起时，你可以感受到来自真空的辐射压力。”他如此说道，“不管如何，只要能从真空中获得不对称的力，就可以把这一不对称的力化为推进力。”遗憾的是，迄今为止发现的卡西米尔效应都是对称的，两个金属薄盘皆受到压力，并向彼此靠近，其中一个的活动必对另一个产生大小相等、方向相反的作用力。然而，假如存在某种量子风帆以及单向镜，单向镜在风帆的一边反射虚拟粒子的同时令它们不受妨碍地通过另一边，那么，真空能量便能推动整个物体朝不受反射的那一边移动。米利斯也承认，目前还没有人知晓该如何实现这一设想。“这个装置的具体建造还未有理论支撑。”他遗憾地表示。

问题在于，物理法则认为不劳而获、无中生有是不可能实现的。舰船减弱了风速，量子风帆则势必降低真空能量。但是，真空能量 [7] 又怎么可能降低呢？

得克萨斯大学奥斯汀分校的高级研究学院主任哈罗德·巴索夫坚信，量子风帆必将改变真空的属性。“（巴索夫于1974年在《自然》杂志发表论文，声称证明了尤里·盖勒和其他通灵人士确实可以在不借助双眼的情况下，看清极远处的物体。这一结论不属于科学的主流观点。）真空将衰退至更低的能量状态。”巴索夫说道。倘若真是如此，那么量子风帆就只是一个开端，我们甚至可以制造出只以0点能量为驱动的引擎，而这种引擎的唯一缺点是，会引发宇宙构造的缓慢崩塌。

它可能还会摧毁整个宇宙。

毋庸置疑，真空具有能量，卡西米尔效应就是最好的证据。但是，真空能量是否真的就是物理系统可能存在的最低能量呢？如果答案是否定的，那么真空中可能暗伏着重重危险。1983年，两位科学家在《自然》发文指出，随意玩弄、操纵真空能量可能会引发宇宙的自我毁灭。文章声称，我们的真空或许是一个“错误的”真空，它表现出的能量状态是反常的，就好像一个在山顶摇摇欲坠的小球。如果给真空施加一个足够大的推力，它可能会滚下山坡，即降至一个稍低的能量状态，而我们全然无力阻止它的下降。我们将释放出一团以光速膨胀的巨大能量，引发一连串毁灭性事件，而构成人类及万物的每一个原子也都将在这场大灾难中分崩离析，毁灭殆尽。

好在这个设想成为现实的概率微乎其微。我们的宇宙自诞生伊始已存在了数十亿年，不太可能一直处于一个如前文所描绘的不稳定状态，因为如果真是那样的话，宇宙射线的碰撞早就“点燃”真空、引发灾难了。但这未能完全打消一些信徒——其中也有物理学家——的疑虑，他们在费米国立加速器实验室之类的高能物理学实验室外示威抗议，因为他们笃信，高能碰撞可能导致真空的自发崩塌。即便这些担忧是有根据的，利用0点能量驱动宇宙飞船似乎依然是一件不可能完成的任务。不过，巴索夫坚信他有办法从真空中提取能量。

从理论角度讲，即使是在宇宙真空的最阴冷的角落，即使是在绝对0度下，科学家都能够借助卡西米尔效应获得能量。两个金属薄盘因吸引力相击紧贴于一处时会产生热量，而热量又能转化为电力。然而，两个金属薄盘必须被再次撬分开，这一步骤所耗费的能量远多于它们在吸引力的作用下紧贴于一处时产生的能量。大多数科学家认为，这一事实击碎了以真空能量为推动力的永动机构想，但巴索夫宣称，有几个办法可以解决这个困境，其中一个是用等离子体替代金属薄盘。

等离子体是带电粒子的气体状物质，就卡西米尔效应而言，它的作用与金属薄盘相差无几。就像薄盘会在压力的作用下紧靠在一起，传导的柱状气体也会遭到真空0点涨落产生的作用力的压缩。与金属薄盘不同，要制成等离子体只需一束电流，而且，与需要再次分离金属薄盘不同，我们只要把等离子体“灰烬”丢弃即可。他谨慎宣称，采用这种办法所产出的能量是所投入能量的30多倍。“我们是有实验证据的，而且我们还拿到了专利权。”巴索夫称。不过，巴索夫设计的装置只是一系列“自由能”机器中的一种，而在过去，这些所谓的“自由能”机器没有一种经得起严格的科学审查测试，这一利用0点能量的装置想必也不例外。

在量子力学和广义相对论的理论框架中，0拥有无限的威力，因此人们努力想要挖掘它的潜力。但就眼下而言，无中似乎难以生有。

[1] 指电磁波谱中的可见光。

[2] 用于产生黑体辐射的实验室装置。

[3] 试着把波函数（严格来说，应该是波函数的平方）视为一种测量的手段，它可以预测在某时刻某位置发现粒子的概率。比如说，空间中的一个电子的运动轨迹已被人为抹去消除，而你正试图通过测量找出它目前的位置所在，此时，波函数可以帮你测算出你在空间任意一个给定点找到该电子的概率。但爱因斯坦非常反对这样的处理方式，他的名言“上帝不会掷骰子”就是他对量子力学及其推崇的概率性的驳斥。然而，对于爱因斯坦来说很遗憾的是，量子力学的法则在实际应用中十分有效，传统经典物理学根本无法为量子效应提供合理的解释。

[4] 准确来说，海森堡的不确定性原理谈及的并非粒子的速度，而是粒子的动量，这一物理量与速度、运动的方向以及粒子的质量有关。不过，在本文的阐述中，动量、速度，甚至能量几乎可以互换使用。

[5] 柴郡猫是英国作家路易斯·卡罗尔创作的童话《爱丽丝漫游奇境记》中的虚构角色，形象是一只咧着嘴笑的猫，拥有能凭空出现或消失的能力，甚至在它消失以后，它的笑容还挂在半空中。

[6] 黑洞的边界称为视界。

[7] 在量子力学中，真空能量与0点能量是等义词，是量子力学所描述的物理系统会有的最低能量。

第8章
0点0刻
［时空边缘的0］

他们似乎各不相同：
世间没有哪一双眼眸能够看清
他们此后命运的交接点。

——托马斯·哈代《合二为一》

现代物理是两个巨人的奋斗史。广义相对论支配着“非常大”的宏观领域：宇宙间最庞大的物质，如恒星、太阳系和银河系。量子力学统治着“非常小”的微观领域：原子、电子和亚原子微粒。这两大理论看似能够和平共处，对宇宙不同层面的物理法则分别做出规定。

遗憾的是，某些横跨两个领域的事物的存在使得两个国度并非总是界限分明。黑洞的质量极其巨大，因此它们受相对论相关定律的制约；同时，黑洞占据的空间又极其微小，因此它们隶属量子力学的领域。两套理论体系在黑洞的中心猛烈碰撞，冲突由此而起。

无论是在量子力学还是做相对论中都能瞥见0的身影，它存在于两个理论的交会之处，也是它引发了两个理论的矛盾之争。在广义相对论的方程中，黑洞是一个0；在量子理论的数学运算中，真空能量是一个0。大爆炸，这个宇宙史上最扑朔迷离的事件在两套理论体系中皆为0。宇宙来自虚无——两套理论在试图解释宇宙起源的时候双双遭到了挫败。

为了理解大爆炸，物理学家必须将量子力学与相对论结合起来。在过去的几年间，他们已有所进展，创建了一个庞大的理论体系以解释万有引力在量子力学方面的性质，为科学家开启了一扇崭新的窗口，一窥我们栖身的宇宙的起源之谜。而他们所要做的就是消除0。

事实上，关于宇宙万物的理论就是关于虚无的理论。

0的放逐：弦理论

问题在于，当我们试图进行与0距离相关的运算时，方程式就彻底失灵了，
只能给出一些毫无意义的答案，比如无穷大。
自量子电动力学出现伊始，这个问题就带来了许多麻烦，
对于想要测算的每一个问题，人们最后都只能得到无穷这个答案。

——理查德·费曼

广义相对论与量子力学注定互不兼容。广义相对论中的宇宙是一块光滑的橡胶板，连续而流动，没有锋利尖锐的棱角；而量子力学描绘下的宇宙却是急促而间断的。0，是两套理论的交叠之处，同时也是它们分歧的缘由。

质量巨大的黑洞充塞于体积为0的空间中，致使周围区域无限扭曲，它的无穷之0在光滑的橡胶板上刺出一个空洞。广义相对论的方程对此等尖利锋锐的0束手无策。在黑洞的范畴里，空间与时间毫无意义可言。

量子力学也处于类似的困境。这个难题与0点能量息息相关。量子力学的定律将电子之类的微粒视为一个个点，也就是说，它们不占据任何空间。电子是0维物体，其类似于0的本质使得科学家无从得知电子的质量或者电荷量。

乍听之下，这个说法似乎十分荒谬。科学家对电子质量和电荷量的测量研究在一个世纪前早已完成，他们怎么可能对此一无所知呢？答案就潜藏在0中。

科学家在实验室观测到的电子，即物理学家、化学家及工程师熟知且热爱了数十年的电子，其实是个冒牌货。它不是真正的电子。真正的电子隐匿在某种微粒的掩护之下，这种微粒每时每刻都在经历着量子的起伏涨落，持续地成堆出现、而后消失，循环往复。真空中的电子间或吸收和释放这些粒子中的某一种，比如光子。微粒的蜂涌出现使得电子质量和电荷量的测量困难重重，因为这些微粒会影响测量的精确度，它们宛若一层面罩牢牢遮掩住电子的本来面貌。“真正的”电子比物理学家观测到的电子稍微重一些、携带的电荷量也多一些。

如果可以再靠近一点，科学家或许能更好地掌握电子的真正质量和电荷量；如果能发明一种精微的装置，探入微粒云团中近距离地接触电子，科学家就可以将它们看得更清楚些。根据量子理论，随着测量装置经过位于云团最边缘的几个虚粒子，科学家将观测到，电子的质量和电荷量有所上升；随着探测仪器经过越来越多的虚粒子，越来越接近电子，观测到的电子质量和电荷量势必逐步上升。探测仪器必须经过无穷多的粒子，才能最终抵达终点，与电子0距离接触，于是，探测到的电子质量和电荷量必定趋向无穷。换言之，根据量子力学的法则，0维的电子具有无穷大的质量和电荷量。

与处理0点能量的手法类似，对于电子无穷大的质量和电荷量，科学家选择了无视。计算电子的真正质量和电荷量时，他们不追求与电子的0距离接触，只是任意选择一个距离便停了下来。一旦某个科学家恰好选到了一个合适的距离，之后与电子的“真正”质量和电荷量有关的所有运算都将采用这一数据。这个过程称之为“重整化”（renormalization）。“我认为这是一种近乎癫狂的处理方法。”物理学家理查德·费曼如是写道。不过，帮助费曼拿到诺贝尔奖的正是他提出的重整化优化方案。

0在广义相对论的光滑橡胶板上刺出了一个破洞，同时，它也抚平和延展了电子集中在尖角处的电荷，为它们笼上一层薄雾。然而，由于量子力学关注的都是诸如电子一类的0维微粒，因此严格来说，量子理论中所有微粒与微粒之间的互动都涉及无穷，因为它们都是奇点。譬如，两个粒子融合时将相遇于某一个点，这个点是一个0维奇点。而这个奇点无论是在量子力学还是广义相对论中都是毫无意义的。0一手扰乱了两个伟大理论的研究工作，因此，物理学家决定摆脱它。

要想摆脱0并不是一件容易的事情，因为它一再出现于时间和空间中。黑洞是0维的，电子一类的微粒亦是如此。电子和黑洞都是真实存在的，物理学家不可能大手一挥就把它们抹除殆尽。但是，科学家可以赋予黑洞和电子一个额外的维度。

这就是弦理论创建的缘由。该理论诞生于20世纪70年代，当时物理学界开始领会到将每一个粒子视为一根振动的弦而非一个点的好处。假如把电子（以及黑洞）当作一维物体（比如圈状的闭合弦）而非0维物体（比如点）来对待，相对论和量子力学中的无穷将会奇迹般地消失匿迹。例如，重整化引发的争议，即电子的无穷质量与电荷量，将彻底平息。0维的电子之所以拥有无穷大的质量和电荷量是因为它是一个奇点，随着与它的距离越来越近，测量结果也相应地急速趋向无穷。但是，假如电子是圈状的闭合弦，那么它就不再是一个奇点，这就意味着它的质量和电荷量不会趋向无穷，因为不再需要经过无数的微粒才能靠近电子。因此，当两个微粒合并时，它们无须融合于一个奇点，它们可以在时空中组合形成一个光滑而连续的表面（见图表54、55）。

图表54：点状微粒创造出奇点

图表55：弦状微粒则不会

在弦理论中，不同粒子均视为同一种弦，不同的只是它们的抖动方式。宇宙中的所有物体都是由这些长10-33 厘米的弦组成的，把它的大小与一个中子的大小进行对比就如同拿中子与我们定居的太阳系相比那样悬殊。从我们人类的角度看，圈状的闭合弦就像一个点，因为它们实在太小了。比这些弦还小的距离（和时间）将不再重要，它们不具备物理意义。弦理论就这样把0驱逐出了宇宙，再也不存在0距离或0时间。量子力学中所有与无穷相关的难题就此迎刃而解。

对0的放逐同样解决了广义相对论中的无限问题。若把黑洞想象成一段弦，物体通过裂缝落在时空结构上的情况就再也不存在了。相反，靠近黑洞弦的微粒弦伸展开去，并与黑洞弦接触，两段弦颤抖着撕裂，而后融汇形成一个圈——一个质量增加了少许的黑洞。（一些理论家坚信，微粒与黑洞的融合会产生其他一些怪异的粒子，如超光速粒子。这种粒子拥有虚质量 [1] ，速度超过光速，可以进行时光旅行。这一类粒子在弦理论的某些变体理论中是可接受的。）

将0移除出宇宙，这一举措听起来似乎十分激进，但弦处理起来确实比点容易得多。通过消除0，弦理论消弭了量子力学中不连贯的颗粒性特质，修补了广义相对论中黑洞撕裂开的创口。这些问题解决之后，两大理论从此告别了水火不容的冲突时代。物理学家开始相信，弦理论将把量子力学和相对论融合为一个统一的整体，并形成一套量子引力理论——一套旨在解释宇宙间所有现象的理论。然而，弦理论本身也存在一些问题。首先，它需要至少十个维度才能建立一个理论框架，让引力与量子力学互相兼容。

对于大多数人而言，仅是四维空间都有一个是多余的。四维空间中的三个是我们能够轻易感受到的：左右、前后和上下，这代表了三个我们可以移动的方向。当爱因斯坦指出时间与这三个方向的相似之处时，第四个维度浮出水面。我们与公路上疾驰的汽车一样，沿着时间之轴不停移动。相对论认为，就像我们可以改变汽车在公路上行驶的速度一样，我们也可以改变我们在时间轴上的移动速度——在空间穿梭的速度越快，在时间上移动的速度也就越快。为了领略爱因斯坦构筑的宇宙世界，我们必须接受，时间就是空间的第四维度。

四维空间尚算可以理解，但是10维空间该如何应付？我们可以测量四个维度，但其他六个维度呢？根据弦理论，它们被卷裹成球状，但由于太微小，所以难以看清。你拿起一张纸，它似乎是二维的，只有长度和宽度而没有高度，然而，如果你把它置于放大镜下观察，就会发现其实它是有高度的，只不过它实在太过微小，因而在正常情况下难以察觉，只能借助工具来观察。对于其他六个维度也是同样的道理，它们过于细微，因此在日常生活中我们觉察不到它们的存在，其实，即便是在不久的将来可能制造出的最尖端的设备，也无法探测到它们。

这六个额外的空间维度意味着什么呢？不意味着什么。它们无法用于量度我们熟知的一切事物，如长度、宽度、高度或时间，它们仅仅是数学层面的建构，只为弦理论能够完成它所需要的数学运算。同虚数一样，我们无法看到它们、感受到它们，也无法闻到它们，它们的存在只是数学运算的需要。从物理的角度看，这是一个十分古怪的概念，但勾起数学家的兴趣的并非这些方程式的可理解性，而是其预测能力。要观测到这个额外的六维空间也许非常困难，但在数学上，六维空间并不是不可克服的难题。（到了今天，似乎连十维空间也不是什么难题了。在过去的几年间，物理学家意识到在某种程度上，许多看似相互矛盾的弦理论变体其实是同一回事。科学家也发觉，正如彭赛列发现的点、线对偶原理，这些理论之间也是相互对偶的。如今，科学家认为，所有这些相互抵触的理论存在一个共同的庞大理论根基——M理论。该理论构筑在11维空间的基础上，而非10维空间。）

弦（或者称为膜）十分微小，因此当下的任何仪器设备都无法捕捉到它们的影迹，至少得等到人类文明向前跃进一大步之后才有一丝可能实现。粒子物理学家采用粒子加速器来观测亚原子领域：他们利用磁场或其他手段令粒子增速，这些粒子发生碰撞之后会喷射出许多碎片。粒子加速器就是一台对准亚原子世界的显微镜。粒子获得的能量越多，这台显微镜的功效就越强大，能观测到的粒子就越微小。

超导超大型加速器（the Superconducting Super Collider）是一个斥资高达数十亿美元的大型研究设施，原计划于20世纪90年代初期完工，建成之后将是世界上最强大的粒子加速器。按计划，它将建成一个长约54英里（约87公里）、配备超过10,000个超导电磁体的环形设备，规模大致相当于华盛顿的环城公路。然而，它的规模还远远不足以帮助我们一窥弦的真貌，若想观测到弦或卷缩的额外维度，我们需要建造一座周长600万亿英里（约966万亿公里）的粒子加速器。即便是以光速飞驰，一个粒子也需要至少1000年才能绕完该设备一圈。

眼下没有任何仪器能够实现科学家直接观测弦的愿望，也没有人有能力设计一个可以确切证明黑洞和粒子究竟是不是弦的实验。这是弦理论的首要缺点，因为科学的根基就在于观察与实验，所以有些批评者就尖锐地指出，弦理论只是一门哲学而非科学。（一些新近的理论主张在这些卷缩的维度中，有一些可能长达10-19 厘米甚至更大，如此一来，它们就属于可实验的范畴了。但就目前而言，这些理论并不被认可，只能看作一些有趣的言论。）

牛顿的万有引力定律与运动定律为物理学家开拓了一条解释宇宙中天体和物体运动轨迹的渠道，每新发现一颗彗星，就为牛顿力学增添一份新的佐证。它也存在一些问题，比如水星的运行轨道就与牛顿的预测有细微差别，但就总体而论，牛顿的理论体系还是经受住了一次又一次的严酷考验。

爱因斯坦的理论修正了牛顿犯下的一些错误，比如它解释了水星运行轨道的“偏移”现象。同时，这些理论还对万有引力的运作方式做出了可试验的种种预测，爱丁顿在一次日全食中观察到的星光弯曲证实了其中的一个。

而弦理论则是将一些现已存在的理论以一种巧妙的方式结合在一起，并对黑洞和微观粒子的运行规律做出预测，但这些预测既无法通过观测得到证实，也无法通过实验进行确认。弦理论或许不存在数学层面的矛盾或漏洞，甚至在数学上它是十分美丽的 [2] ，但它仍然还称不上是一门科学。

在可预见的未来，把0驱逐出宇宙世界的弦理论都将只是一个哲学理念而非科学定理。弦理论或许是无比正确的，但我们可能永远都找不到证明它的途径。0还未被放逐，事实上，创造了宇宙的可能正是0。

第0个小时：大爆炸

哈勃的发现暗示存在一个叫作大爆炸的时刻，
当时宇宙的尺度无穷小，而密度无穷大。
在这种条件下，所有科学定律、所有预见将来的能力通通失效了。

——史蒂芬·霍金《时间简史》

宇宙诞生于0。

在一片虚无中，一场惊天动地都不足以形容的大爆炸凭空爆发了。这场爆炸催生了构成整个宇宙的所有物质和能量。对于许多科学家和哲学家而言，大爆炸这一事件是个可怕的梦。天体物理学家们花了很长一段时间才最终达成一致，认同我们的宇宙是有限的，并且它是有一个起点的。

对于有限宇宙这一观点的偏见由来已久。亚里士多德拒绝承认宇宙是诞生于虚无的，因为他坚信虚空并不存在。但这引发了一个悖论。如果宇宙不可能源自虚空，那么在宇宙诞生之前，肯定有某些东西漂浮于空中，也就是说，在我们栖居的这个宇宙形成之前，必定还有一个宇宙。亚里士多德的面前只剩下唯一一条道路可以指引他走出这个窘境，那就是坚信宇宙是永恒的。在过去它一直存在，在未来它也不会湮灭。

圣经则宣称宇宙有限且创生于虚无，并预言了它究极的毁灭宿命。西方文明不得不在亚里士多德和圣经之间做出抉择。尽管闪米特人建构的圣经宇宙最终推翻了亚里士多德的无垠世界，但是直到20世纪，“宇宙是恒定不变、无始无终的”这一观点却从未彻底消亡。就连爱因斯坦也受其影响，犯下了他自称的“职业生涯中最大的错误”。

在爱因斯坦看来，广义相对论有一个严重的缺陷——它预言了宇宙的终极命运。根据广义相对论的方程式，宇宙处于不稳定的状态，它只有两个选择，而且两个选择都令人十分懊丧。

第一个可能性是宇宙将在自身引力的重压下坍塌。随着宇宙体系越来越小，其热量会越来越高。它炽烈灼人的辐射将焚毁所有生灵，构成物质的所有原子也逃脱不了在烈火中湮灭的宿命。最终，宇宙将焚毁于炎火，坍缩成一个类似于黑洞的0维小点，然后永远消失。

另外一个可能性则更为严酷。宇宙将处于无休止的膨胀状态，星系之间的距离越来越遥远，驱动各种能量反应的天体变得越来越稀疏。天体的能量逐渐焚烧殆尽，星系的光芒慢慢黯淡下来，冷意裹挟着寂静席卷而来。构成天体但业已冷暗的物质将衰变消失，只留下几缕稀薄的辐射能在宇宙空间均匀蔓延。宇宙将变成冷寂昏暗之境，最终亡于冰霜。

对于爱因斯坦而言，这些结论无疑令人胆寒。与亚里士多德所持观点类似，他也认为宇宙处于亘古不变的静止状态。为了避开毁灭的结局，唯一的出路是对他提出的广义相对论进行“订正”。爱因斯坦在原有的广义相对论方程中强行加入一个“宇宙常数”（cosmological constant），宇宙常数的拉力能够中和抵消万有引力，使宇宙保持静态平衡，避免坍缩或膨胀而亡，但遗憾的是，这个力的存在从未得到任何验证。强行假定一个神秘之力的存在实在是一个绝望而疯狂的举动。“我再次犯下与引力理论有关的重罪，人们也许会把我关进精神病院。”爱因斯坦如此写道。宇宙即将走向毁灭的结论令爱因斯坦焦灼难安，如潮的忧虑迫使他不得不迈出这惊心动魄的一步。

爱因斯坦当然没有被送往疯人院，因为他以往提出的理论比这个还要怪异百倍，而且最后的事实证明他是完全正确的。不过这一次，幸运女神没有朝他伸出眷顾之手。天体本身亲手摧毁了爱因斯坦建构的永恒不变的宇宙。

20世纪伊始，银河系是我们仅知的宇宙，天文学家对于我们栖居的这个落满尘埃的小星尘盘之外的世界几乎一无所知。纵然天文学家也观测到了一些发光的旋涡状星云，但他们绝对有理由相信，它们只是银河系中的发光气团。然而，到了20世纪20年代，美国天文学家爱德文·哈勃颠覆了这一切认知。

一类称为“造父变星”（Cepheid variable）的天体具有的一种特殊属性能够帮助哈勃测量遥远物体的距离。造父变星进行周期性脉动，其亮度也以可预测的方式进行周期性变化，它变星脉动的方式与其释放的光线总量密切相关。这类已知光度的天体被统称为“标准烛光”（standard candles），是哈勃利用的关键工具。

它们宛若火车头顶熠熠闪光的前灯。当火车朝你驶来，随着它离你越来越近，它的前灯在你眼中也便越来越亮。假如车头灯是标准烛光，即你知道车头灯释放的光线总量，那么你就能够掌握它在特定距离时的亮度——离你越近，亮度越高。反之亦然，倘若你了解火车车头灯放射的光线总量，那么只需测量其表现的亮度，你就能计算出火车与你之间的距离。

哈勃的做法与之完全一致。他观测的恒星大多距离地球数十、数百甚至数千光年之远，但他在当时称为仙女座大星云的旋涡状气团中发现了一颗闪烁光辉的造父变星，他测量了它的亮度并计算出这团星云与我们之间的距离，发现它竟在一百万光年之遥，也就是说，它远在银河系之外。事实上，仙女座不是一团发光的星云，而是一群恒星，只不过它们离我们实在过于遥远，因而看起来像是一团光斑，而非独立散布的点点星光。其他旋涡状星系甚至更为渺远。如今的天文学家认为宇宙直径可达150亿光年，各类星系团布满了宇宙的各个角落。

这是一个令人惊诧的发现，宇宙竟比人们之前估计的要大上数百万倍。虽然这个观测结果震惊世人，但它不是哈勃最重要的研究成果。哈勃的第二项发现一举击碎了爱因斯坦的永恒宇宙论。

哈勃借助造父变星测量了一个又一个星系与我们之间的距离，但他很快便注意到一个叫人惊恐的现象——所有星系都正在高速远离银河系，速度达每秒数百英里，甚至更快。由于它们的位置过于遥远，所以即便是如此飞快的速度也难以直观察觉。

记录星系逃离速度的唯一方法是借助多普勒效应（美国州级警察使用的雷达枪支也是依据这一原理设计的）。你也许已经注意到，火车呼啸而过时，其鸣笛的音高是时刻变化的。火车靠近时，汽笛声音调很高；一旦它经过你的身侧飞驰而去，汽笛的音调旋即大幅下降。这是因为火车会撞上在它前方的声波，声波被压缩，于是声波频率变快，音调变高；同时，火车会拉伸在它后方的声波，使其变长，于是声音频率变慢，音调变低（见图表56）。这就是多普勒效应，它也适应于光。恒星朝地球运动时，光受到压缩，波长减短，频率变高，在光谱线上向蓝端的方向移动，这便是蓝移现象（blueshifted）；恒星远离地球时，情况正好相反，光在光谱线上朝红端方向移动，称为红移现象（redshifted）。

图表56：多普勒效应

警察通过检测行驶车辆反射的光的偏移程度来判断车辆的速度，同样地，天文学可以通过观测恒星辐射的光在光谱线上的偏移程度推定恒星的速度以及判断它究竟是在靠近还是在远离我们。

哈勃将距离数据与多普勒速度数据结合在一起，得到了一个惊人的结论。星系不仅以高速朝各个方向远离我们，而且距离我们越远的星系，远离的速度越高。

怎么会这样呢？假设有一个带圆点花纹的气球，散布的圆点好比是各个星系，气球则为时空结构。若气球膨胀，各圆点便相互远离。站在其中某个圆点的角度看，自然会觉得其他圆点正离它匆忙而去，且距它较远的圆点的远离速度快于距它较劲的圆点（见图表57）。宇宙仿佛就是一个正在膨胀的气球。（这个气球的类比有一个缺点。气球膨胀时，其上的圆点也会随着胀大，但星系则不然，其大小在自身万有引力的紧缚下保持不变。）

图表57：膨胀的宇宙

随着时间的流逝，宇宙正逐渐膨胀。从另一个角度看，假设有一部关于宇宙历史演变的影片，若我们将它倒放，则会看到宇宙正在渐渐缩小。气球越变越小，在某一时刻萎缩至凋敝状态，最终缩小成一个点，而后消失。这个点就是时空发端的那个奇点。它是最原始的0，是宇宙的诞生地——大爆炸，一次创造了宇宙的猛烈爆炸。正是这个奇点喷射出了整个宇宙的所有物质和能量，创造了现已存在的以及将来可能存在的所有星系、恒星和行星。我们的宇宙是有一个起点的，距今已有150亿年之久，从形成之时起，宇宙的空间就处于不停歇的膨胀状态。爱因斯坦关于宇宙永恒静止的希望几近破灭。

尚存的一线希望付托在一个称为“宇宙恒稳态学说”的理论上。它是大爆炸理论的替代方案。一些天文学家声称，宇宙中存在许多类似喷泉的源头，它们不停地向外喷射新的物质，星系逐渐迁离这些源头，随后慢慢衰老、消亡。尽管个别星系会膨胀衰亡，但整个宇宙的总体图象是始终如一的。宇宙不断膨胀，又不断创造出新的物质，从而始终保持物质分布上的均匀状态（密度不变）。亚里士多德的永恒宇宙论再次保留了一丝生机。

曾有一段时间，大爆炸理论和恒稳态理论并肩共存，天文学家根据自己信仰的哲学理念在两个阵营之间做出选择，直到20世纪60年代中期，这一平衡才被彻底打破。一种被科学家误认为鸽子粪便的事物扼杀了恒稳态学说。

1965年，普林斯顿大学的几个天文学家正尝试计算出大爆炸之后的宇宙形态。那时，宇宙的温度和密度必然极高，并且伴有灼目的亮光，而亮光不会随着宇宙的膨胀而消失，相反，它随着时空的延展而延展。经过一系列的运算，普林斯顿大学的物理学家们得出，这些光必须落在光谱中的微波频段，而且它们必须来自四面八方。他们称这些光为“宇宙背景辐射”（cosmic background radiation），并认为它们就是大爆炸的余晖。而正是它们，将为物理学家提供第一份证明“大爆炸理论是正确的而恒稳态理论是错误的”的证据。

普林斯顿科学家们的预言在不久之后便得到了证实。新泽西州莫里山附近的贝尔实验室的两位工程师在他们的调试高灵敏度微波探测设备时发现，无论他们如何修正，设备就是无法正常工作，总是会发出一阵“咝咝咝”响的微波背景噪音。起先，他们以为是天线上的鸽子粪便影响了设备，于是他们赶走了鸽子、清理了粪便，然而那阵噪音依旧没有消除。他们将能够想到的所有干扰因素一一排除，但仍旧无功而返。后来，他们听说了普林斯顿科学家做出的预言，立即意识到他们发现了宇宙背景辐射。那些噪音不是什么鸽子粪便，而是大爆炸时代遗留的光的呐喊，它们在几经延展扭曲之后，变成了耳语般的嘶嘶声响。（工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊因这一发现获得了诺贝尔物理学奖，而普林斯顿的物理学家鲍勃·迪克和P.J.E.吉姆·皮布尔斯却颗粒无收，在许多科学家看来，诺贝尔委员会倾向于奖励艰苦细致的实验成果而非重要的理论发现，这其实是十分不公平的。）

人们终于捕捉到了大爆炸的痕迹，静态宇宙的神话宣告破灭。虽然宇宙有限的观念并不讨人喜欢，但物理学家们终究还是接受了大爆炸的说法，并认同宇宙是有起点的。不过，这一理论并非没有缺陷。首先，宇宙中有许多块状物，三五成群的高密度星系之间间隔着广阔的虚空。同时，这些团块结构又不会过于集中，宇宙从各个方向看上去还是大致相同的，所有物质不至于被卷成一团。如果宇宙诞生于一个奇点，那么大爆炸释放的能量要么均匀分布于气球的每个角落，要么裹卷成一个块状物；因而，气球要么色彩匀称，要么只有一个巨大的斑点（而不是分布着圆点图案）。团块结构恰到好处的四散分布一定不是出于偶然，那么其原因又是什么？还有一个更费解的疑问，即大爆炸的奇点究竟从何而来？所有的秘密都归结于0。

真空中的0或许能为宇宙的团块结构做出解释。由于宇宙真空的各处都充溢着虚粒子的量子泡沫，因此宇宙盈满了无穷的0点能量。在适当的条件下，这股能量可以推动物体进行位移，在宇宙形成的早期，或许就是它们将各天体推移分开的。

20世纪80年代，物理学家提出，早期宇宙中的0点能量应大于现阶段的0点能量，而额外的能量也许曾试图朝四方扩散，并高速推动时空结构往外扩张。能量的巨大喷发使得气球快速膨胀，就像大股灌入的空气可以消弭气球的皱褶一样，这些能量同时也抚平了宇宙中的棱角起伏。宇宙的相对平滑得到了合理的解释。但是，起初几分钟里的真空是一个错误的真空，它的0点能量大得有些异常，而0点能量的过高能量状态使得它十分不稳定，因此这个错误的真空很快——在百万分之一又百万分之一又百万分之一又百万分之一秒内——便崩坍并转化为真正的真空，所谓的真正真空就是我们如今在宇宙中观测到的真空。就像一壶被快速加热至巨高温度的水，咕噜咕噜地冒着“真正真空”的气泡并以光速向外扩散。这些气泡中的某一个或连在一起的几个就裹卷着我们今天观测到的宇宙。这些不断形成并融合的膨胀气泡的不对称特质可以为宇宙的不对称性提供解释。根据这一膨胀理论，星辰与星系是由非0值的0点能量创造的。

0也许还掌握了宇宙诞生的秘密。正如真空的虚无与0点能量孕育了微观粒子，它们也可能孕育了宇宙。量子泡沫以及粒子的自发性生灭或许解释了宇宙的起源。宇宙兴许只是极大规模的量子涨落——诞生于终极虚空的巨大单个粒子。这个宇宙卵会爆炸、膨胀，并最终创造了宇宙的时空结构。或许我们的宇宙仅是众多涨落中的一个。一些物理学家认为，黑洞中心的奇点就是通往大爆炸以前的原始量子泡沫的窗口，换言之，在时间与空间皆无意义的黑洞中心处的泡沫正无休止地创造出无数的新宇宙，它们沸腾、膨胀、生成属于它们自己的星辰与星系。0中可能蕴含着我们的诞生之谜——以及其他无数宇宙的诞生之谜的终极答案。

0之所以如此强大，是因为它有能力令物理定律错乱失灵。在大爆炸发生的第0秒、在与黑洞0距离的地带，用来描述世界的数学方程通通变得毫无意义可言。0不可以被忽视。它不仅掌握着我们为何存在的秘密，还对宇宙的终结负有直接责任。

[1] 即其质量的平方为负数。

[2] 没错，数学可以是“美丽的”，也可以是“丑陋的”。就像我们很难描述究竟是什么使得一段乐曲或一幅油画具有美感，同样地，我们也很难描述是什么赋予数学定理和物理理论以美感。美丽的理论应是简洁的，它应具有完备性以及可能会令人毛骨悚然的对称性。爱因斯坦的理论尤其美丽，麦克斯韦方程亦是如此。欧拉发现的方程eiπ +1=0简直称得上是数学之美的典范，它相当简洁，却又将数学上最重要的几个数字以一种十分意想不到的方式联系在了一起。

第∞章
0的最终胜利
［终止时间］

这就是世界结束的方式：
并非一声轰鸣的巨响，而是一阵无声的呜咽。

——T.S.艾略特《空心人》

一些物理学家正试图把0从他们的方程式中抹除消净，而其他一些物理学家却认为，0或许将笑到最后。科学家可能永远也无法解开宇宙的诞生之谜，但他们距离宇宙的最终结局却只有一步之遥。宇宙的终极宿命就潜藏在0中。

爱因斯坦的广义相对论容不下一个静止不变的永恒宇宙，却能容许宇宙具有不同的终极宿命。宇宙中的物质总量将决定宇宙本身的最终命运。假如宇宙的物质总量较轻，如气球一般的时空将无限膨胀增大，恒星与星系逐个毁灭，宇宙渐渐变冷并最终在热寂（heat death）状态中迎来凋亡。假如宇宙的物质总量超过了临界值水平，那么大爆炸释放的原始动力将不足以支撑气球的无限膨胀，相反，星系之间会相互拉拽，不停压缩时空结构，于是气球开始泄气缩小。压缩的速度将逐渐加快，宇宙的温度逐步上升，最后迎来终极压缩的命运——与大爆炸的情景相反，这种情况被人们称作“大塌缩”（big crunch）。我们究竟将迎来何种命运？答案近在咫尺。

天文学家凝视遥远的星系，其实就是在回溯过往的时光。距离地球最近的星系也在一百万光年之遥，来自那个星系的光束得在宇宙中寂寞地穿梭一百万年然后才能抵达地球，也就是说，我们的双眼在当下这一刻看到的其实是那个星系一百万年前的景况。

宇宙的最终命运取决于我们的时空气球的膨胀情况。如果宇宙的膨胀正不断减速，那便意味着大爆炸提供的能量已几近耗尽，而我们的宇宙将走向大塌缩。如果宇宙的膨胀速度并没有减缓，那就说明大爆炸提供的能量足以使时空结构永无止境地膨胀。

天文学家对宇宙膨胀变化的测量工作业已展开。他们以一种称为“Ia”的超新星 [1] 作为标准烛火，就像哈勃的造父变星，因为几乎所有已知的Ia超新星都有相似的爆炸方式以及绝对发光度（发出的光线亮度）。哈勃利用的造父变星较为黯淡，超新星则不然，即便距离我们半个宇宙之遥也依然清晰可见。

1997年底，天文学家宣布，他们已在这些超新星的辅助下测量出了一些十分黯淡古老的星系的距离。通过它们与我们的距离可以测算它们的年龄，通过它们的多普勒偏移可以推定它们的速度，最后通过对比星系在过去不同年代的远离速度，就能推算出时空膨胀的速度。天文学家得到的答案却有些怪异。

宇宙膨胀的速度没有减弱，反而有增加的趋势。超新星反馈的数据表明，宇宙正逐渐增大，且增大的速度越来越快。如果情况真是如此，那么宇宙就不太可能走向大塌缩，因为有什么东西正在与万有引力展开对抗。于是，物理学家再次提起了宇宙常数——一个被爱因斯坦强行加入他的方程式以抵消万有引力的神秘之力。爱因斯坦犯下的最大错误也许根本就不是一个错误。

这个神秘之力或许又是源于真空。充斥整个时空的微粒对外施加微弱的推力，极其细微地拉伸时空结构。数十亿年过去之后，拉力积少成多，于是宇宙的膨胀速度就变得越来越快。我们宇宙面临的最终命运可能不是大坍缩，而是无休止的膨胀、冷却，最后热寂，而这一切皆因0点能量而起——一个为真空注入无穷微粒并在量子力学方程式中显露真貌的0。

天文学家依旧持谨慎态度。从超新星处得来的数据只是初步结果，但不断新增的观测反馈正逐步夯实这些结论的根基。其他一些相关研究也支持了超新星的反馈结果，认为宇宙将不断膨胀，并最终消亡于冷寂，而非炽烈。

“冰”还是“火”？答案是冰——由于0的威力。

超越无限

然而，如果我们确实发现了一套完整的理论，
它应该在一般的原理上及时让所有人（而不仅仅是少数科学家）所理解。
那时，我们所有人，包括哲学家、科学家以及普普通通的人，
都能参加为何我们和宇宙存在的问题的讨论。
如果我们对此找到了答案，那将是人类理性的最终极胜利——
因为那时我们将领会上帝的旨意。

——史蒂芬·霍金

物理学上所有大谜题的背后都潜藏着0的身影。黑洞的无限密度是除以0，无中生有的大爆炸也是除以0，真空的无穷能量还是除以0。但是，除以0的运算摧毁了数学的架构以及逻辑的框架，动摇了科学的根基。

在毕达哥拉斯生活的年代、在0出现之前的年代，纯粹的逻辑是主宰者，宇宙建构在有理数之上，昭彰着上帝的存在，一切皆有迹可循，秩序井然。他们把0与无穷从数字的国度驱逐出去，从而避开了与0有关的一连串恼人悖论。

随着科学革命的来临，基于哲学的单纯逻辑推理为基于观察的实证研究所替代。为了解释宇宙的法则，牛顿不得不将微积分中不合逻辑的部分——由除以0引发的逻辑混乱——暂时搁置一旁。

数学家与物理学家成功克服了微积分中的除以0的难题，将它重新置于合理的逻辑框架之中，于是，量子力学和广义相对论的方程式中再次出现了0的踪迹，而0又一次令科学蒙上了无穷的阴影。在充满0的宇宙中，逻辑溃不成军，量子理论和相对论土崩瓦解。为了走出困境，科学家再次着手尝试抹除0，使支配宇宙的两套法则统一为一个整体。

倘若科学家取得成功，他们就将彻底掌握宇宙的奥秘。我们将通晓从古至今支配万物（包括时空最边缘的事物）的物理法则，了解创造大爆炸时宇宙的想法，并最终领会上帝的旨意。然而，这一次，0不会轻易败下阵来。

将量子力学与广义相对论相结合的理论描述了黑洞的中心，解释了大爆炸的奇点，但至今无法用实验证实其理论的真伪。弦理论与宇宙论的论证在数学层面或许十分严密，然而，它们与毕达哥拉斯的哲学理论一样无用。它们的数学推理看似十分美丽且逻辑自洽，似乎能够解释宇宙的本质——但它们也有可能是完全错误的。

科学家唯一能够确定的是，宇宙起源于虚无，也终将归于虚无。

宇宙始于0，也终于0。

[1] 由天体爆发所产生的爆发星。

附录A
如何证明丘吉尔等于胡萝卜

令a与b都等于1。由于a等于b，可得：

b2 =ab（等式1）

由于a必然等价于它本身，可得：

a2 =a2 （等式2）

令等式2减去等式1，可得：

a2 -b2 =a2 -ab（等式3）

我们可对等式3进行提公因式，即a2 -ab等于a（a-b）；同样地，a2 -b2 等于（a+b）（a-b）。（至此，每一步运算都十分合理，你可以自行代入具体数字进行验算。）将提公因式后的式子代入等式3，可得：

（a+b）（a-b）=a（a-b）（等式4）

到目前为止，一切顺利。现在，令等式两边同时除以（a-b），可得：

a+b=a（等式5）

两边同减去a，可得：

b=0（等式6）

然而，在证明伊始，我们已令b等于1，所以这意味着：

1=0（等式7）

这个结果十分重要。再进一步论证，我们知道温斯顿·丘吉尔有一个头，但根据等式7，1等于0，那也就是说，丘吉尔没有头。同样地，丘吉尔没有叶状缨子，而1等于0，因此丘吉尔颈上长有1个叶状缨子。

令等式7两边同乘以2，可得：

2=0（等式8）

丘吉尔有两条腿，因此他没有腿；丘吉尔有两只手，因此他也没有手。现在，令等式7两边同乘以温斯顿·丘吉尔的腰围（以英寸为单位），可得：

（丘吉尔的腰围）=0（等式9）

这意味着，温斯顿·丘吉尔的下半身已被压缩成一个点，而他的上半身则成了锥形。再有，温斯顿·丘吉尔是什么颜色的？取他身上辐射出的任意一道光并从中任选出一个光子。令等式7两边同乘以该光子的波长，可得：

（丘吉尔的光子的波长）=0（等式10）

再令等式7两边同乘以640纳米，可得：

640=0（等式11）

将等式10与等式11相加，可得：

（丘吉尔的光子的波长）=640纳米

这意味着这个光子，或丘吉尔先生辐射的其他光子，是橙色的。因此，温斯顿·丘吉尔是亮橙色的。

总的来说，我们从数学层面证明了，温斯顿·丘吉尔既没有手脚，也没有头，反而长了一簇叶状缨子，只剩一个锥形的上半身，并且他是亮橙色的。显然，温斯顿·丘吉尔是一个胡萝卜。（还有一个更简单的证明方法。等式7两边同时加上1，可得：

2=1

温斯顿·丘吉尔和胡萝卜是两样完全不同的事物，因此，他们是同一件事物。不过这一种证明方法不够清晰直截。）

这个证明过程到底哪个环节出了差错呢？只有一个步骤存在纰漏——等式4推导至等式5的过程出了问题。我们令等式4两边同除以a-b。但是，注意！因为a与b都等于1，因此a-b=1-1=0。我们做了除以0的运算，从而得出1=0的荒谬结论。从1=0出发，我们可以对宇宙间的所有观点予以证明，不管这些观点是正确的还是无理的。数学的整个框架就此崩塌。

如果运用不当，0将有能力把逻辑的国度夷为平地。

附录B
黄金比例

将一条直线一分为二，令较短部分与较长部分的比值等于较长部分与整条直线的比值。为简洁起见，我们假定较短直线的长度为1英尺。

若较短部分为1英尺，较长部分为x英尺，那么整条直线的长度为1+x英尺。用代数表示较短部分与较长部分的比例关系，可得：

1/x

较长部分与整条直线的比例则为：

x/（1+x）

由于较短部分与较长部分的比值等于较长部分与整条直线的比值，那么可得等式：

x/（1+x）=1/x

解该方程所得的x的值，就是黄金比例。

第一步是令等式两边同乘以x，可得：

x2 /（1+x）=1

再者，令等式两边同乘以（1+x），可得：

x2 =1+x

令等式两边同减去1+x，可得：

x2 -x-1=0

解该二次方程可得两个解：

只有第一个解是正数（其数值约为1.618），因而在古希腊人看来，只有这个解是有意义的。所以，黄金比例大约等于1.618。

附录C
导数的现代定义

如今，导数的逻辑基础业已十分严密，因为我们将它定义为极限。函数f（x）的导数用f'（x）表示，其形式定义为：

其中，“lim”意为极限，符号“→0”意为趋向0。现在就来看看这个定义是如何摆脱牛顿耍的小花招的。还是采用阐述牛顿流数术时所用的例子：f（x）=x2 +x+1。该函数的导数为：

将式子展开可得：

x2 与-x2 相抵消，x与-x相抵消，

1与-1相抵消，可得：

由于我们还未取极限，因此不为0。将等式除以，可得：

现在取极限，令趋向0，可得：

f'（x）=2x+1+0=2x+1

而这就是我们所求的答案。

仅是思想上的一小步转变，就使世界发生了翻天覆地的变化。

附录D
康托尔列举有理数

为了说明有理数集与自然数集大小相等，康托尔所要做的就是想出一个绝妙的座位表。是的，他就是这么做的。

有理数是一个整数a和一个整数b的比，表示为a/b（b不为0）。我们先从正有理数开始考虑。

假设有一网格状的数阵——两条数轴交会于0，类似于笛卡儿坐标系，将0置于原点，网格上的每一点都对应一个有理数x/y，x对应x轴上的数值，y对应y轴上的数值。由于数轴延伸至无穷，因此每一个正有理数x/y都能在网格上找到对应的点（见图表58）。

图表58：有理数的列举

现在来为正有理数制作一个座位表。从0开始，为座位1号；然后移至1/1，为座位2号；随后是1/2，为座位3号；再接着移至2/1，为座位4号；而后是3/1，为座位5号。我们在网格上来回穿梭，逐个报数。产生的座位表为：

最后所有数字都有会对应的座位，事实上，有的还有两个座位。要移走重复的数字并不难，在制作座位表时将它们跳过即可。下一步是扩充座位表，在正有理数后增添其对应的负有理数。可得到如下座位表：

现在所有的有理数，包括正有理数、负有理数和0，都有了座位。没有人站着，也没有空着，这就意味着，有理数集的大小与自然数集的大小是相等的。

附录E
制作属于你自己的虫洞时光机

这并非难事，只需四个步骤便可做到。

步骤1：建构一个虫洞，确保虫洞的两端位于时间上的同一点。

步骤2：在虫洞的一端系上非常非常重的物体，另一端则与一艘速度为9/10光速的宇宙飞船相连，此时飞船上的1年相当于地球上的2.3年，换言之，此时虫洞两端的时钟运转的速度并不一致。

步骤3：静待片刻。46个地球年后，飞船会将虫洞带到一个友好的星球上。穿过虫洞，你将从地球上的2046年穿越到名为“兹洛克”的星球上的2020年，反之亦然。

步骤4：如果你足够聪明，你将会为这个计划提前做好准备。1974年（兹洛克时间）时，你可以向兹洛克发送一条信息，安排一辆宇宙飞船从兹洛克返回地球，到了2020年（兹洛克时间），这艘飞船将抵达地球，此时地球上的时间是1994年。如果你同时这两个虫洞，你将可以从2046年（地球时间）穿越至2020年（兹洛克时间），然后再穿越回1994年（地球时间）——你成功进行了一次横跨半个多世纪的时空旅行！

火烈鸟的微笑

（美）斯蒂芬·杰·古尔德——著
刘琪——译　傅强——校订

海南出版社
HAINAN PUBLISHING HOUSE

目录

前言

壹 动物法则及其例外

逆转

01 火烈鸟的微笑

02 啃得只剩翅膀

03 性别与大小

界限

04 连在一起生活

05 天才的悖论

贰 理论和看法是两码事

两个可敬的创造论者

06 亚当的肚脐

07 结冰的洪水

理论的分裂

08 前提是错的，科学是好的

09 就是想打个比方

叁 分类学是很重要的

10 黄蜂和黄风

11 第100篇

12 人类平等是历史的偶然

13 “五轮”法则

肆 趋势及其含义

14 失去锋芒

15 要么死，要么变形

16 谜题变少了

伍 政治和进步

生物链

17 类人猿展览

18 被大链子拴住了

19 霍屯督的维纳斯

古往今来的优生优育

20 智障妈妈的女儿

21 新加坡的传统（以及婚姻）

陆 达尔文派

22 汉娜·巴克的左肩和自然选择的起源

23 达尔文出海记

24 玉米和杂草本是同根生

染 地球和地外生命

25 左右受气

26 意识和超意识

27 搜索地外文明工程、棒球经理的智慧

捌 灭绝和延续

28 性、毒品、灾难和恐龙的灭绝

29 延续性

30 湿婆之舞

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前言

坎特伯雷大教堂的彩色玻璃镶嵌画窗上，讲述了这样一个旧约圣经故事：一些智者在山坡上熟睡，天使突然出现在他们面前，通知他们尽快离开希律城，不可回头看。其中一个名叫罗德的人的妻子在逃离途中好奇地回头，看到希律城被天火毁灭的真相，结果遭到天谴，刹那间变成了一根盐柱。画面上，白色的“盐柱”闪闪发光，警示信徒们：不可回头看。

《火烈鸟的微笑》是我编写的第4本散文集，收集了我在《自然史》杂志上发表过的专栏文章，这是我对科普散文这种文体所做的微不足道的贡献。我曾经一度认为，人们对科普散文的热情来得快去得也快，现在却知道并非如此。为此，我将越过“不可回头看”的雷池，希望不要像罗德妻子那样遭天谴，并且希望能比以前的几本散文集编得好一些。

品牌杂志《纽约客》封底经常印着一种威士忌酒广告，每次的画面都一样，广告语是“好东西永远不变”。供人消遣的杂志理应用多变的话题来迎合读者的口味，但是一个成功的品牌丛书还是应该保持一个主题。如果我编的东西有人看的话，那是因为“演化论”这个主题在自始至终地起着支撑作用。演化论的读者面广，从阳春白雪到下里巴人，所以我作为演化论系列图书的编者，能够一直保持一个主题，比起其他科普散文作者来，还是相当有品牌优势的。

演化论是一种科学思想，不仅推翻了过去的一些期望和假设，而且启发我们现在的思想。演化论也比量子力学，或者地球太阳相对运动等话题更加亲切，它事关人类起源问题，人类非常在意自己是什么时候和怎样出现的、人类和其他生物的关系以及世界上令人目不暇接的万千物种的来历。思考起源问题带给人们无穷无尽的快乐，虽然说世界不是为了人类的快乐而存在的，但是科普散文能带给人们无尽的联想和思索的乐趣。

为了保持同一个主题，我重读了自己编的系列书的前几册的前言。第一本书《自达尔文以来》写于越战之后不久，展示了演化论的基本原理和世界观，意图让这个世界对人种差异稍微宽容一点。《熊猫的拇指》关注的是演化论专家之间关于达尔文《物种起源》中“离经叛道的人生观”的一系列持久热烈的辩论。《母鸡的牙和马的脚趾》是在福尔韦尔（福音教派主要人物）等人宣扬的所谓“创世科学”的阴影下写出来的，澄清了对演化论的一些误解或非人性化的理解。

壹　动物法则及其例外

逆转

01　火烈鸟的微笑

02　啃得只剩翅膀

03　性别与大小

01
火烈鸟的微笑

火烈鸟：Flamingo，鹳形目红鹳科红鹳属的一种，又称火鹤、红鹳、红鹤等。

美国野牛的数量从大约6000万减少到将近灭绝，对此，有个外号叫“水牛比尔”的人功不可没。在1867年，凭借着一份为铁路工作人员供应食物的合约，他和他的手下在短短的8个月内杀死了4280头野牛。虽然这是不分青红皂白的大屠杀，但至少牛肉没有浪费，填饱了人的肚子。与此相比，有些人掠夺起自然遗产来更为疯狂：杀掉野牛以后，只割掉舌头（牛舌是一些地区的美食），而留下尸体任其腐烂。

用舌头做美食的事例，在人类贪婪史册上早有记载。罗马皇帝臭名昭著的“纵情狂欢宴”便是最早的实例。歌剧唱段“我可以把希略伽巴路斯的罪行编成哀歌”（吉尔伯特所著歌剧《彭赞斯海盗》中的著名唱段，斯坦利少将用押韵的拉丁语歌词炫耀自己的数学、作曲技能，显示他是有文化的现代军人的典范）所提到的这位年轻放荡的皇帝，就是将堆积如山的火烈鸟的舌头做成一盘盘特色菜，摆在宴席上请人来吃。历史学家苏埃托尼乌斯告诉我们，皇帝维特利乌斯推出过一道大菜，叫作“密涅瓦的盾牌”，是用鹦鹉鱼肝、孔雀脑和雉鸡脑、七鳃鳗肠子和火烈鸟的舌头做成的，所有这些原料都是“用巨大的战船，从喀尔巴阡海和西班牙海峡那么远的地方搜掠而来的”。

七鳃鳗和鹦鹉鱼（虽然也不能说完全不美），很少引起人们的同情。但火烈鸟这样名副其实的艳红、优雅的鸟类，激起了上至古罗马诗人下至现代动物保护者的怜悯。诗人马歇尔写过一首尖锐的诗，抨击当时皇帝（公元80年前后）暴殄天物：“红色翅膀将美名赐我，舌头却引来杀身之祸。假若拥有夜莺之巧舌，又何必如此四处闪躲？”

大多数鸟类的舌头尖而薄，就算把一林子鸟的舌头都割下来，也不够皇帝塞牙缝。但是，火烈鸟演化出了一条又大又软的、给它自己带来了灭顶之灾的肉质舌头，这是为什么呢？

火烈鸟的进食模式，在鸟类中是独一无二的，其他极少数脊椎动物也是这种模式。它们喙的内部生长着极其精密的筛状角质层板——工作原理和巨型须鲸类的鲸须板一样。火烈鸟经常被错误描绘成郁郁葱葱的热带岛屿上无忧无虑生活的鸟儿——好像是供人在赌场阳台上一边啜着酒和可乐一边观赏的玩物。事实上，它们的栖息地——浅咸水湖，是世界上最严酷的栖息地之一。极少有生物可以在盐碱沙漠这样不寻常的环境中生存下来，有些侥幸生存的，由于没有竞争对手，蓬勃生长，形成了数目庞大的种群。由于潜在的猎物种类少，数量多,有统一的大小，因此咸水湖促使掠食动物演化出了过滤这种进食模式。大火烈鸟（Phoenicopeterus ruber ，人们最熟悉的一种火烈鸟，在动物园、巴哈马群岛和博内尔保护区里很常见）滤食的猎物的大小主要范围在2.5厘米左右——例如小型软体动物、甲壳类和昆虫幼虫。但小火烈鸟（Phoeniconaias minor ）的过滤器更加紧密和高效，它们滤食的蓝绿藻和硅藻的直径为0.02～0.1毫米。

1957年，佩内洛普·詹肯（Penelope Jenken）在她的经典文章中记载，火烈鸟让水通过喙内过滤器的方式有两种：一种是来回搅动头部，被动地让水流过；另一种是更常用且更有效的方式（正因为如此，火烈鸟才长了个罗马皇帝们爱吃的大舌头）——用大而有力的舌头泵水，速度可达每秒4次，舌头向后缩形成负压，水和食物就一起流进嘴里，然后，再用舌头把水挤出来，水通过漏网，食物被留在滤网上，舌头上长着许多齿状突起，就把食物从滤网上刮到嘴里了。这和鲸通过须板筛食磷虾是一样的。

诸多关于火烈鸟进食方式的文献，往往突出了独特的过滤器的作用，而忽略了另一个密切相关、同样显著而且长期被伟大的博物学家赞赏的生理特点：火烈鸟是把头倒过来进食的。它们站在浅水处，低头直至脚面，巧妙地通过伸缩脖子来调整头部的姿势。这样的动作自然让头顶倒了过来，因此传统意义上的上下喙在进食时的实际作用也就颠倒了过来。解剖学上的上喙在底下，并起到了下喙的作用，而解剖学上的下喙到了上面，就像其他鸟的上喙一样。

通过这奇特的倒转，我们终于切入了这篇文章的主题：这种不同寻常的行为有没有导致任何形态上的变异呢？如果有的话，是什么，又是什么样的呢？达尔文的理论预测：形式应遵循功能，以适应特定的生存方式（这是关于适应当前环境的一种阐述，不是关于普遍的进展或全球性的演化方向）。总之，我们很可能会猜测：火烈鸟的上喙，既然起到了下喙的作用，将演变成近似一般鸟的下颌的模样（反之亦然，解剖学上的下喙是功能上的上喙）。这样的变异发生了吗？

自然界里有大量稀奇古怪的、既无规律又无法进行预测的事物。但是在火烈鸟的例子里，解剖学上的功能和实际功能刚好是倒过来的，很明显可以预测：如果动物的实际行为和形态冲突，那么它的身体会做出相应的变异。

一开始先别武断地下结论，让我们离开一小会儿，看一下这张图。如果看上去跟你熟悉的天鹅有些异样，那恭喜你——你的感觉很灵敏，不过我先卖个关子，请顺着我的思路读下去。

图上有一只喜笑颜开的长颈“天鹅”。但是注意看细节就会发现，这种动物其实是自然界不存在的：喙的开口在眼睛上方，翅膀和尾羽上竖，而且没有脚。现在我把包袱抖出来：这张图实际上是把奥杜邦（J. J. Audubon）的经典手绘画册《北美野鸟图谱》中的火烈鸟画像颠倒过来，然后去掉了脚。

从快乐的天鹅到傲慢的火烈鸟——这一戏剧性的转变很容易让人联想到心理学读物里的错觉图（年轻女士倒过来看变成了老态龙钟的妇人），好像是作者在故意开玩笑。实际上，过去任何一幅火烈鸟的图倒过来看都是一副兴高采烈的表情，我翻阅史料，发现古代的画师们都注意到了这一点并且画得很准确。火烈鸟的上下喙经过演化，形态已经完全颠倒，所以把它们的喙倒过来看，除了开口位置偏高以外，几乎和天鹅的喙没什么区别。

这种形态上的变异非常引人注目。首先，注意火烈鸟喙奇怪的弯度：喙直直地从头部长出来，然后在一半处突然垂直下弯，这样下喙就形成了一个槽。有些地区的人们把火烈鸟叫作“海骆驼”，不是把弯曲的喙比作驼峰，而是比作骆驼向下弯的鼻子，并且以貌取“人”，认为这两种动物都有“傲慢”的特质（我对动物的“相貌”有一些偶然的心得，参见《熊猫的拇指》第9篇关于米老鼠的部分）。好在倒过来看，桀骜不驯的火烈鸟就变成喜笑颜开的天鹅了。

天鹅的神秘微笑——仔细看看，是天鹅吗？
奥杜邦所绘，著名的《北美野鸟图谱》中“火烈鸟”的原画

火烈鸟的喙可不仅仅是从中间拐了个弯这么简单——喙的形状和功能非常相称。首先，上下喙的相对大小改变，刚好弥补了形状上的不足。上喙薄而浅，下喙大而深。其次，大多数鸟类的上喙不动下喙动，而火烈鸟的下喙不一样，下喙两侧的枝骨不仅牢牢地长在头骨上，而且两根枝骨中间相连，所以下喙非常坚硬，更多的是提供了一个槽的作用，让舌头在里面来回泵水，而不是主动开合。第三，大多数种类的火烈鸟把喙合拢的时候，上喙边缘可以嵌到下喙里面，而不是像一般鸟类的下喙嵌到上喙里面。

形状的变异相辅相成，听起来十分可信，但是，演化的拼图还少了一块：上下喙的活动也倒过来了吗？这是自从古希腊的曼尼普斯（约公元前3世纪）的第一份观察记录以来，一直存在的一个问题。

大多数鸟、哺乳动物（包括人）的上颌和头骨是牢固地焊接在一起的；要完成咬、嚼、喊的动作，靠的是下颌的上下运动。如果火烈鸟的上喙形态上和功能上已经变成了下颌，那么可以猜测，火烈鸟进食的时候，活动的是上喙，而不是下喙。

这个问题遗留了2000年没有解决，曾被视为是一座不可逾越的高峰。尽管如此，我还是要感谢伟大的、头脑清醒的科学家们——他们来自各种文化背景，历经各种理论和实践的洗礼，在生物学史上留下了印记。

18世纪，博物学大师乔治·布封（Georges Buffon）在文章里称赞火烈鸟鲜艳的色彩，同时对它们喙的形状表示出了更大的兴趣：“这种鸟的显著特征不仅是颜色鲜红，而且喙的形状独一无二。上喙一半水平一半弯曲，下喙厚而结实，像是一把大勺子。”一言以蔽之（布封的原文是简短优美的法语）：“美丽的体形，奇特的形态。”然后，布封回顾了曼尼普斯的问题，提出研究火烈鸟的“第一要素”是了解它们是否上喙活动，下喙不动。

伟大的英国博物学家纳希米阿·格鲁（Nehemiah Grew，最早由于研究植物显微组织而出名）在1681年写的《英国皇家博物馆》一书（皇家博物馆和格雷欣大学保存的珍禽异兽的名录和描述，附有肠胃解剖图）中提供了第一份完整明白的记录。书中写到，他碰到过一只落单的火烈鸟（见插图），“最奇特的，要数它的喙了”。格鲁怀疑，上喙更适合运动，主动接近下喙，而下喙处于被动地位。

纳希米阿·格鲁1681年绘制的火烈鸟，当时是作为“火烈鸟上喙活动”假说的插图。把这幅图也倒过来试试看。（出自格鲁1681年所著《英国皇家博物馆》）一书，翻印自《自然史》

直到1957年，詹肯发表了一篇详尽的论文，用有力的数据支持了曼尼普斯、格鲁、布封的猜测和正确判断，这个问题才被解决。实际上，火烈鸟和其他很多种鸟类的上下喙之间都演化出了一种球窝关节。因此，它们的喙非常灵活，无论是上喙还是下喙都可以开合，只是在进食的时候，通常是上喙活动而下喙静止——就像大博物学家们预测的那样。

“火烈鸟特色的进食方式”——头倒过来舀水

朝天水母。注意看伞盖是凹陷的，肌肉环在上面。实际上，这幅图画倒了，在自然界中看到的朝天水母一般是触手向上、伞盖向下的。翻印自《自然史》，原图是梅尔1910年所绘

火烈鸟的上下喙完全是长反掉了——形状逆转，大小互换，嵌合方式相反，根部相连，运动方式颠倒——行为导致了形态上的变异。“颠倒生物”适应极端环境的例子增强了达尔文演化论的说服力。

火烈鸟的例子是“只此一家，别无分店”，还是具有普遍性呢？世上还有其他的“颠倒生物”吗？想一想西印度洋浅海区的朝天水母（Cassiopea xamachana ）（这个名称既非正统又很俗，是为了缅怀被赶到牙买加的北美洲土著居民）。

朝天水母在很多方面都跟别的水母不同。它既没有中央口盘，也没有口盘外缘的缘触手。取而代之的是从粗壮的“伞柄”延伸出来的数条多肉、复杂枝状的“口触手”（因为每个触手都长有一个独立的口），而且伞柄和伞状体连接的方式也跟一般水母不一样（见插图：梅尔1910年专著《不可思议的生物》，是从珍贵的石版画拓印出来的）。口触手里面长满了共生藻类（可能是因为藻类进行光合作用需要更大的表面积，所以水母演化出了枝状的触手，为它的共生伙伴谋利）。每条口触手都长有大约40个口囊，这些中空的口囊通向消化道和含有刺丝囊细胞的消化袋。当猎物（多为细小的甲壳纲动物）靠近时，口囊喷出含有刺丝囊细胞的一条黏液，然后将黏液和动弹不得的猎物一起拉进口触手上的口囊里面（“口触手上的口囊”这样的表达实在是多余，不止你们觉得好笑，我自己也觉得好笑，就好像“肉汤的汤”“电流的电”一样，谁叫我一开始发明了“口触手”这种名词呢）。

朝天水母奇特的结构是和它不循规蹈矩的生存方式相一致的。一般的水母像是良家妇女，“腿”规规矩矩地藏在“裙子”下面，而朝天水母四脚朝天地在浅池塘和海边晒日光浴，用伞状体把自己固定在水底的沉积物上，触手在上面摆动，等甲壳纲生物自己送上门。托尔图加岛（位于加勒比海）杰弗逊港的水手们把附在码头上一排一排的朝天水母叫作“慕斯蛋糕”（水母会蜇伤人，海员们一朝被蛇咬，十年怕井绳，经常起些奇怪的名字来提醒自己。不过，我怀疑他们是否真的是这么叫的，至少珀金斯在1908年写的朝天水母解剖学文章里，并没有提到）。

朝天水母的伞和火烈鸟的喙一样，都是为了适应倒过来的生存方式。一般水母伞都是光滑的凸面，符合流体动力学原理。但是朝天水母伞的外表面明显向内凹，就像一个吸盘。还有一处变异是：大多数水母收缩伞边缘的环状肌进行划水，而朝天水母伞有一大一小两圈环状肌，小圈加强了凹面的吸力，形成了一个有力的吸盘，可以稳稳地将水母吸在水底的砂石上。

朝天水母为了适应不寻常的颠倒生活，又产生了第二处令人惊奇的变化。大多数水母在水中移动都是靠收缩伞盖边缘的肌肉环，这些肌肉环形成同心圆。而在朝天水母身上，这些肌肉环中的一个变得尤为强壮，形成了吸盘的边缘。在吸盘和这圈肌肉环的共同作用下，朝天水母得以稳稳地“倒立”起来。（朝天水母其实还是可以“正”过来游的，只是游得很无力、很勉强罢了。只要把它的吸盘从水底拔起来，它会伞朝上、无精打采地游几下，然后再找个地方吸上去。）有一些科学家提出，内外圈环状肌的交替节律收缩不仅可以让水母吸得更牢，不被水流冲走，而且可以将猎物顺着水流推到水母的口腕边。但是这些合理的假想没有得到证实。

火烈鸟和朝天水母这两种形态和演化史相差极大的“颠倒生物”说明了同一个道理：为了适应生存方式，动物的身体结构会发生变异。火烈鸟的上颌在大小、形状、动作方式上的显著变化，看起来和用起来都跟大多数鸟类的下颌一样。朝天水母的伞盖由凸变凹，却成了一个更好用的底部。

在本来只有一两种畸变生物能生存的严酷环境里，生存动力促使其余的生物也改变原来的身体结构。这的确是一股强大的动力，但是不能因此下结论说环境的力量无穷大，大到可以使每一种生物都变成理论上最完美的形式。自然选择是一个历史过程，只能采用可利用的资源来进行，适应环境的生物并非完美无缺，而是各有各的适应门道（包括很多歪门邪道）：朝天水母牺牲了一部分游泳能力用来抓住砂石；火烈鸟的喙向下弯曲，在咸水湖觅食不成问题，却失去了品尝其他美味的机会。这些都显示出：形形色色的生物都是从不适应到适应演化而来的，不是一个天才建筑师从虚无中创造出来的。

19世纪早期，当演化论还是一种新兴理论正在自我充实、发展支柱理论的时候，出现了两派科学家，展开了一场有趣的辩论（但随即被世人遗忘了），最后还是达尔文出面解决了争端。两派都同意形态和功能要统一，不过在谁先谁后的问题上产生了分歧：当时法国著名的博物学家若弗鲁瓦（Etienne Geoffroy Saint-Hilaire）说，首先形态要变，然后才能产生相应的功能。而以拉马克（Jean Baptiste Lamarck）为代表的功能主义者坚持说，一定是生物被迫在一种不同的环境中生存，受到一种所谓压力的驱动，最后才产生形态变异。

这种“压力说”又引发了另一场更著名、更被世人怀念但不那么重要的辩论。拉马克提出，生物体为了适应环境的需要，会变异出以往没有的形态，而且能把变异的结果传给下一代，即常见的术语“用进废退，获得性状遗传”。而达尔文说，环境并不直接使生物产生变异。自然选择的过程是：在同种环境下，生物产生不同的变异，有些变异了的生物更能适应环境，幸运地生存了下来，留下了更多后代。

成王败寇。自从达尔文赢得了这场“环境如何影响生物体”的辩论，拉马克的光芒就被掩盖了，他的正确理论也被视而不见。不管历史学家怎么翻案，拉马克还是被世人当作反面教材来批驳。

在前一场与结构主义者的辩论中，拉马克所持的“功能决定形态”观点还是对的（达尔文也是持相同的观点），只是在环境怎么让生物产生变异这一点上，拉马克弄错了。相比之下，若弗鲁瓦的“结构论”完全不能自圆其说：如果生物先是根据一种未知的“变形规律”而变异身体结构，然后找到了一种最适合生存的环境，那怎么确保正好能找到适合的呢？有些基本或者一般的变异——比如体形长得比较大——可能是一种优势，帮助生物体夺得不少资源，从而使动物长得越来越大。但是像火烈鸟喙和朝天水母伞这么复杂、与众不同的器官，在最初发生变异的时候，没有什么环境与其相适应——假设一只火烈鸟的祖先，喙比它的同类长得弯了一点点，因为弯得不够，根本不好使，不一定能捕到更多的食物，让它觉得“还是别把头倒过来了吧”从而停止了变异的脚步。或者，一只朝天水母的祖先某一天搭错了神经，倒过来想抓住砂石，可惜小圈的环状肌还没有长好，抓不住，只好作罢。

今天，几乎所有演化论者都不否认，拉马克的功能主义解释自有其简洁精彩之处（达尔文也支持功能主义，但通常所有的风头都被达尔文占了）。虽然我很尊敬达尔文，我还是要为拉马克辩解一下，“功能决定形态”这条基本原则首先是拉马克提出来的，是他的著作《动物学的哲学》（Philosophie Zoologique ）的中心主题，不是一时兴起做的脚注，也不是达尔文的贡献。拉马克明白他说的是什么，而且知道为什么要说。他很清楚：行为的变异先于形态的变异。一个生物体的形态原先是适应它的旧环境的，当进入一个新的环境后，旧形态与实际功能之间产生了矛盾，刺激它发生改变（在拉马克看来是努力改变、用进废退、性状遗传，而达尔文解释为自然选择）。拉马克写道：

动物的生活习性和生存模式不是由它的身体或身体的某部分限定的，相反，是生活习性和生存模式渐渐地让动物的身体或身体的一部分成形。

拉马克做出这样的结论，并没有以火烈鸟或朝天水母的例子做事实根据，但是他的结论本身是很有说服力的——如果火烈鸟不是因为需要适应严酷的生存环境才长了一个弯曲的喙，那是因为什么呢？为了给这一结论找到证据，我们必须在适应过程开始的阶段就按下快门——找出一种行为发生改变，而形态没变的“颠倒生物”。

有几种倒立鲶科（Mochokidae）的非洲鲶鱼是肚子朝上游泳的，行为已经从根本上改变，但是形态基本没变（原因已查明，倒过来游的原因是它们要吃水草背面的藻类）。但有一些种类的倒游鲶鱼，例如黑腹歧须（俗称的“倒吊鼠”）腹部和背部的保护色是颠倒的。普通鱼类肚皮是白的，捕食者从下往上看，水面很亮，看不见白肚皮；水面上的鸟类捕食者从上往下看，水底是黑的，鱼类黑色的背部也不是很明显。而黑腹歧须生理上的腹部是黑色，而背部是白色。这样，倒过来游的时候，白色就朝下了。除了颜色外，大多数倒游鲶鱼的体形、体积、鳍的位置都跟“正游鲶鱼”一样。看来，是行为变异导致了颜色变异，对于形态变异，我们拭目以待。

读者可能会认可我的结论，但还是觉得这三种动物的例子无关紧要或者不具代表性。火烈鸟是挺招人喜欢的，人身体上要是长个吸盘也蛮好玩的，水族缸里养一条“倒吊鼠”肯定吸引眼球，但是，“颠倒生物”在自然史上又占多大比重呢？我举的例子都是一些种类演化完成的产物，一般动物如果颠倒过来生活，又能产生多少基本变异呢？

过去，“颠倒生物”曾经使得人们对脊椎动物起源的一种主宰性的假说——“翻身虫假说”（Worm that turned theory）非常关注（这种假说几乎是完全错误的，从来就没有被大多数人认可过，但还是主宰了将近一个世纪）。这个假说来源于这样的观察：环节动物和节肢动物（有节的无脊椎动物中最复杂的两种）具有腹神经节。以蚯蚓为例，口部在神经节以下，靠近腹部一侧，肠道在神经节上方，比较靠近背，食道穿过神经节把口和肠道连接起来。相反，脊椎动物的主要神经——脊神经在背部，而消化道和口腔，都在腹部一侧。观察本身没错，但具有讽刺意味的是，结构论者东拉西扯，凭想象“推导”出脊椎动物和无脊椎动物之间的关系。结构论者领军人物若弗鲁瓦注意到，环节动物翻个身，腹神经反过来变成了“脊神经”，而肠道在它的下方，就比较接近一只趴着的脊椎动物了，因此他推测，脊椎动物就是由“翻了身的虫”变来的。这个假说有个很明显的纰漏——如果环节动物的口长在背部，它怎么吃东西呢？若弗鲁瓦提出另外一种牵强附会的解释：虫原来的口和食道完全消失，从新的地方长出脊椎动物那样的口（在脊神经下方），直通肠道。这个解释拆东墙补西墙，所以又引发了新的问题——“翻身虫”既不像有脊索或腮裂的脊椎动物，也不像环节动物。而且脊椎和无脊椎动物的胚胎发育方式基本上是背道而驰的。所以，“翻身虫”不可能是一种中间动物。

若弗鲁瓦还说，昆虫的外骨骼和脊椎动物的脊椎骨实际上是同一构造，也就是说，昆虫是生活在自己的脊椎骨里。下一条推论更是叫人目瞪口呆：昆虫的腿相当于脊椎动物的肋骨。他把“翻身虫”和脊椎动物做比较，仅仅是为他“万物都出自同一设计师之手”的理论找靠背，而不是为了推动演化论的发展。

若弗鲁瓦没有对结构论假说作更深一步的探索。如果换作拉马克，则会想到“翻身虫”不适应新环境，从而改变身体构造，若弗鲁瓦却没有想过。相反，他进一步为自己辩解，说腹部、背部都是人类发明出来的鸡毛蒜皮似的词汇，和生物结构无关，是某种复杂未知的“结构规律”导致了生物形态上的变异。

今天，我们全盘否定了若弗鲁瓦的猜测和他对形态与功能的研究。“颠倒生物”更加证实了拉马克的说法：形态上的重要变异是行为变异的结果，不是原因。“行为举止造就一个人”，这是牛津大学14世纪的一条校训，貌似历史的真理。

02
啃得只剩翅膀

20世纪科学的常规散文一般干瘪无趣，而维多利亚时代前辈的作品活色生香，充满了“家里桌上的姜饼、柜子里的古玩”之类有情趣的细节。请看霍华德（L. O. Howard）1886年出版的《螳螂观察手记》里面一段“性与死亡”的描写，很长但很有看头：

“几天后，我给一位朋友买了只公的大刀螳螂，与宠物母螳螂做伴。刚把它们放在同一个罐子里，公螳螂就警觉起来，想要逃跑，但母螳螂只用几分钟就把他抓住了。她先咬掉他的左前脚，然后是小腿，再是大腿，接下来啃掉了他的左眼。直到现在公螳螂才意识到他身边有只可以帮他传宗接代的异性，开始徒劳地做出交配举动。母螳螂又吃掉了他的右前脚，然后把整个头都切下来吃掉，接着啃他的胸肉。在胸吃得只剩下3毫米的时候，她停下来休息。这时公螳螂还在试图进入她的产卵瓣。这一次他成功了，她心甘情愿地打开了产卵瓣，他们俩合二为一了。在接下来的4小时里，她一动不动，而公螳螂的残肢偶尔动一下，似乎还活了3个小时。第二天早上，母螳螂已经把她的配偶啃干净了——只剩翅膀。”

引用这段文字，不仅是因为风格很吸引人，这是我知道的第一件而且也是很经典的大自然奇趣事件。我们都听说过，有些动物一大半身体没有了还能活，但是它们仅仅是苟延残喘，不会比活着的时候更厉害的。俗话“像无头苍蝇一样乱窜”说的正是生理上的残缺带来行动上的不便。但是公螳螂在被残暴的配偶断头之后，不仅成功地完成了交配，而且比没断头的时候交配时间更持久。

老毛病又犯了——我想讨论一下这个古怪事件背后的深层含义——又要扯到达尔文了，不过读者放心，我会言归正传回到螳螂的问题上来，并且还要大谈特谈所谓“性食同类”（sexual cannibalism）的问题。

达尔文的《人类的由来》是受到误解最多的一本书。有很多人猜测，达尔文只是想把人类演化的一些事例强行纳入他的演化论体系中。但是，在达尔文1871年出版这本书的时代，除了尼安德特人（和现代人类是平行关系，不是我们的祖先或所谓的“中间物种”）的化石之外，再没有人类演化的佐证。直到1890年后，才有新的人类化石出土。《人类的由来》说的是人类和高等灵长类在生理上存在密切联系，两者很可能是从同一祖先演化而来。不过，达尔文不喜欢假设，也没有写过纯理论著作。《物种起源》只是列举了很多例子，引出一个有力的结论。虽然达尔文渴望将演化论用于解释人类起源（他称为“攻占最高的堡垒”），他也不会在书里干巴巴地讲大道理。

解读《人类的由来》的关键是理解它的写作背景——本来它不是独立的一本书，而是一本两卷的大部头《人类的由来及性别选择》的前言部分。达尔文喜欢用很多实例来给主题思想锦上添花，所以读者读这本书的时候经常“只见树叶，不见森林”。这本书大部分篇章是具体难题具体解答，只有很少一部分是理论的精髓。例如，“珊瑚礁篇”是推断现存事物的历史成因；“兰花篇”是讲生物怎么利用现有的资源适应环境的，尽管适应得不够完美；“虫子篇”是关于渐变到质变的过程。达尔文对细节很着迷，所以他的书告诉你的比你想知道的还要多——昆虫怎么给兰花授精，爬虫怎么把东西搬进巢穴，等等——读的时候一不留神就忽略了主题论点和构成他理论大厦的那些闪光思想。

到了1871年（《物种起源》问世的12年后），达尔文赢了拉马克，演化论已经代替用进废退论和结构论，被大部分人所接受，人们相信达尔文所说的“善良的心和灵活的头脑都是演化的产物”。这时候达尔文需要解决的问题是：演化是如何进行的，我们居住的世界是怎样的，还有我们怎么了解世界。《人类的由来》就是为这样一些问题写的前言，达尔文在其中传达了这样的重要信息：美与和谐都是自然选择的“副产品”，生物体争夺有限的资源来进行繁殖——饱暖思淫欲，既然没有谁能长生不老，就得延续香火——就这个道理，没有什么总规律来规定一种生物或者生态系统是好是坏，也没有一个全知全能的能工巧匠在冥冥之中操控这一切——苍茫大地，万物自生自灭。

怎么知道是自然选择而不是其他规律主导演化进程的呢？达尔文的回答很机智，但也很矛盾，经常受到误解——他说，看上去顺眼的解释，不一定是对的——以前的大多数演化理论（包括创造论）都认为生物是向“最优”“完美”的方向演化，因此鸟类才有了“天造地设”的流线体型和比机翼还符合空气动力学的翅膀。但达尔文并不特别考虑“完美”这一因素，他寻找到的证据表明：成功留下更多后代的生物个体并不完美，因此演化是基于生物变异和自然选择，而不是另外某种机制决定了演化的轨迹。

在达尔文眼里，很多生物牺牲了一部分“最优”或“完美”的形态和功能，来确保繁殖数量上的优势（它们并不在意几千万年后本物种是否还存在）。例如，孔雀的尾羽和麋鹿的角都过于烦琐不方便行动，显然对它们的生存没有什么好处，但是能吸引雌性进行交配。这个世界里还有很多奇特、匪夷所思的生物形态和动物行为，除了赢得交配权以外别无他用。在其他理论家眼里，世上的生物都是朝着“最优”的方向发展，绝对不会为了自己传宗接代而断绝子孙后代的发展优势。

自然选择、适者生存的一般道理是不足以解释孔雀尾羽之类变异的。所以达尔文意识到，还有一个与自然选择并驾齐驱的选择过程——“性选择”。具体说来，就是雄性之间的争斗和雌性选择与何种雄性交配。前者使雄性产生了一些杀伤性武器或炫耀性的装饰物，后者使这些武器或装饰更加精巧复杂、吸引雌性注意力并且容易被接受。夜莺唱歌并不是唱给人类听导致暴露自己用的。

然后，人类进入了这一过程。为什么达尔文要用《人类的由来》作前言，为性选择理论“抛砖引玉”呢？原因是达尔文喜欢解答各种自然之谜，并且喜欢用这些谜题的答案来为他的长远目标做落脚点——《人类的由来》的落脚点是不同人种之间的差异，不是别人已经反复论证过的人类共性。达尔文写道，我们可以把人类的差异，比如肤色，理解为对居住环境的适应——有几个不同地点（都属于热带）的人类相对独立地演化出了黑皮肤。但是如果把所有微小或者不变的差异（像是鼻子和耳朵的形态、头发的质地）都看作是环境所赐，那就是对自然选择理论画蛇添足、牵强附会了。可惜的是，有些狂热的支持者还是会犯这种画蛇添足的错误。例如一位杰出的演化论者曾经很认真地对我说，斯拉夫语里几乎全是辅音，因为寒冷地区的人天冷不太张口说话；而夏威夷语里大多是元音，因为那里的居民喜欢大口呼吸新鲜的海风来洗肺。如果不用一般意义上的自然选择来解释，这些微妙而又普遍的人种间差异又是怎么来的呢？

达尔文猜测，不同的美的标准是相隔很远的不同人群相对独立地演化出来的，其间的理由千奇百怪。鼻子上的弯啊，细腿啊，头发上的卷啊……是由性别选择积累和强化的。偶然拥有这些特征的人更容易受异性青睐。

《人类的由来》开头用了250页的篇幅，只是为一段关于人种差异的奇谈怪论做铺垫：

“事到如今，再怎么思考产生人种差异的原因，都百思不得其解。最后一根稻草，我称之为性选择，看来对人类和很多动物起到过重要作用……为了弄清楚这个问题，我觉得有必要回过头来，在动物王国里找答案。”

接下来，达尔文抓住了实质内容，用了两倍的篇幅——500页，来详细地写性选择在群体间的作用。在最后三段里，他把人种差异问题归结于性选择，为前面的奇谈怪论找到了答案。

有的人会误解达尔文的观点，把自然选择和性选择看成是矛盾的。性选择是对于生物争夺交配权最合理的解释，弥补了自然选择的不足（自然选择的一些例子，用创造论的“最优设计”理论也能解释得通）。只有看到生物牺牲了一部分身体功能换取繁殖优势的时候，人们才意识到，繁殖优势可能比任何其他优势更能主宰生物的进化方向，因而更加相信达尔文的观点。

现在我们回到螳螂吃螳螂的话题上来。对生命有着深刻理解的奥登（W. H. Auden）曾经写道，爱与死是文学中唯一值得重视的话题。爱与死也是达尔文关注的话题，他用为数不多的例子就做出了“性选择”的假说。但是，对于常见的科普文章里关于螳螂性食同类现象的廉价道理，我却要打个问号。我不会因为这个话题难懂就绕过不讲，我可能会舍近求远，旁敲侧击，但是不会走入岔路、远离真理（在此造成一些读者阅读上的困难，我深表忏悔）。因为世界不是三言两语就能说清的，强行要把所有科学道理都写得言简意赅，只能像某些教科书那样给读者造成误解。

想一下，没有什么比连命都不要、放弃下一次交配权更荒谬的了——除非公螳螂执意要做一锤子买卖，或者，除非舍生取义之时的“珍贵体液”（《奇爱博士》经典词汇）能更好地滋养“刽子手爱人”体内的受精卵。而实际上，躯体在达尔文看来，只是负担。承载着繁衍下一代任务的是精子里的DNA。在一个以延续基因为目标的混沌世界里，“性食同类”现象并非独一无二。

最近的一期《美国博物学家》（American Naturalist ，美国三本演化论核心刊物之一）主打文章“性食同类与自然选择”三位作者巴斯柯克（R.E. Buskirk）、佛里希（C. Frohlich）和罗斯（K. G. Ross）建立了一个数学模型说明，当雄性处在繁殖劣势，或者他的身体能够带给雌性营养，有利于养育后代，雄性就会心甘情愿地为雌性舍身。这个模型看上去挺有道理的，但是事实上，雄性是“主动请死”吗？如果像本文开头那样，雄螳螂迫不及待地要逃跑，不情愿地被残暴的母螳螂抓住吃掉，我们还能说性别选择导致雄性主动献身吗？我先不抖包袱，看具体例子：

三位作者写道，性食同类在自然界中虽不是绝无仅有，但绝没有其他同类相残那么普遍（见《自达尔文以来》第10篇和《熊猫的拇指》第6篇兄弟相争、母子相食的例子）。目前只知道节肢动物（昆虫和蜘蛛，以及它们的近亲）等30种动物的雌性会吃掉雄性，在蜘蛛中，雌性吃雄性的比例可能更大点。作者举了这样3个例子：

1.雌性欧洲螳螂（Mantis religiosa ）及它的表亲们会攻击任何比它体型小的移动物体。由于雄性昆虫一般比雌性昆虫体型小，交配又需要身体靠近，所以很多雄性成了首要目标。若德（K. Roeder）在他1935年的论文中写道：“不管交配前还是交配后，残暴的母螳螂都有杀死并吃掉公螳螂的倾向……就像吃其他昆虫一样。”

因此，公螳螂总是小心翼翼地接近母螳螂，就好像豪猪之间互相保持距离：爬得很慢，试图躲过母螳螂的余光，如果母螳螂稍一转头，他就“定格”不动——螳螂不会注意静止的东西。若德写道：“母螳螂一留神，公螳螂就保持某个姿势站着，有时候是抬起一条腿，有时候是其他好笑的姿势。”公螳螂就像在玩小孩子“红灯停，绿灯行”的游戏，对手埋头数数，就迅速接近，对手一回头，就赶紧保持一个静止姿势（只是被发现的代价不是退回起点线，而是死亡）。当公螳螂爬到母螳螂身后一定距离时，就拼命一跳，跳到母螳螂背上。如果失败，就离“只剩一对翅膀”不远了；如果成功，则如同达尔文所说“止于至善”——他的生命将在下一代身上延续。交配后，它立即逃之夭夭。

公螳螂第一没有主动寻死，第二已经尽了最大努力逃跑，但往往不能成功。所以，螳螂性食同类的原因并不是雄性主动殉情，而仅仅是断了头的雄性比活蹦乱跳的雄性交配时间更为持久。若德还找到了这种现象的神经学解释：昆虫大部分行为都是受最后一节腹节神经（靠近尾部）控制，而不受意识控制，所以不像人类行为那么有可变性（如果蚂蚁像我们一样有个性，蚂蚁种族的工作效率恐怕要低下得多了）。通常情况下，活着的公螳螂的行为受到食管下神经中枢（靠近头）的抑制，所以是不会做持续的机械运动的。当这个抑制中心一消失，剩余的部分便如失控的机器一样停不下来，甚至会试图爬上如铅笔之类形状大小的物体和母螳螂接近。不过，通常它还是能找到母螳螂，迎接死亡，然后就像苏格拉底所说“如入无人之境”。

2.饥饿的雌性黑寡妇蜘蛛也是一种恐怖的进食机器。想要求偶的雄蜘蛛必须有眼观六路、耳听八方的才能。在雌性的网前，雄蜘蛛试探性地拉扯几根丝线。如果雌性进攻，雄性迅速撤离，或者利用它自己的丝荡秋千飞走。如果雌性不回应，雄性则小心地慢慢靠近，有策略地切断几根丝线，断了雌性逃跑或者进攻的路。雄性经常还会扔出一些丝线给雌性作“婚纱”，这些纱是劣质产品，体型较大的雌性轻轻一拉就断，但是她们通常不这么做，这门“婚事”也就这么敲定了。雄性有两根同样的交配器，先插入一根，如果没有受到攻击，则插入第二根。雌性如果这时有食欲，可能会把伴侣当作美餐，但是在被吃时，雄蜘蛛进行了第二轮授精，让自己留下更多的后代。

有两个事实可以证明蜘蛛的性食同类的原因更像是自主选择。第一，雄性在交配后，交配器通常折断并留在雌性体内。雄性因此不能再次交配，而折断的交配器，就像“贞操带”，也能防止再有别的雄性与雌性交配（很多动物都有“贞操带”，各式各样，足以写一篇和达尔文一样大部头的著作）。第二，交配过后，雄性不再警觉。罗斯和史密斯（R. L. Smith）写道：“成功交配的雄性晃晃悠悠地离开雌性身边，这和它们接近时步步为营形成了鲜明的对比。”

3.雌性沙漠蝎子（Paruroctonus mesaensis ）十分凶狠，可以吃掉它能发现的所有小东西。“所有小到一定程度的移动物体，一律杀无赦”——波利斯（G. A. Polis）和法利（R. D. Farley）写道。由于雄性蝎子体型较小，成了雌性的一大目标，经常被吃。谁还能跟这种杀人狂式的雌性近身交配呢？这成了一个问题。因此，雄性演化出了一套精细的求偶仪式，能暂时压抑雌性的食欲。

雄性有一套利用螯肢“握”和“搓”东西的技巧，能抓住雌性的螯肢来上一段双人舞——一种程式化、双方同步的“舞蹈”［有点像阿瑟·莫雷（Arthur Murray）式的那些舞蹈］。雄性蝎子不是直接插入交配器，而是在小树杈上丢下一个精子囊，然后拉着雌性的“手”，一点一点地向“终点”靠近，然后打她或者蜇她一下，迅速逃命，如果他运气好，雌性会放过他，转而注意丢下的“战利品”，笑纳入自己囊中。但是，有不到十分之一的概率，雌性会吃了她的舞伴，而精子囊还挂在近处的树杈上，等着做餐后甜点。

以身殉情到底对自然选择有什么好处？难道雄性会主动或被动地为“卵”捐躯么？这三个现象都很好玩，但是我看三位作者的解释，并不能支持达尔文的性别选择理论。相反，倒是为其他的解释提供了依据。

因为没有数据显示雄性的成功率（在自然条件下或在人工控制的实验室条件下）有多高，所以符合逻辑的假设是：如果大多数雄性都是自动放弃求生让雌性吃掉，则“殉情”可以算是选择性状。而如果雄性成功率本来就很低，没有逃脱雌性魔掌的能力，那么“殉情”就不能算是一个选择性状，而是其他性状的副产品。

在螳螂的例子里，我看不出一点“主动请死”的迹象。雄性玩“红灯停绿灯行”，在雌性的眼里和其他移动的猎物没有一点区别。至于为什么断头的雄性交配更持久，我真的不知道。在没有其他证据的情况下，公说公有理，婆说婆有理，怎么说都行——有可能某些行为是先天编码好的；有可能抑制中枢和兴奋中枢很早就演化出来了，后来才演化出了性食同类的繁殖方式；有可能雌性的嗜血也是后来演化出来的；有可能雌雄是协同演化，不是独立演化+主动选择，因为雌性就算再残暴，没有雄性送上门来，也一个巴掌拍不响。特别的是，断了头的雌性也能进行包括产卵在内的一系列繁殖行为。如果到现在还有人坚持雄性是主动把头部（跟繁殖无关的部分）送给雌性吃的，我只能用最简单的生物学常识告诉他：雄性都是头部向前接近雌性的，所以头部只不过是“首当其冲”罢了。

作者对黑寡妇蜘蛛的看法也不太站得住脚。雄蜘蛛在交配前和蝎子一样步步为营，然而交配后就懒懒散散，完全没有逃跑的劲头。这到底是一种正常的生理反应（谁的小弟弟断了还能耀武扬威啊），还是“主动殉情”呢？还有，雄性的重量只有雌性的百分之二，这样一丁点肉，还不够塞牙缝，还谈得上为爱妻补充营养吗？最后，最重要的一点，这样天上掉的馅饼（尽管是迷你的），雌性多长时间吃一次呢？如果一天到晚都有吃，那我会比较相信作者的结论。但是有些研究发现，性食同类的发生频率很低，就算是送上门的，雌性有时候也不吃，有的雄性就守在雌性的网里，一直等到死（大概两星期多一点就死了），雌性也置它们的尸体于不顾。罗斯和史密斯只发现过一例性食同类现象，因此他们写道：“我们只亲眼看过一只雄性在交配过后被配偶吃掉，但是，在雌性的网上发现几只雄性尸体，死因未知。”

蝎子的例子虽然最精彩，却最不能说明雄性是“主动请死”。我读那段“双人舞”的时候，注意到雄性努力在求偶后逃跑，大多数成功了，只有少部分失败了。它们在求偶的全程中表现出的，更多是“怕死”而不是“请死”——求偶前，它们分散雌性的注意力以压制其食欲，求偶后，它们打了就跑，玩任何危险的游戏都是要押上老命做赌注的。

在明显缺乏其他事实论据的情况下，为什么我们日常读到、听到的一些科普资料，都煞有介事地下结论说“性食同类对演化有利”呢？像什么“公螳螂为了延续自己的基因，主动殉情，确保自己能当上爸爸”或者“公螳螂把自己宝贵的身体送给母螳螂作午餐，让自己的宝宝能健康成长”诸如此类。

一厢情愿的看法和事实证据之间有相当大的差距——这是现代演化论面对的一个普遍的争议问题。自然选择只不过是演化论的一条原理，但达尔文的死忠们用这一条原理来套所有难以解释的、动物形态或行为上的奇特现象，这就太急功近利了。

那么，生物为什么不能完全适应目前环境呢？大多数人忽略了一点：历史是一个漫长曲折的过程。生物既不是放在模子里成型的西瓜，也不是弹珠台上受人摆弄的小球；它们形式和功能上的缺陷也反过来影响了自身的演化轨迹，不可能环境一变，生物就摇身一变，变成三头六臂的模样。

演化上的每一步，都像是一步棋，有的有利于进一步的演化，有的却自堵了生路。有些“母大虫”演化得残暴得无以复加，给需要繁殖后代的“妻管严”带来了不必要的苦。有些演化是为了被异性选择这个目的服务（有些毫无目的），却带来了意想不到的结果。公螳螂并不想做无头骑士，雄性黑寡妇蜘蛛也不想在雌性的网里苦苦等待，它们都不是心甘情愿的。而从理论上说，有很多种动物更“需要”性食同类，却没有演化出这一性别选择方式。所以，我们要放宽视角，多问一个为什么，而不是对着少数现象赞叹大自然的鬼斧神工。道理是直的，路是弯的，大自然经常把通向好机会的门堵上，不见得看上去能到哪儿，你就能直直地走到那儿。在同一种环境条件下，其他很多动物的雌性都比雄性小、没有那么残暴，连制止雄性施暴的本领都没有。

在莎士比亚戏剧《皆大欢喜》里面，杰奎斯有一段著名的独白“世界是个大舞台”，把人生看成一出“奇怪多事的历史剧”：世界是个大舞台，男男女女只是演员而已，他们都有登场和退场，在世上扮演着不同角色。我们的世界并不完美，演化并不是一只万能之手。世界是一大堆有缺陷的零件的临时组合，这些零件各有各的背景故事。达尔文不仅是自然选择的信徒，更是大自然聪明的学生，他明白：只有理解这些缺陷和背景，才能真正理解演化。一个没有缺陷的世界是没有过去的世界；一个没有过去的世界在人们眼中，当然有可能是被创造出来的。过去是有意义的，它打破了完美的神话，并且证明每一种生命都是由它的祖先演化而来。尊重过去，才能将现实看个透彻。

后记

就在我对性食同类的论文提出越来越多质疑的时候，我有幸在1984年神经科学年会上听到了一则报告。西德的里斯克（E. Liske）和加州大学圣克鲁兹分校的戴维斯（W. J. Davis）对中国大刀螳螂的求偶行为进行了录像和逐帧分析，没有发现任何一只雌性将配偶断头或吃掉；相反，逐帧分析显示了，雄性一系列复杂的行为使雌性不能马上施暴。雄性行为包括：注视、摇摆触须、慢慢接近、反复弯曲腹部，以及最后一跃而上雌性的背部。里斯克和戴维斯提出，之前的螳螂杀夫，可能是螳螂在人工或实验室环境下，由于不安而出现的反常行为。尽管不能因此说其他的性食同类也是反常行为，我还是更愿意相信：性食同类是一种非常罕见的现象，也正因为如此，才物以稀为贵，让人更有兴趣研究。

我经常坚持说，检验神话最好的方法，就是看它们对流行文化的影响有多深。在1944年的电影《福尔摩斯和蜘蛛女》（Sherlock Holmes and the Spider Woman ）中，演员拉斯邦（Rathbone-Bruce）饰演的福尔摩斯揭开一位昆虫学家（真正的杀人犯）的真面目，就是靠识别他谈话中一些细节的错误，例如，犯人把小动物饲养箱叫作“玻璃笼子”，但随后又说“我听说雌性黑寡妇蜘蛛吃雄性”。福尔摩斯立刻指出：“你说你是‘听说’的，但是对任何科学家来说，这只不过是常识。”我迫不及待地想要看下一部侦探电影了。（谁演最新版的《华人侦探陈查理》，有人知道吗？）

03
性别与大小

我8岁的时候，在洛克威海滩上收集贝壳。虽然还不知分类学和林奈命名法（双名法）为何物，但我采用“民间科学家”的方法，把战利品按“常见”“少见”和“罕见”分类。我最喜欢的是指甲履螺，虽然它满地都是。我喜欢这种贝壳多变的颜色和形状，小动物在里面一定住得很安全很舒服。这种喜爱没用几年就变成了狂热。当我进入了青春期，我学习了林奈命名法。Crepidula fornicate这样典雅的名字很能激励我的兴趣。由于这个名字是林奈起的，我对这位分类学之父产生了不可抑制的崇拜。

一叠指甲履螺，旁边标有性别符号：底下的是雌性，顶上较小的是雄性。中间“I”标记表示性别从雄到雌转换。翻印自《自然史》

当学到指甲履螺的生活习性时，我感到就像拿到了通向精彩赛事的入场券：自然状况下，它们是一个叠一个的，小的叠在大的上面，通常一叠有十二个之多。上面的小螺无一例外全是雄性，下面忍辱负重的都是雌性。雄螺的交配器比它的身体还长，可以轻易越过几只雄性，与下面的雌性交配。在一个满脑子性的青少年眼中，这一堆螺简直是“集体淫乱”，只是，最顶上的雄性疑似过着“断臂”生活。

不过，指甲履螺这个学名跟性一点关系都没有，这让年轻气盛的我很失望。林奈本人是看着博物馆柜子里的标本给这种螺命的名，他可不知道它们还有叠罗汉的习性。Fornicata的词根fonix在拉丁语里的意思是“拱形”，林奈是用这个词来形容贝壳光滑圆拱形的表面。 [1]

没失望多久，几年后当我学到这种螺的性别知识后，我对它的兴趣死灰复燃，就连它的拉丁名都成了诱惑。指甲履螺天生会转换性别，专业一些说就是“雌雄同体。”小螺一开始都是雄性，长大后变为雌性。中间的螺正处在由雄变雌的过程中。

这个大厦让里面的居民安居乐业。指甲履螺喜欢住在浅海的泥沼中，但是需要附着在一个坚硬的表面上。伊莲·霍格兰德（Elaine Hoagland）写了一篇详尽的论文，是关于指甲履螺性别变化的。她观察到：一只螺（大厦的创建者），一旦吸住一块岩石或者一块旧的贝壳，就开始分泌一些化学物质或者外激素，用来吸引浮游的履螺幼体向水下移动。然后，她在岩石或贝壳构成的海床表面上打了6个地基：3个有其他成年履螺，3个没有。有成体的那三块地吸引了722个幼体，而空地只吸引了232个幼体。然后，大厦的创建者迅速生长，变成雌性，其他从海面上漂下来的幼体降临在它和其他成年履螺的头上，变成雄性。大厦的居民性别构成在一定时间内保持恒定，但慢慢地，雄性长大变成雌性，就可以分泌吸引幼体的物质，所以大厦源源不断有新的雄性居民。大厦会长高，而雌雄比例总是保持协调。

指甲履螺大厦代表了一种奇特的自然现象——性别转换。性别转换可以是双向的，从雄变雌或从雌变雄，都可以。不过履螺只有从雄变雌，这种现象叫作“雄性先熟”，目前在自然界中比“雌性先熟”更常见一点。为什么是这样呢？

这个问题的答案可能会刺伤一些大男子主义者的自尊心。人类经常以自己和其他哺乳动物为参照系，认为雄性强大，雌性弱小，但是在自然界中，我们更多的是看见雄性比雌性体型小；精子小而且数量多（多了就廉价，即使是小动物也能产生很多精子），只由包含着DNA的细胞核和一条尾巴构成；卵子体积大，除了细胞核几乎全是细胞质，里面含有很多线粒体（能量工厂），以及其他有利于合子发育成胚胎的物质。此外，卵子是胚胎的第一营养来源。最后，雌性通常担负着养育后代的任务，例如孵化、守护。因此，理论上说，大多数动物的雌性都比雄性体型大。

实际上，当雄性要依靠更大的体型获得与雌性的交配权时，雌性的体型优势就被雄性压倒了。长这么大个头完全是浪费种族优势，但是增加了个体繁殖优势。

赢得交配权的竞争一般需要一定的智力，比如，打一套复杂的组合拳，跳一个漂亮的舞，等等。因此，我们通常在具有真正“大脑”的高等动物里寻找不寻常的、由雌变雄的、体型较大的个体。智力和动物复杂程度是成正比的，这也许解释了为什么自然界有这么多雌雄同体的动物，但唯独脊椎动物产生了雄性先熟现象。同理，在一些鱼类（有脊椎的鱼）中，雄性需要争夺交配权，使得一些雌性转换成雄性。道格拉斯·沙皮罗（Douglas Y. Shapiro）研究了长棘花（Antias squamipinnis ，俗称红鱼、海金鱼，是一种热带浅海珊瑚礁里的鱼，有稳定的家族结构，总是8条雌鱼跟1条雄鱼）的性别转换问题。雄性为了保护自己的家族，会和其他的雄鱼打斗。如果雄鱼不在了，8条中的1条雌鱼就会变成雄鱼。性别转换包括一系列形态上的变化：颜色变得更鲜艳，背鳍和尾鳍变得更长更复杂，以及体型变大。

但无脊椎动物不一样。无论是雌性大雄性小的蜘蛛和螳螂，还是由较小雄性变为较大雌性的指甲履螺的例子，都暗示雌性更有优势，但是这其中的原因尚待查明。如果能找出一种理想的“双向变化”生物，既能从小变大、从雄变雌，又能从大变小、从雌变雄，也许我们就能了解事实真相了。这似乎不可能，几乎没有一种生物是由大变小的。1935年关于指甲履螺的一篇论文指出：人工可以加速或减缓指甲履螺的性别转换进程，但是不可能逆转这个过程。

不过，大自然母亲又来帮我们排疑解惑了——这种理想中的“双向生物”出现了，是一种植物——植物也是生物，不幸被我忽略掉了（我之前怎么只考虑到动物啊？真是无知、悲惨的糟老头子啊）。植物可以因为很多种原因缩小体积而不会死。马上要举的例子是北美洲东部森林里一种吸引人的常见植物：三叶天南星（Arisaema triphyllum ），俗名又叫“坑里的杰克”（jack-in-the-pulpit， jack这里指花蕊，又是西方儿歌“杰克吉尔上山来，两人一起把水抬；杰克跌倒摔破头，吉尔跟着滚下来”里“男孩”的代名词，“吉尔”指女孩，pulpit指花瓣）。我高中英语绝对不及格，至今不知道它的复数形式是应该jacks-in-the-pulpit（几个杰克一个坑）呢，还是jack-in-the-pulpits （一个杰克几个坑）好，就像什么mothers-in-law, attorneys-general 之类语法考试常见的文字陷阱一样。我的同事大卫·波利坎斯基（David Policansky）在《美国科学院院报》1981年发表的论文里无视语法规则，全部用单数（就像sheep的单复数同形），而我在以往的文章里单复数用得鱼龙混杂，造成了“杰克”和“坑”混战的局面，有读者来信说干脆jacks-in-the-pulpits好了，哎呀，我本来就喜欢多挖点坑的，怎么就这么笨没想到呢。

大多数的花既有雄蕊又有雌蕊，但是三叶天南星的花蕊只能是雄性（花粉囊）和雌性（柱头和子房）当中的一种。小一点的、只有一片叶子的植株是雄性；大一点的、有两片叶子的是雌性。波利坎斯基在马萨诸塞州康克城附近的伊斯塔布鲁克森林里进行了为期三年的研究，标注并且记录了2038株三叶天南星的生长。其中1224株雄性，平均高度336毫米，814株雌性平均高度411毫米。

由这个“性别体积平均数”模型可以推测：当体积变大有利于雌性时，雄性应该会变成雌性。雄性无论大小，都能产生很多花粉，所以体积大的雄花并没有优势。而雌性体积变大有利于接受空气中的花粉，柱头和子房变大、营养增多容易产生更多种子，所以体积对雌性来说，是至关重要的。波利坎斯基计算了花粉和种子数量的增加，做出假设：三叶天南星的性别转换点是398毫米。后来他发现，在自然界中（或者至少在康克城），性别转换的分水岭是380毫米——和他的假设基本一致。高度在380毫米以下的雄性居多，以上雌性居多。

后来他又证实了雄性植株会自然成长成雌性，而雌性植株在一些非常规环境下会变小、转为雄性，这是他观察的关键之处。有三个原因：植株被吃掉一部分；植株的阳光被挡住了因而生长受到阻碍；雌花在上一个季度已经产生了过量的种子，为了不和种子争夺养料，雌性植株会变小。“吉尔跌倒摔破头，杰克跟着滚下来。”

现在，三叶天南星这一“双向生物”的例子，为自然界通常的性别优势模型（雌性大于雄性）和达尔文演化论补上了缺失的一块拼图，使人类惯常以为的“雄性强雌性弱”显得多么狭隘和可笑。如果男人是衡量一切事物的尺度，那么吉尔应该有个更大的舞台才好。

界限

04　连在一起生活

05　天才的悖论

04
连在一起生活

到1984年为止，巴黎自然历史博物馆的展览大厅整整“内部装修”了15年不对游人开放。这个钢筋玻璃结构的展览大厅，就像19世纪那些宏伟的火车站，已经失去了实用价值，成为历史，仅供学者研究。它的展品所反映的思想——维多利亚时代盛行的侵略扩张思想，以及参观导言牌上刻的《旧约·创世纪》第1章第22节“滋生繁多，充满海中的水，雀鸟也要多生在地上”的豪迈思想，同样已成为明日黄花。现代的博物馆灯光良好、气氛高雅，导言也写得一丝不苟，让参观者能身临其境欣赏展品的美，而维多利亚时代的博物馆豪迈地将大量动物标本塞进有限的空间里。例如英国罗斯柴尔德私人博物馆，斑马标本竟然是仰卧的，这样从地板到天花板之间能堆得下好几只斑马。

大展览厅正是这种过时展览方式的祖师爷，它建于1889年，每一寸空间都堆满了骨架或填充标本，从此以后展品的位置就没有动过。大厅中央的金字塔尖几乎要碰到玻璃屋顶。大厅一侧全是斑马，一侧全是羚羊，最高的展品是6只长颈鹿。展品落满了厚厚的灰尘，展厅黑暗阴森而且单调乏味，似乎暗示着它过去的拥有者是多么的有钱和肮脏。

副展厅，又叫“比较解剖展厅”，比大厅小，灯光条件好一点，而且还对游人开放，但是结构和大厅一样——一排排无穷无尽的标本柜，里面是一层一层的、漂白过的骨架标本。我在走道里来来回回地踱着步，对一长排的海象标本和足足堆了五层的猴子骨架“赞叹不已”。然后我在106号展柜前面停了一小会儿，因为看腻了旁边一大堆毛茸茸的狮子，106号展柜里的畸形胎儿骨架、标本还是比较独特的，让人重新又燃起了兴趣，并且提醒自鸣得意的维多利亚时期的人们：大自然是慷慨的，也是非常残酷的。大多数畸形胎儿标本都是连体婴（又叫“暹罗孪生子”），A8597号有两头、三臂，A8613号有四臂、两腿，以及生在一条脊椎上的两头。A8572号还算正常，但是胸部长有一个无头、四肢完整的畸胎（他的双胞胎弟弟）。

所有这些畸胎都很小，显然是死胎或者一生下来就死了。但是A8599号大得与众不同：两个女孩，具有两条独立脊柱，尾椎相连，只有两条腿，但头部、上身、手臂发育完好。这姐妹俩生下来活了好几个月，甚至还受了洗礼，起了名字。讽刺的是，标签上写着“双头人形怪”，下面同时写着她们的名字“丽塔克里斯蒂娜”（Ritta-Christina）。

我在丽塔和克里斯蒂娜前面沉默了好久，想象着她们从生到死的点点滴滴。如果不是两天后在旧书店里看到一本落满灰尘的《皇家科学院回忆录》1833年第11期的话，我是不会把我乱七八糟的思绪整理成一篇文章的。这本书是伟大的法国解剖学家伊天·塞尔（Etienne Serres）的论文单行本，论文的名称是《应用于丽塔克里斯蒂娜及其他一般连体怪的组织生长与畸形理论》。

生活精致或者生活在小圈子里的现代人，是很难理解正经的学术怎么会和这么恶心的东西相提并论的。其实，无论对成人还是儿童，抽象科学的吸引力和粗俗事物的吸引力相差无几。就在我参观的时候，旁边有一些小孩看到丽塔和克里斯蒂娜，惊恐得张大了嘴巴，但随即强装笑脸来掩盖恐惧。我自己也陷于这种又恶心又兴奋的情绪中，两天不能自拔。我不知道除了博物馆看到的那些小孩，其他小孩怎么样，但是我敢肯定伊天·塞尔跟我的情绪反应是一样的——现在我知道为什么这位法国最厉害的解剖学家一定要亲手切了丽塔和克里斯蒂娜，并且用她来给组织理论做支撑了。

丽塔和克里斯蒂娜于1829年3月23日出生在法国撒丁岛一个穷人的家庭里。今天的父母如果生了连体婴儿，心里一定很难过，也一定会受到人们的同情，而在1829年，在这样度日艰难、社会地位低下的家庭中，父母很现实地意识到：连体婴具有潜在的市场价值，是独一无二的生财之道。于是，父母凑了一些钱，把她带到了巴黎，希望高价展出。在这之前的15年内，霍腾托维纳斯（黑维纳斯，见第19篇）的展览已经受到了不少反对，连体婴展览触犯了社会敏感的底线，权威也禁止公开展出丽塔克里斯蒂娜，但是她还是被私下展出。展出过于频繁，5个月后，她死了——部分死因是日晒过度。 [2]

塞尔1833年论文里的插图，丽塔克里斯蒂娜活着时候的素描
塞尔制作的丽塔克里斯蒂娜骨架标本，仍然在巴黎展出

我有意地一会儿用“她们”，一会儿用“她”来形容这对连体婴。神圣的学术和粗俗的情感经常让我们想到这样一个问题：丽塔克里斯蒂娜到底算是一个人还是两个人？这个问题让参观博物馆的小孩哑然失笑，也引起了塞尔的研究兴趣。这个问题也引起了1829年法国舆论的兴趣。当连体婴死的时候，巴黎的一份报纸写道：“有灵论者已经在很严肃地思索着：她们的灵魂是一个还是两个。”

一个还是两个？这个问题自从“暹罗孪生子”问世以来，历经学术界和世俗间的风风雨雨，至今仍被人们关注。1811年暹罗（今泰国）首都曼谷附近的一个小村子里，一对夫妇生下了一对男性连体人，一个叫恩，一个叫昌。从19世纪20年代到30年代间，两兄弟在欧美进行自我展出，赚了很多钱。44岁时他们决定在北卡罗来纳州定居，买下两套房产，跟英国一对姐妹结了婚，成了富有的农场主，过着舒服的日子。他们三天换一次房，乘坐四轮马车往来于相隔1.5英里（2.4公里）的两处家中。恩和昌都是一家之主，而且非常多产。昌有10个子女，恩有12个。

昌和恩各自是形体完整的人，仅胸腹壁相连，其他均不相连。相连最厚处约8.25厘米，最薄处4.13厘米。他们能够讲不同的话，而且连性格也不同。昌比较忧郁、易怒、爱喝酒，恩性格安静、爱思考、更加快乐。虽然他们是历史上独立度最高的连体人，他们自己还是拿不准他们是一个人还是两个人。他们签任何法律文件，落款都是“昌　恩”，而且经常对各自的独立性表示怀疑。

“暹罗孪生子”恩和昌。出自《格兰杰论文集》

那么，丽塔和克里斯蒂娜，这对从肚脐以下就相连的孪生姐妹，又应该怎么看待呢？第一眼看来，她们上面是两个人，下面是一个。按固有的文化标准来看，有两个大脑，就应该算两个人。但是塞尔拒绝了这种唾手可得的解释。他研究过很多对连体人，认为不管是一个大脑还是两个大脑，都经历了相同的发育过程，只不过，应该有更严格的解释标准：如果身体分开，脑部相连，就只能算一个；如果脑部分开，身体相连，就是两个人。

塞尔用了300页的篇幅来努力说明这个问题，最后的结论是：丽塔和克里斯蒂娜是两个人。他的论据和做学问的方法已经是过去式了——仅仅是让今天的人了解过去的人对一个大家关注的问题有多么不同的思考方式——而且我相信塞尔至少错了一半。

塞尔代表了19世纪早期生物学的浪漫主义传统——在德国叫作“自然哲学”，在他的老家法国叫作“超凡形态学。”今天的形态学家研究生物形态、功能和行为的目的是为了确定它们的演化关系或者找出适应意义，但是塞尔和他同时代的科学家是为了一个完全不同的目的。他们痴迷于一种观念：“千姿百态的生命，一定是由某种超自然的法则操控的。”

依照柏拉图哲学的传统说法，这些“法则”一定在生命出现之前就存在了。现在的生命体只不过是这些法则的偶然体现，生命消亡以后，法则还是永远不灭，与宇宙同在。研究生物学，是研究纷繁世界背后永恒法则的第一炮。简而言之，生物学家们必须找到一种“形态法则。”

塞尔1833年书中插图，与丽塔克里斯蒂娜相反的，脑部相连的连体婴

塞尔从胚胎学入手，为这种超自然传统理论加了一块砖。他同时代的科学家都是从研究静止的成年人身体入手，企图从单单一个“最终产物”中找到永恒法则。但是生物体都是从一个受精卵开始，长成个体，中间的复杂过程各不相同。如果形态是由法则控制，那么就应该研究“半成品”动态的构造规律，而不仅仅是成品之间的相互关系。

塞尔的论文单行本前200页都是关于形态学原理及其胚胎学应用的晦涩难懂的论述，他组织论据的方法也和今天的科学家不同：今天的作者，在听说丽塔克里斯蒂娜、昌和恩以及其他好玩的例子之前，是不会先写结论的。今天的胚胎学家，也是先讨论实例，再谨慎地下结论。但是塞尔这样的超自然科学家相信，形态法则在遵循法则的生命出现之前就存在了。如果大自然中的抽象法则先于事实出现，那么人类也可以空口说瞎话了——只要想得到，就能做得到嘛。其实，无论是先理论、后事实，还是先事实、后理论，都是极端情况，不是我们做学问的正确方法。现在的那些励志文章采用的“这个故事告诉我们”写作套路也不比塞尔的套路更能自圆其说。

在论文的开头部分，塞尔试图为所有动物的胚胎学总结出三条基本的“器官学”法则。第一，“向心”律，或者叫“圆周向圆心”生长律，意思是胚胎外表面的组织先形成，然后向内填充。第二，“对称”律：胚胎里每个器官都是一对，中轴线两侧各一个。第三，“近似”律：对称的器官逐渐向中间靠拢，长成型以后才合并为一个（如心脏、胃等）。对于这种现代人看来匪夷所思的理论，我还是对它仁慈一点吧——它貌似解释了胚胎发育过程中偶然发生的一些现象。塞尔写这篇论文，是在卡尔·恩斯特·冯·贝尔（Karl Ernst von Baer）刚刚发现人类卵细胞几年之后，那时细胞理论还未问世。他的形态学研究，在我们这些懂得细胞学或者分子细胞学的人看来是如此古怪，但至少填补了当时科学界的空白。

在这200页之后，塞尔终于谈到了丽塔克里斯蒂娜，读到这里，读者才意识到为什么他前面要长篇累牍地解释“器官学三大法则”——原来他是要为“连体人的独立性”这个重要问题做准备。丽塔和克里斯蒂娜虽然各不完整，但是是两个人——这是“形态法则”早就预言的了。

丽塔和克里斯蒂娜腰部以上是两个人——这一点没人提出疑问，问题是：如果光看下半身，很完整，很正常，就和我们正常人一样，但很明显只是一个正常人——一个肛门，一个阴道，两条腿。如果她们原本是两个人，那么是怎么天衣无缝地合二为一的呢？

塞尔用他的“器官学定律”硬要把丽塔和克里斯蒂娜的下半身看成是两个人合并的产物——一定是先有对称的组织（对称律），向中间合拢（向心律），才能完美地融合成一个器官（近似律）。塞尔理所当然地认为，如果我们刚开始都有两个未成型的心、胃、肝，那么丽塔和克里斯蒂娜即使只有一个子宫，也一定是丽塔的一半和克里斯蒂娜的一半融合而成。塞尔骄傲地宣称他的形态法则解决了连体人的难题。

塞尔后来发现，这对连体人有一个较大的子宫，和卵巢与阴道连接良好，如果成年以后，绝对是能生出孩子的。但是，另外还有一个较小的、发育不良的子宫，但这并没有动摇他的观念——他解释说较大的子宫是两人各出一半，这样产出的孩子就有两个母亲：

“丽塔和克里斯蒂娜生殖器官的结构显示……大自然不仅保障了这两个孩子的生存，并且帮她们延续后代。大自然把一切都融合在一起，让她们一起承担快乐和苦痛……如果这个大一点的子宫孕育了受精卵，生出的孩子将会有两个母亲，这对终身生活在一起的女孩将会有个满意的结果。”

塞尔接下来讨论脑部连接、腿部分开的连头男婴的独立性问题，认为“他”是一个脑子里有“两个思想”：

“两个独立的个体完美地融合。感觉器官和左右脑半球只有一幅，服务于两个身体，原因是很明显的——在这一个头脑里，有两个‘我’。”

塞尔很豪迈地自圆其说，貌似解决了一个几乎无望的难题。对他的努力尝试，我们应该表示感谢，读到这样离经叛道的见解的确是很有趣的一次旅行。但是，必须否认他的结论。

受精的人类卵子通常变成一个个体。在很偶然的情况下，受精卵一分为二，发育成两个互不相连的细胞群，然后发育成两个胚胎。这样的同卵双胞胎具有相同的基因。从极端的生物学观点来看，他们其实是一个人的拷贝。有很多心理学文献资料显示，同卵双胞胎都有一种被割开的不完整感。但是，日常生活中，同卵双胞胎经常有性格差异、容貌微小差异，不难区别，这有两个主要原因：第一，人们的常识是，身体分开，就是两个人（见下一篇）；第二，人的性格千变万化，很大一部分是外界环境塑造的，不管同卵双胞胎有多少相似之处，他们的人生之路也不尽相同。

在极为罕见的情况下，一个受精卵开始分裂为两个细胞群，但是两个细胞群没有完全分离，于是连体人出现了。分离程度不同，连体的方式多种多样，有的是一个人身上长了一个死去的兄弟姊妹（称为畸胎瘤），有的是完整的两个人只连一层体壁（恩和昌）。丽塔和克里斯蒂娜处于中间状态。从现代生物学的观点来看，恐怕必须否认塞尔的结论（两个人），而承认这是一个未决的难题。

我们居住的世界是复杂的。有一些界限很清晰，能够准确区分，但是自然界里也有一些连续的事物，不能放到两个篮子里，也不是非黑即白。对于反堕胎伦理学家提出的“界定生命起点”的要求，生物学家是不赞成的，因为“生命起点”这个前提本身就是漏洞很大的。生命从卵和精子形成到呱呱落地，是一条不可分割的连续过程（显然，自卫是不能算谋杀生命的）。议员们尽可以颁布法令惩处堕胎行为，但是这样做丝毫没有生物学依据。丽塔和克里斯蒂娜从另一种角度看也是不可分割的——部分是两个人，部分是一个人。而且，我也要抱歉地说，这个几世纪以来都没有解决的难题，是没有答案的。

如果这么长一段夸夸其谈之后只给出这个解释，让你觉得心里空荡荡的，我只能对这个古老的谜题做一个模棱两可、但是让人释怀的回答：这个问题没有答案，因为问题问错了。长久以来关于连体人独立性的问题，都建立在“一个萝卜一个坑”的非黑即白的假设上。如果我们意识到世界充满了不可分的连续事物，我们也就不会觉得丽塔和克里斯蒂娜的问题悬而未决了。

但丁在他的《神曲》里写分裂教会的罪人在地狱里遭到肢解的酷刑，为他们思想上的犯罪受到了肉体上的惩罚：“你看穆罕默德被割裂得多么厉害……你在此处看到的所有其他人生前都是不和与分裂的制造者，因此，他们都被砍成这般光景。”

但丁用肉体上的割裂形容思想上的分裂。让我们重视“连接”的价值吧，丽塔和克里斯蒂娜的身体不可分割，启示我们，人的思想也不可分割。

05
天才的悖论

“嫁鸡随鸡、嫁狗随狗”是一种美德——但有些人随得太没原则，就让人反感了。歌剧《彭赞斯的海盗》的女主角梅布尔（Mabel），不幸地爱上海盗喽啰弗雷德里克（Frederic），我对她深表同情。还没品尝到爱情的欢乐，她就发现还要为自己的心上人苦等63年，直到他84岁的时候，才到法定婚龄，摆脱海盗的身份。然而（这种情节也只有吉尔伯特和沙利文这样的剧作家才能编得出来），她居然心甘情愿地承诺等下去。

这是怎么回事呢？剧中的另两个角色——海盗王和弗雷德里克的贴身侍女（也是被他抛弃了的旧相好）露丝（Ruth）告诉了观众原因：弗雷德里克阴差阳错当上了海盗喽啰，与海盗王约定，要在他年满21岁的时候结束亡命生涯，重获自由。但是他偏偏生在2月29日，也就是说，虽然21年过去了，但他还“只是个5岁的小孩”——海盗王很高兴地告诉他，希望他能呆得久一点。这时，三位配角“幸灾乐祸”地唱起了一段小合唱，似乎是在分析弗雷德里克的窘境：

“悖论多么巧妙，能把常识嘲笑。”

有两个经典的悖论。古希腊哲学家芝诺的“飞矢不动悖论”：一支飞行的箭是静止的。由于每一时刻这支箭都有其确定的位置，因而是静止的，因此箭就不能处于运动状态。“阿基里斯永远追不上乌龟的悖论”：阿基里斯要想追上前面的乌龟，就必须横越他与乌龟之间距离的一半，而就在他跨越这段距离的时候，乌龟又前进了一段距离，无论这段距离多么小，阿基里斯总是有一半的距离需要跨越，他也就永远追不上乌龟了。我们喜欢悖论，因为它迎合了我们心灵崇高的一面和古怪的一面。弗雷德里克让我们发笑，但是同时感到：猜不透的谜题背后隐藏着逻辑和生命的本质。

生物学史上也有个经典悖论，是19世纪著名的难题之一。赫胥黎（Huxley）和阿加西（Aggasiz）为此水火不容，海克尔（Haeckel）站出来调解。20世纪的科学家已经再也不讨论这个难题了，可能是因为我们觉得没有一个简单的答案能解释它。但是，只要对悖论还存有好奇心，这个棘手的问题还是可以带给我们一些启示。

僧帽水母（Physalia，又称“葡萄牙战舰水母”）是这个悖论的集中体现。它是一种管水母目动物，珊瑚和水母的近亲。围绕着它的问题基本得不能再基本了——关于怎样定义一个自然界生物，以及它的界限问题——僧帽水母是一个个体，还是一个群体？

管水母目属于腔肠动物门（又叫刺胞动物，包括水母、水螅、海葵和珊瑚），腔肠动物的两个特性引起了我们的疑问：第一，很多腔肠动物是集群生活，甚至粘连在一起生活——大珊瑚礁就是成千上万的细小珊瑚虫堆积的产物。第二，腔肠动物具有“世代交替”的生命周期，例如珊瑚虫固定在珊瑚礁上的部分叫作“水螅体”，水螅体的触手无性出芽生殖，产生可以在水中漂浮的水母体，水母体有性生殖，产生精卵细胞，结合为水螅体，如此往复。

不同种类的腔肠动物有不同的世代交替方式。有的终身只有水母体，有的终身只有水螅体。腔肠动物三大类中，第一大类钵水母纲，又称真水母，是以水母体为主（通常看见的所谓的“海蜇”是水母体）；第二大类珊瑚纲，是水螅体为主；第三大类水螅纲一生中既有水螅体时期，又有水母体时期。管水母目属于水螅纲，关于它的特点，光看书是无法了解的——那些技术文献既不吸引人又不开门见山，总是用成堆的术语糊弄人——把每个水螅体或水母体称为一个“个体。”

“随风起航”的帆水母（Velella），也是一个群体——“帆船”是一个水母体，每根触手都是一个水螅体。翻印自《自然史》杂志引用的海克尔1888年专著《挑战者》

僧帽水母，上面有漂浮的浮囊，下面有悬挂的触手，粗看起来像一只完整的水母（水母体）。但进一步仔细观察，我们会发现这顶漂浮的“僧帽”其实是很多个体（水螅体和水母体）的结合。浮囊是一个变异的水母体（有些科学家认为它是一个变异得更厉害的水螅体）。触手的形态和功能差别很大，有的负责捕食，有的消化，繁殖，但它们不是普通的水母触手，而是变异了的水螅体——每条触手都是一个独立的个体。帆水母（Velella，字面意思是“小帆”）是另一种常见的管水母目生物，被人起了一个可爱的名字“随风起航”，更让人抓不着头脑。一眼看来，为数不多的个体紧密地结合在一起，就像一个折纸帆船周围长了很多触手——换句话讲，就像一只结构简单的水母。但其实上面的“帆船”是一个水母体，每根触手都是一个水螅体。 [3]

僧帽水母。这种生物是一个群体，不是个体。漂浮的“帽子”是一个水母体，下面的“触手”每条都是一个水螅体。翻印自《自然史》杂志引用的路易斯·阿加西1862年的专著
赫胥黎1849年所绘的葡萄牙僧帽水母。他认为这个生物是一个个体，不是群体

大多数管水母目的生物都细小透明，生活在远海里。它们飘浮在浮游生物充足的海面上，或者浅浅地游。它们是肉食生物，用触手形成的罗网捕捉小浮游生物。较大的管水母目生物，包括僧帽水母，能诱捕并吞食相当大的鱼类；而且刺伤海滨浴场的泳客——这是一些人永远的痛。

复杂一些的管水母目生物由一系列分化结构组成。身体可以大致分为两部分：上部是用来运动的浮囊和泵，下部是用来捕食和繁殖的管和丝。两部分都包含了一系列不同的水母体和水螅体。

先来看一下水螅体不同的形态和功能。我们发现了三种基本型和数千种衍生型。第一种叫作进食个员（feeding organs），又称虹吸管（“管水母”拉丁名意为“虹吸管搬运工”），是一种管状结构，每根管都有一个独立的胃和喇叭状口。一个浮囊（漂浮的水母体）下面能附着大量的虹吸管。虹吸管变异不大，很容易看出是完整的水螅体。其他的水螅体和水母体变异很大，而且分工不同，就比较难辨认哪个是水螅体，哪个是水母体。第二种叫作指状个员，是细长的触手，负责捕捉小动物并把它送到虹吸管里。有的僧帽水母的触手超过50英尺（约15米）长，上面长有刺丝囊细胞（简称刺细胞），触手交织成网，诱捕猎物。触手通常没有口，也没有消化器官，因此，如果不是看到它们是由独立的水螅体发育而成的话，很容易把触手看成是个体的一部分，而不是一个完整的个体。

相对简化的管水母结构图，仅供启蒙。图上只画了四种基本类型的个体：上面的两种是水母体。标p的是浮囊，或称浮球。标n的叫作“泳钟”。下面两种是水螅体。标s的是捕食管。标t的是很长的感觉触手。摘自海克尔1888年的专著《挑战者》

第二种，捕食个员（capturing parts）的形式和功能一般都异常复杂。触手上的刺细胞聚集成一团或者一排，有的还有髓鞘保护。多孔水母（Stephanophyes）触手的末端细丝含有四种类型的约1700个刺细胞。捕食时，细丝首先套住猎物，放出少量的刺细胞。如果没有杀死猎物，细丝将会收缩，把猎物拉近一点，放出一排更大的刺细胞使猎物麻木。如果猎物仍在挣扎，细丝就继续收缩，将猎物再拉近一点，让最大最厉害的一排刺细胞结束猎物的痛苦，然后，把这个手下败将送到虹吸管里以供消化。

珍妮弗·普塞尔（Jennifer E. Purcell）最近用实例证明，进食个员和捕食个员不是像织好的蜘蛛网那样守株待兔，而是担当着主动获取食物的作用。她发现有两种刺细胞团能模拟“猎物的猎物”（浮游动物的食物）的形态和活动。盛装水母（Agalma okeni ）的刺细胞团看上去像是有两条触角的桡足动物，两条“触角”每隔5～30秒就分别收缩一次，看上去就像一群飞快游动的桡足动物或浮游节肢动物。在文章的最后，普塞尔写道，她切开盛装水母的消化袋，发现了三种尚未消化的生物遗骸，都是桡足动物的天敌。玫瑰花篮水母（Athorybia rosacea ）的刺细胞团像是幼鱼，也可以快速收缩，模仿鱼类游泳和进食的动作。

第三种水螅体叫作生殖个员（reproductive structures），负责繁殖后代。通常是短而简单的管状结构，没有口，也不会动，但是可以分裂出芽，产生的水母体精卵结合，生成下一代的管水母群体。

复杂的管水母包含四种基本的水母体：游泳个员、漂浮个员、保护个员、繁殖个员。游泳个员——泳钟，基本上是由水母伞状体变异而来，变异程度不大，只是比普通水母少了下面的触手。有些管水母具有规则排列的泳钟，靠着肌肉的节律收缩推动管水母，以华丽的“圆舞步”转圈移动。漂浮个员——浮囊，里面充满了气体（成分接近普通空气），本身不移动，负责让管水母漂浮在海面上或悬浮在一定的深度。它们的来源众说纷纭，过去一直被看作是水母体变异而成，现在有些科学家又认为是水螅体变异而成。管水母中最常见的两种，帆水母和僧帽水母，只有大的漂浮个员，没有泳钟。因此，它们随波逐流，经常大批地被浪冲到港湾或者海滩上。

第三种水母体（保护个员）——又称覆盖器官或苞片，是变异得最奇特的结构。它们通常是平的，像一面棱镜或一片叶子，形态和功能都与水母体大相径庭。所以，如果没有跟踪观察它们的生长历程的话，完全不会想到它们是从水母体变异而来。

繁殖个员可以分裂出无性繁殖芽体。少数几种水母的芽体可以独立漂浮在海里，但是它们既不能捕食，命也不长，一旦释放出精卵细胞就死掉了。但是大多数管水母的芽体并不脱离母体，而是附着在母体上释放精卵细胞，就像生殖器官一样。

到现在为止，我对个体还是群体的悖论避而不谈或者小打小敲。我已经讨论了水螅体和水母体的各种个员，按照演化史的标准，“各种个员”这样叫是公认的准确无误了。管水母是由聚集在一起的各种独立生物体演化而来，从这样的过去判断，管水母是一个群体。但是，这个群体紧密到了密不可分的程度，不同的个员形态差异巨大，分开了就不能独立存活，整个聚合体就像一个个体在运作，生物学上称为“超个体”或者“超有机体。”

从功能上来说管水母的各种个员不再具有个体意义。它们就像器官一样，各有所长。整个群体合而为一，各种个员分工合作。虽然每个泳钟都有独立的神经系统，但有一个神经束把所有泳钟连接起来。有了这条神经通路，一排泳钟才能交替收缩，让这群（或这个）管水母能够精确优雅地移动起来。碰触小水母（Nanomia）一头的浮囊，另一头的泳钟就会收缩，让这只（或这群）小水母远离危险。虹吸管通过一根共通的中轴，把消化了的食物泵给群体的其他个员。即使是空闲的虹吸管，也和其他虹吸管一起蠕动，帮助整个水母群体（或个体）更快地吸收食物的营养。

中间是一个完整复杂的管水母图示。群体包括了以下变异个体，由上至下依次是：单独的浮囊p；排成一排的游泳个员（泳钟）n；指状的感觉触手或触管q；束状的生殖个员g；有喇叭口的进食管s；细丝状的捕食触手t。其他图形表示的是一些个员生命早期时的样子。翻印自《自然史》节选的海克尔1888年专著《挑战者》

在上一段里我有意地加了一些括号，为的是强调一下“应该称管水母为一个个体或一个群体”这个基本悖论——因为从演化史来看它是一个群体，而从目前的功能来看它更像一个个体。还有各种个员——从生长史来看，它们是变异了的个体；而从目前的功能看，它们是一个整体的不同器官。这该怎么办呢？

一种更加复杂的管水母，多了保护个员——苞片。从上到下依次是：单浮囊、两竖排泳钟、叶状保护苞片、有喇叭口的虹吸管、细丝状的捕食触手。翻印自《自然史》节选的海克尔1888年专著《挑战者》

这个问题激起了19世纪博物学家一场著名的关于管水母的辩论。赫胥黎随英国舰队“响尾蛇号”做了很长一段时间学徒，期间研究过管水母（这场实习没有达尔文在“小猎犬号”上的随行实习著名，但一样能代表这种耗时、过时的博物学家训练方式）。他认为管水母就是一种普通的生物体，它身体的不同部分是实实在在的器官，而不是变异了的个体。赫胥黎还在他一篇著名的文章里用管水母做第一个例子，说明生物的个体性是怎么回事。

而阿加西选择了美洲海滩，把僧帽水母作为研究对象（我在文章里引用了他制作得很漂亮的一幅版画），认为管水母是群体，它们的结合是鬼斧神工。

杰出的艺术家和博物学家欧内斯特·海克尔1873～1876年随英国舰队“挑战者号”航行（海洋学上最著名的一次科学考察），期间收集了很多管水母并将它们绘成图版。这一系列的图版（包括本文引用的其他所有的插图）随海克尔的报告一起发行，制作得非常美，前无古人后无来者（虽然有的地方太过于讲求对称的艺术效果，牺牲了精确性）。海克尔还在他1904年的版画集《大自然的艺术形式》（Kunstformen der Natur ）里收录了其中的几张。在这本画集里，动植物被排列成一种古怪的对称样式，具有扭曲的美感，就像巴黎地铁里的小书报摊的那种清一色“新工艺美术派”作品。

海克尔的理论本该需要另文解释和探讨，但是他试图调解赫胥黎和阿加西之间的矛盾，把管水母看成是部分群体（他称作“水螅个员理论”）、部分个体（“水螅器官理论”）。和赫胥黎一样，海克尔甚至大胆地用管水母作类比，形容他理想中的人类社会组织结构。他在《论自然和人类生活中的劳动分工》（Über Arbeitstheilung in Natur und Menschenleben ）中，把其他简单腔肠动物比作原始人类社会的生活方式、简单分工和群体重复劳动：“大自然野性未脱的人类，仅仅维持最低的生活水平，既缺少文化也缺少分工——或者像大多数动物一样，仅限于性别分工。”然后，由管水母的复杂群体联想到“高等”人类社会分工带来的好处，包括“动用成百人手，用不同方式和态度”制造毁灭性武器的现代战争。

现在我们能给这一长久以来的争论一个说法了吗？两个合理的标准，思前想后却得到不同的结论——生长史的标准支持“群体说”（管水母是很多个体聚集而成的一个群体），而功能的标准支持“个体说”（管水母是一个个体，具有各种器官），能不能从自然史的第三个主要标准（生长和形态学）得到启示，从而把天平的指针拨向某一方呢？

生长和形态学像是一个难以选择的大礼包——它提供的线索对双方观点都有利，同时也都不利。对“个体说”有利的证据是：管水母是从一个受精卵发育而来，在生命的最初阶段，它是一个普通的个体，这以后的任何生长，不也应该视为个体的逐渐完善么？此外，成年的管水母各部分并非各行其道，而是整齐划一。有的僧帽水母甚至可以分为左撇子和右撇子。

但是，我们也可以为“群体说”做出同样可信的论证。管水母固然是从一个受精卵发育而来，但是随即从一个共同的中轴分裂出不同的个体。这种生长方式并不罕见，在一些通常看成是群体的生物中也存在。例如一片竹林，一开始只是一粒种子，而且连在一根地下茎上，但是我们还是把一根竹子看成是一个个体。

此外，高度分化的个体有时候还残留着一些退化的器官。例如泳钟，虽然只有伞状体，没有大部分进食和消化器官，但有些种类管水母的泳钟长有一些简单的触手，有的触手甚至还有眼点。保护苞片是所有个体中间分化得最厉害的，但是有两种管水母的苞片残留着简单的口——表示它们还是完整的水母体。

看来这个问题又变成了悬而未决，需要掷硬币决胜负了。如果管水母纯粹是按照个体或者群体的方式长大的，那问题不就解决了吗——但是大自然偏偏不开这个恩。如果所有的个体生下来都是麻雀虽小，五脏俱全，等到长成之后，再根据需要，扔掉不必要的部分，那么“群体说”赢的机会就大了；如果中轴上分裂出芽体，然后各自脱离——钟形部分变成泳钟，长的部分变成虹吸管，那么就可以证实“个体说”。但是泳钟就是泳钟，苞片就是苞片，长出来什么样，我们看到的就是什么样。每个芽体都是同时按照个体方式和群体方式成长。我们又陷入一组不可解决的矛盾当中了：例如从水螅体生殖个员分裂出来的无性繁殖芽体，由于和群体不搭界了，也许可以称为一个个体，但是转念一想，它既没有嘴也不能捕食，一旦释放出精卵细胞就会死去，难道能把这样一个繁殖机器称为个体吗？再如果，这个芽体附着在群体上不脱离，是不是完全就是一个生殖器官呢？

最后，仅仅是为了好看，把海克尔1888年的另一幅图版给读者过目

如果陷入了这样的怪圈，就必须反省一下是否走错了路。必须原路返回，换挡，重新界定问题，而不是因循守旧、钻牛角尖、为一些小聪明和小发现沾沾自喜、指望最后那个永远不会到来的“点睛之笔”。

大自然中有些事物是抽象的，没有明确的界限，是不可分割的连续过程。从生物个体到群体之间的漫长过渡地带，就是其中之一。即便是“群体”“个体”这样的术语，也没有精确明白的定义。它们只能作为两种方向，指导我们研究生物学。如果一个生物体和其他生物体没有固定的联系，自身的各部分整体运作，不能脱离整体独自运行，那这样的生物体就可以称为一个个体。

在这个连续过程中，大多数生物不是靠近“群体”一端，就是“个体”一端，所以分辨起来没有什么困难。一个人就是一个个体——即使所有多细胞动物的远古祖先都是群体，这个起源也可以忽略不计，至少从目前的功能以及任何语言中“人”这个字（词）来看是这样。珊瑚虫是群体，虽然彼此相连，但是每个珊瑚虫都是完整的生物，各行其是。

既然自然界中群体和个体之间有漫长的过渡地带，中间必有一部分，既不能划归群体，也不能划归个体，甚至不好称呼。这不是人类缺乏知识，而是大自然的本质。想一想从明确的个体往中间过渡的过程吧：在人类看来，我们的社会由不同个体组成，每个人在空间上和遗传上都和其他人不同步。看到蚂蚁了吗？即使蚂蚁有紧密的社会结构，有些博物学家甚至称一个蚂蚁的群体为一个超有机体，我们还是倾向于把每只蚂蚁看成个体。

下面看蚜虫——我们开始对它没有好感了——有的蚜虫是孤雌生殖，也就是说，雌虫不与雄虫交配，自己就能“克隆”出很多个自己。这些基因相同的蚜虫到底是独立的个体，还是一个具有许多相同部分构成的巨大演化体呢？（最近有一个著名的演化生物学家支持后一种观点。）

那竹林怎么样呢？越来越难下结论了。一片竹林里所有竹子的基因都相同，是从一根地下茎上长出来的。地上的每根竹子是一个个体还是一个部分呢？我们通常还是习惯把每根竹子称作个体（即便很多生物学家有异议），因为每根竹子看起来都差不多，都有完整的结构。 [4]

最后，管水母呢？现在我们到了过渡地带的最中央，不能给出一个明确的答案。管水母的不同个员从生长史来看是个体，从功能来看是器官，从生长和形态学来看两者皆是。用二分法来做研究失败了，但我们无法否认我们要面对的历史。

管水母的故事并没有告诉我们“大自然是一个巨大的整体，所有部件结合紧密、互相作用，构成不可言喻的和谐”这样一个信息——这是“无脑的浪漫主义”最喜欢表达的主题。相反，大自然为界限和区别而欣欣然。我们生活在一个有一定结构的宇宙中，但是既然这个有结构的宇宙是逐渐演化出来的，那么当中必定呈现出一些缺乏明确界限的事物，有的事物层层嵌套。如果遵循旧的思考习惯，坚持万物都可以归档，其实是一种自我安慰，因为贫乏的智力难以忍受模糊性这“不可承受之轻”。

管水母的难题没有答案。唯一的回答就是——我们问错了问题，因为前提违反了自然规律，所以问题本身没有意义。管水母是个体还是群体？都是又都不是，而是过渡地带中间的某一段。

管水母的悖论给人启迪，并不叫人泄气。虽然解决不了，但是一旦知道为什么解决不了，就抓住了自然的真谛。这其中的道理和下面一个趣事讲述的道理是一样的：一个妇女在一个周五的早上去肉摊，说：“拣只大鸡给我。”奸商一看只剩一只瘦鸡了，就把它拎来一称：“两磅。”妇女嫌不够大，于是奸商假装左翻右找，把瘦鸡换了一个角度放到秤上，用手指压了一下秤说：“三磅。”妇女说：“唉，算了，两只都给我吧。”看起来不一样的事物，常常是一个事物的不同侧面。 [5]

注解：

[1] 　后来，我从故纸堆里又翻出来一种甚合我意的说法：“罗马人冠冕堂皇的建筑地下都有拱形的砖筑贫民窟……早期的基督教作家发明出了一个词fornicari，意思是妓院。庞贝古城的妓女们住的就是这种拱形地洞。”

[2] 　我应该给前面这段添一些话：贩卖畸形和隐私并不是过去这些嗜财如命的人的专利，哪能少了我们出尘脱俗的现代人的份呢？《纽约时报》1984年11月23日某一版上有两篇挨得很近的报道，放在一起看十分耐人寻味：第一篇是巴内·克拉克的继承人对《读者文摘》提起了200万美元的诉讼，原因是“违背合同，出版了一本关于克拉克先生遗孀的书”。第二篇写道，世界首例移植了狒狒心脏的女婴“菲”的父母把报道他们家故事的所有权卖给了《人物》杂志。

[3] 　就在我在《自然史》上公布了“葡萄牙战舰其实不是一只水母”这个观念并且把它灌输给我的热心学生以后不久，出乎意料地，一个学生说她参加电视智力竞赛刚巧碰到“葡萄牙战舰是什么”这道题，按我教的回答，结果输掉了比赛。哎，怎么能让流行文化灵魂附体呢？它不是一个人在战斗！它不是一个人！

[4] 　植物学家比动物学家更常遇到这个难题，所以他们设计了一套术语：每棵基因相同的植株叫作“分株”，具有相同基因的植物群落叫作“基株。”这套术语没有解决根本问题，而是更加证明了通常的“个体”概念不能解决问题。

[5] 　我同事约瑟夫博士跟我又讲了这个趣事的另一个版本：这个妇女去买水果，问柚子的价钱。摊主说“三角五两个”，妇女又问“一个多少钱”，摊主回答“两角。”结果，妇女说“给我另一个一角五的”。

贰　理论和看法是两码事

两个可敬的创造论者

06　亚当的肚脐

07　结冰的洪水

06
亚当的肚脐

无花果叶是伟大的古代画家笔下的遮羞布，把亚当和夏娃的私处遮得严严实实，表现了人类在伊甸园里纯洁的幸福生活。不仅如此，在很多古代画作中，一根无中生有的藤蔓把亚当的肚脐也遮了起来。因此，很多认真的信徒想知道亚当到底有没有肚脐，比争论“针尖上能站多少个天使”的经院派哲学家还要煞有介事。

亚当压根儿就不是母亲生的，所以也没必要有脐带。但是，神制造亚当不是用来作为世人的原型吗？换句话说，神难道不是按照自己的样子造人的吗？既然这个伤脑筋的问题一时没有方法解答，画家也不想触怒任何信教的人，所以他们各显神通，发挥创造力，都把亚当的肚脐遮了起来。

几个世纪后，一门新兴的学科——地质学，提供了很多线索，证明了地球历史的久远。圣经直译主义（也叫经律主义，意为完全按照字面意思来理解《圣经》）的兴起，使得人们对这个星球的过去再次产生怀疑。地层和其中的化石，好像书页一样记载着无尽的过去，但是，“神难道不是按照现成的模板创造地球的吗？难道我们应该相信，神创造了地层和化石，只是让现代人拥有历史的错觉，从而和谐有序地生活吗？如果神赐给亚当肚脐，也赐给他的子子孙孙们肚脐，那么，神一定是把世界的一切都安排好了，不仅过去安排好了（据《创世记》所载，地球的历史只有几千年），连未来也安排好了，人类只需要按着顺序写史书而已。”

这段论述摘自英国博物学家菲利普·亨利·高斯（Philip Henry Gosse）1857年写的书，经常被作为推理的反面教材，因为它形式上无懈可击，内容上荒诞不经。高斯严肃认真地为这本书起了一个名字——《肚脐》（Omphalos，希腊语，为的是对史书和亚当表示尊敬），副标题是：尝试解开地质学谜团。

既然《肚脐》完全是胡说八道，读者可能要问为什么我还要提它呢？首先，因为作者高斯是一个正派、热心的人，不是什么对时局不满的怪人。任何对科学诚挚热情的人都应该受到我们的重视。引用罗马戏剧家特伦斯写的一句台词——“我是人，因此不能对任何人类的所作所为漠不关心。”

高斯（1810—1888）在他那个时代是最流行的博物学作家，相当于我们今天著名的BBC自然生态节目制作人和解说人大卫·艾登堡。他写了十几本动植物的书，读者甚众，他还发表了几篇关于海洋无脊椎动物的论文。不仅如此，在一个只有宗教情感才被认可，连正常情感都无处发泄的时代，他作为一个正统的基督教信徒，能发表这些书，已经很不容易了。尽管他的《英国海葵史》和其他自然史杂文选已经没人看了，他还是落了个老古板的坏名声——这都多亏了他儿子的回忆录《父与子》，书中把他描写为维多利亚式家长，尽管慈爱但极端干涉宗教自由，而儿子是拼命抗争的热血青年。

我探讨《肚脐》的另一个理由，是因为大自然里存在很多反例，《肚脐》就是其中一个。这些反例不一定能证明，但一定能证伪。如果想了解什么是一般人，那么一个有创见的叛逆者教给你的，比一万个普通市民还要多。理解《肚脐》令人反感的原因，就能理解科学和逻辑推理是怎么一回事。其次，《肚脐》虽然前无古人，但是后有来者，它的神学背景和我们今天独尊西方思想、排斥外来文化、创造论改头换面死灰复燃的社会现实何其相似！这个经典的反例，不能不说有借鉴意义。

要理解《肚脐》，必须先搞清楚一对矛盾：如果作者是一个书斋里的神学家，对大自然毫无体验和感情，那么他写“地层和化石都是神事先造好的，为的是给人类造成错觉”这种瞎话还情有可原，然而，作者是一个成年累月观察自然的博物学家，他跋山涉水、日复一日地研究化石，给它们起名归类，还要冒着不被承认的风险——难道这一切，他都认为是神给人开的玩笑？我把这个包袱先放起来，待会儿再抖。

高斯是他那个时代描述功夫最好的博物学家。他的儿子写道：“他收集、观察、归类，同时代无人能与之匹敌。”而《肚脐》之所以被人丑化、嘲讽，问题在于作者把神创造地球的过程解释为一个精巧的恶作剧，神故意把一些东西“做旧”埋在地下，似乎是在检验人类的信仰，或者是在开一个人类难以发觉的玩笑。高斯既然又要忠于化石又要忠于神，左右为难，那么他写出来的东西只有反作用——让后人引以为戒，不得不更加勤勉地研究地质学，并且尊重一切“真相”，包括已发现和未发现的。理解了为什么一个献身于实证科学的人会制造出《肚脐》这种谬论（神按照现成的模板造物），就可以理解谬论背后更深一层的东西。

《肚脐》开门见山地提出了一条大前提（不过是靠不住的前提）：所有自然过程都是无尽的循环，鸡生蛋，蛋生鸡；橡树长橡果，橡果长橡树。

这就是有机的自然界的全部秩序。我们也身在其中，发现自己一圈又一圈地跑着，无穷无尽，就像瞎马推磨……（作者注：在机械化到来之前，磨坊里的马戴眼罩，或者本来就是瞎马，这样它们就不会依照本性向前跑，而是围着磨绕圈。）这不是某几种生物的定律，而是所有的：适用于所有动物、所有植物，从棕榈树到球藻，从单细胞生物到人类。每一个有机体的生命都是在无尽的循环中，无始无终……牛总是从牛胚胎而来，而牛胚胎又是从牛而来。

上帝造物的时候，完全没有留下演化的空间——高斯竟然完全对此深信不疑，他进而写道：“他必须破坏这完美一环上的某处”，然后进入这个破掉的环（高斯比喻为“放下他的圣饼”），将“第一个”创造生物弄成好像有祖先的样子，以便让人们相信这些虚无缥缈的祖先是存在过的。如果神造的第一个人是成年人，他的头发和指甲（高斯还是没有提到肚脐）就要制作成像是自己长出来的样子，而不是从无到有。就算他造的第一个生物不是成年人而是受精卵，也要留下一些线索，以便让后人推算出，这个受精卵是产生于爱情之果、精卵结合、从母亲的子宫孕育出来的。

创造万物只有一种可能，就是打破并进入一系列的环……假如这个缺口刚好开在我们乐意看见的地方，并且留下了永久的影响，那我们一定不可避免地会下结论说，每种生物都有一个祖先，而这个祖先还留有创造它之前那种生物的痕迹。但是，既然有创造就不可能有“之前”的什么生物，创造之前是没有生物的，所以，每种生物的祖先就不可能带有“之前”的什么印记。

为了指代环上“创造前”“创造后”的两部分，高斯发明了一对术语。一个叫“时间之前”，意思是上帝造物的那六天，是不能用通常意义上的时间来计算的，只不过人类称之为生命之初罢了；另一个叫“时间之后”，指的是世界创造完毕之后，发生的事件，都可以用通常意义上的时间来计算。亚当的肚脐以及古代物种的化石是“时间之前”的产物，而亚当在尘世间活的930年以及现代物种是在“时间之后”范围之内的。

高斯花了300页，也就是《肚脐》90％的篇幅，列举了一长串的例子，为的是铺垫那10％的论述：如果物种可以从生命的任何一个阶段创造出来，那么“最初的形态”一定是早就设计好的“时间之前”的样子。我从他长篇累牍的例子中节选一些出来，代表他的既豪放又浪漫的散文式论述风格：“如果神造哺乳动物都是按照成体的样子造的”，高斯写道，“它们的牙齿一定是在‘时间之前’就被神磨损过了。”

高斯引导读者进行一场想象之旅，时间地点是创造完成后一个小时的荒野。他在海岸上停了下来，观测着远处的海浪：

我看见远处是……可怕的海中霸主……恐怖的鲨鱼。它偷偷地向前游……让我们上前，往它的嘴里瞧一瞧……这不是一排可怕的刀枪吗？这不是一箱让你发抖的刑具吗？这么一排三角形的手术刀将给你的腿动怎样的截肢手术啊？

这些牙齿排布成螺旋形序列，一排紧接一排。一颗磨碎或脱落了，后面一颗就会替换上来：

因此，我们现在看到的这些竖起的、瘆人的牙齿，只不过是继承了已经脱落的那些牙齿的地位。后排闲置的牙齿，是前排的预备队，它们就是这样一排排地前仆后继……我们被眼前的现象迷惑，得出鲨鱼有着漫长过去这一结论，殊不知鲨鱼从无到有，只不过经历了一小时。

如果有人说，前排的牙齿没有坐过后排冷板凳，是一开始就长在那儿的，高斯就会回答说，前排的牙齿上也有磨损，这就表明牙齿一定在“时间之前”就磨损了。如果有人说，神刚造好的鲨鱼“未拆封”的时候，牙齿上是没有磨损的，高斯马上又举出另一个例子来反驳：

离开海滩，来到一条宽阔的大河。巨大的河马在这里欢快地嬉闹和打滚。我们来看看它们的牙齿怎么样？

现代的所有成年河马的门齿和臼齿都磨损得很厉害，表明牙齿在河马漫长的一生中发挥着积极的作用。但是，反对者说：有没有这种可能——神创造的第一头河马在“未拆封”之时，具有鲨鱼一样锋利、未受损的前齿呢？高斯反驳说，河马要是长了鲨鱼的牙，就不能正常地吃东西了（这句是对的），然后他说，未拆封的河马的牙齿也是有磨损的，这是神在“时间之前”故意做旧了的：

由于咬合运动，牙齿光滑的表面已经研磨殆尽，这显示了时间的流逝。可能有人会反对说：“你怎么会以为这些牙齿自创造之日起就磨损成这个样子、并且默认第一头河马就是成年的呢？牙齿怎么就不能是完好无缺的呢？”我回答说，不可能。如果河马的牙齿完好无缺，直立的犬齿就必然会把它的嘴顶开，让它合不拢嘴吃不到东西，直到饿死为止，除非犬齿磨短了，嘴才能闭上……磨损的程度只是时间问题……这个案例多么有力地证明了神的丰功伟绩，又是多么容易误导人啊！

整本书充满了这样的论述，除了一个野猪牙齿的例子。高斯继续引导着读者，沿地形顺序一路神游，到了一片内陆森林，看到了Babirussa（一种产于东印度群岛的野猪）。这种野猪的上犬齿长而后弯，几乎要回过来戳进自己的脑门了。

高斯的河马颅骨素描，作于1857年，展示了磨平的前齿（长时间磨损的结果）是正常咬合的必要条件

高斯1857年书中的野猪头骨素描，表现了臼齿的磨损和上犬齿的生长

在一片肉豆蔻灌木丛林中，站在我们旁边的是一头野猪。让我们仔细看看。它在这儿，差点就潜入温暖的小池塘里了。温和的长牙小猪，请你把嘴儿张开！

我发现，高斯对一个古老难题（重要性不亚于“针尖上能站几个天使”以及“亚当有没有肚脐”）的说法还是相当站得住脚的：“先有鸡还是先有蛋呢？”高斯回答：“两者皆可，只要上帝高兴，他可以从两者中的任何一方开始，并制造出另一方在‘时间之前’就存在的假象。”高斯的前提“两者皆可”还是正确的，但也就到此为止了，其余全是瞎掰。为什么这种瞎掰不再流行了——因为第二种假设出现了。这种假设现在已经被人们全盘接受了，而且使先有鸡先有蛋的问题也变得不再重要了——这种假设就是演化论。演化论使高斯的环再也转不起来了：每个物种的祖先都是太古海洋里的无机物。如果生物体是从虚无中创造出来的，那么高斯关于“时间之前”的论述还值得敬佩。但如果生物体是一路演化到现在的模样的，那《肚脐》及其理论就土崩瓦解了。对于演化论的威胁，高斯是明白的，但他鲁莽地忽略了这种威胁。他承认，演化论让他那一套名声扫地，但是，他坚持认为，只有傻子才会全盘接受并崇拜演化论这种明显的胡说八道（《肚脐》发表于达尔文《物种起源》出版两年前）。

如果有人和许多人一样，坚持认为物种从比较低劣的形态逐渐变为比较成熟的形态……那他尽可以去相信他那套假设，与我完全无关。我写的东西是不会对这种人产生精神上的触动的。

但是高斯接下来又遇到了第二个，也是更大的难题：“时间之前”那套理论可以为单个的生物体生命周期自圆其说，但是怎么解释整个地球及其化石档案呢——高斯可是打算把《肚脐》写成一部让地球编年史和圣经年表一致、“尝试解开地质学谜团”的伟大专著的啊。他论述生物体“时间之前”的身体部件，只是为了支撑他的地质学主旨（神按照现成的模板创造地球），而后者本身就是站不住脚的，因为长达300页都是重复介绍各种生物祖先的化石，没有一篇是关于现代生物的，这样重复的类比论断一点说服力也没有。

高斯勇敢地试图把“时间之前”的两个前提（所有自然过程都是无尽的循环、神按照现成的模板创造世界）推广至全球，但是他的强词夺理遭到了世人的反对，而且，《肚脐》由于自身逻辑上的庞大与笨重而不堪重负，土崩瓦解。

找出世界和生物体两者之间的共同点之前，需要解决的问题就是：地球上的生命史是循环的吗？如果是的（有很多理由证明是），那么我肯定“时间之前”和神创世界一样是有根据的，因为一个圆圈上有无数个点，没有一个点不是连着之前的点的。

但是高斯从来就没有实实在在地从地质学角度记载什么循环，他的论述也就淹没在华丽辞藻和圣经传道书的一片汪洋里了：“江河流入大海，海却不满不溢；水归回发源之处，又川流不息。”

随后，为了把化石说成是“时间之前”的产物，高斯做了一个牵强附会的类比，足以把编精神病测验问卷的人吓一身冷汗：“胚胎：成人=化石：现代生物。”鸡是从蛋里生出来的，但是按照高斯的“循环论”来看，现代的爬行动物（高斯这样的反演化论者也属于“爬行动物”）一定是从恐龙蛋里变出来的，蟒蛇也是“时间之前”的三角龙怀下的种。

看高斯已经辩到了兴头上，我们也就可以抖开文章第8段提到的那个包袱了：高斯之所以既拥护地质学研究，又觉得地层和化石是上帝开的玩笑，是因为他认为“时间之前”和“时间之后”都是真实存在的，并行不悖的。上帝规定，两种存在方式都是合理的。化石是属于“时间之前”的那一部分，是上帝一夜造好然后摆在那儿的；“时间之后”的部分按部就班地发展。两部分各循环各的，都没有被打断过。这两种截然不同的丰功伟绩，向人类显示上帝是多么有思想有计划。

高斯认为，上帝制造“时间之前”的化石等产品既不是恶意戏弄人类也不是检验人类信仰，而仅仅是遵守他自己的逻辑，做出自己的决定，让创造的生命有了循环。上帝把创造物石化，埋在地下，让它们像是常见的生物变成的一样。地质学家应该以同样的热情研究科学和上帝的旨意，因为只有通过研究“时间之前”和“时间之后”才能了解上帝行事的道理。光研究地层年代表，无异于只盯住上帝思维地图里一个小小的路标。

接受这本书里讲到的神学原理……一点也不会影响对地质学的科学研究……地层的特点和顺序，以及动植物群落，这些一点也不会改变，仍然值得调查和研究……观念中的时间和实际的时间是有差别的，理解了什么是观念中的时间，就得以探讨那段不可感知的漫长时间——这段时间只存在于上帝的心里，而不存在于这个世界上。

原来，高斯写《肚脐》是为了帮助科学家们解决潜在的宗教信仰冲突，而不是对他们的做法或者科学研究价值发难啊！

他儿子埃德蒙写道，父亲对《肚脐》抱有多大的希望：

从来就没有哪本书的作者像这样古怪、固执、狂热，明明说是做善事不期报答，还要抱有这么大的指望。我父亲等待这本伟大著作出版的时候，一直处于一种焦灼不安、极度兴奋的状态中。他认为，他的这本《肚脐》，将平息科学界的纷争，将地质学带入圣经温暖的怀抱之中，让狮子和羊在一起吃草。

然而《肚脐》迎来的却是读者们的怀疑、讥讽，或者更糟的——极度的沉默。埃德蒙·高斯继续写道：

他以光辉形象出现，把这本书献给无神论者和基督徒。他想把这本书作为全人类的万灵药，一剂精神上的药方，用来治疗无可救药的时代弊病。但是，哎！无神论者和基督徒看了一眼这本书就发笑，然后就把它扔了。

高斯描绘出了一个上帝的形象：这个上帝创造出了一个细节完整、貌似真实的过去。高斯自己是对这个上帝无比顺从的，他的同胞——讲求实际的英国人，却对此深恶痛绝。亚当·斯密形容英国“满国都是店老板”，他们喜欢就事论事，不喜欢深究背后那些非显而易见的大道理。“时间之前”那一套他们实在是难以消化。查尔斯·金斯利教士是与高斯同时代的知识领袖、同样献身于科学与宗教，说尽管“五至二十年的地质学研究漫长痛苦，结果也不尽如人意”，但他也不愿意放弃。他就是不相信上帝在石头上刻下的是一个弥天大谎。

从此，关于高斯的争论就这么过去了。这不是高斯的专利，后来不断地有创造论者把这种神创论观念改头换面、包装上市，但是从来就没有受到过欢迎，因为大多数人凭感觉认为上帝是高尚的、仁爱的，不会做不光彩的事，所以高斯提出的“上帝是有点小聪明的、喜爱开玩笑的”这种观念触犯了大多数人的第一感觉。现代的美国创造论者也是强烈反对高斯的观念，认为他把上帝描绘成了一个道德上不可靠的形象。这些创造论者转而发明了一种更加荒谬的解释：化石地层是诺亚那次洪水造成的，以为这样把时间一压缩，就可以和《创世纪》的年代对得上了。

但是《肚脐》究竟犯了什么大错呢？真正的理由只有一条：我们既找不出一种方法来证明它错，也同样不能证明它对。“无法证明”的命题，不是细节不精确，而是方法论上犯了大忌。科学是一种有规律的理解事物的途径，而不是《肚脐》这样高深莫测、让人似懂非懂的说教。

科学是一个不断检验假说、否定假说的过程，而不是给现成的知识做提纲。它包含了一系列可检验、可证伪的猜测。不能检验的理论，就不算是科学。科学是实干，不是苦思冥想；我们否认《肚脐》，不是因为它是错误的，而是因为它完全没用。

忽略了科学推理的这一重要特征，就是高斯所犯的深层次错误。他越是强调“不管你信不信《肚脐》这一套理论，地球照转，母鸡照下蛋”，就把自己的棺材盖钉得越紧。他以为拒不认错，就能使地质学家接受他的理论，压根儿就没料到反而招致全盘否定。他写道：“我没有料到，这个结论，明明已经被人们接受了，现在却要放弃，只保留地质年表。”

高斯强调，上帝破坏了圆环上的哪一点，何时创造每种物种的第一个生物，人类是不能得知的，因为“时间之前”和“时间之后”的创造物，看起来差不多。如果有人问粪化石是怎么回事，高斯则会回答说神造成年动物的时候，连肠子里的粪便也一起造好了，因此把粪便石化了埋藏在地层里，也不见得有多奇怪（这句话不是我为了开玩笑编造的！不信你自己看《肚脐》的第353页）。这些话将高斯盖棺定论，将他永远锁在科学的大门外：

现在，我再重申一遍，“时间之前”和“时间之后”的生物发展的差别是感觉不出来的。生理学家用于证明牛是从母牛子宫里生出来的每一条证据，同样可以用来证明上帝创造的是牛的胚胎……没有，也不可能有任何现象表明创造是从哪里开始的，必须要有证据。我不可能随随便便从现象推出结论。

从这段话可以看出，由于《肚脐》的失败，高斯已经完全情绪崩溃了。在1858年1月，一个漫长寒冷的冬夜里，高斯带着满肚子的气，和他8岁的儿子坐在火炉边，试图通过谈论过去和当时的一些恐怖杀人案的细节来打消他的怨愤情绪。小埃德蒙听见父亲谈论曼宁夫人把她杀死的受害者的尸体用生石灰埋了起来，自己用黑缎子上吊自杀了；苏格兰盗尸者伯克和黑尔；还有所谓“旅行袋碎尸案”，一袋切得很碎的尸体从滑铁卢大桥的码头上挂下来。这些恐怖故事是不适合一个身心还未发育健全、易受影响的小孩听的。据埃德蒙自己回忆，他当时差不多吓得僵掉了。不过，高斯竟然能在受了沉重打击的情况下，用这些实实在在的恐怖事件作为心灵的寄托，而不是通过虚幻的故事逃离现实，这还是让我感到比较欣慰的。

后记

后来，我得知我最喜欢的阿根廷作家博尔赫斯为《肚脐》写了一篇很吸引人的短评《神创论和高斯》（收入《探讨别集》，博尔赫斯1937～1952年的作品集，出版于1964年，德克萨斯大学出版社，英文译者：露丝·希姆斯）。博尔赫斯先引用了一些文献，引出了亚当和夏娃没有肚脐这个问题，例如托马斯·布朗（Thomas Brown）爵士《医生的宗教》（1942）里对原罪的比喻：“没有肚脐的人，还在我身体里”；以及乔伊斯《尤利西斯》（这是本包罗万象的书）的第一章：“赫娃，赤身露体的夏娃，她没有肚脐。”我尤其欣赏博尔赫斯短评中的嬉笑怒骂（虽然我不尽同意他的第二个观点）：“我要强调高斯被人遗忘的论文的两个优点。第一，优雅得让人发毛。第二，不自觉地把从无到有的伟大创造过程降格为荒唐行为，像吠檀多、赫拉克利特、斯宾诺莎和原子论者一样，展示了宇宙的永恒。”

07
结冰的洪水

旧时代的逸事和新时代的奇闻常常殊途同归。毕竟，人类相通的思想感情总是能够超越时间，现代的演员也可以从历史舞台上学到东西。

我要讲一个英国地质学史上的故事，跨度是20年——大约从1820年到1840年。这个故事展示了科学是如何全力以赴地发展的：英国首屈一指的一名地质学家提出了一个理论，和所有理论一样，这个理论表述得很清晰，和理论创始人的社会地位和心理状态紧密相关，而且建立在实证基础上，是可以检验的。可惜经过检验，这个理论是错的。两名支持者直截了当地放弃了这个理论，然后从头开始，为这个理论阐释的一些现象找到更充分的解释。

1823年，牛津大学的首位“官方”地质学家——威廉·巴克兰牧师（Reverend William Buckland, 1784—1856）出版了一本科学专著，名字起得很响亮——《洪积层的遗迹》（Reliquiae diluvianae ），可以看出，作者企图将宗教和地质学两个领域互相融合。副标题“对洞穴、裂隙、沉积砾石层中的生物残骸，以及其他证明全球大洪水存在的地质学现象的观察”向人们表明：巴克兰相信大洪水的存在，地质学的证据只是用来支持神学的理论的。后来，一些同样是创造论者的“真正的”科学家检验了巴克兰的理论，并且把它否决掉了。在过去150年内，再也没有地质学家把诺亚洪水当回事。

现代的原教旨主义者（信奉正统派基督教的人）称自己是“科学创造论者”，又把诺亚从故纸堆里掘出来，把大洪水当成自己理论体系的关键。他们其实是五十步笑百步——巴克兰把地表的一些松散土壤和砾石看成诺亚洪水的产物，而他们把所有含有化石的地层都归结于诺亚洪水。诺亚洪水竟然还当作一个基本地质学事件，通过了阿肯色州的“创造科学法案”，直到1982年1月才被废止。巴克兰的合理研究方法（提出明确假说、检验、否定）和原教旨主义者的独断专言比起来，实在是说明科学与伪科学差别的再好不过的例子了。

巴克兰之前已有地质学家提出“洪水理论”，将诺亚洪水和地质学证据联系起来，但巴克兰把感性与可测试性融为一体，这至少是洪水理论的一次创新。洪水理论的始祖（创造论者们拥戴的老古董）认为所有地层或者至少大部分地层，都是经过一场洪水产生的。这个旧理论存在了几个世纪，到了巴克兰那个时代，已经完全没人相信了。巴克兰1836年写了下面一段话，仅仅用一段话就把旧理论否决掉了，但是还是无力改变阿肯色州“少数服从多数”强迫学童学习洪水理论的事实：

有人企图把所有岩石地层的形成都归结于《旧约圣经》中那场洪水，这个观点和现实不符：地层十分之厚，分层多得数不胜数，而且动植物遗骸的种类是由浅至深逐渐变化的，越深的化石就越古老、和现在的物种差异越大。

另外一些地质学家认为，“大洪水”其实是地表变动，旧大陆沉没、新大陆从海底升起——这就解释了为什么山顶上有贝壳的化石。但是巴克兰不承认这种新旧交替说，他不需要用洪水来解释地貌和山体地质结构。他认为地球有漫长的历史，从较深的地层到较浅的地层在时间上是递进的，只不过偶尔有地壳上升形成断层、破坏这一延续罢了。

巴克兰所描述的洪水没有老古董们和新旧交替论者描述得那么惊心动魄和有看头，却是描述得更可信。他提出洪水并非发生于远古，而且洪水淹没大陆的时候，大陆原地不动、并没有沉没，而且洪水过了一小段时间，就退去了——“洪水是全球性的，但是转瞬即逝，”他写道——而且只留下浅浅一层土壤和砾石以及涨落蚀刻形成的一些地貌特征。

《洪积层的遗迹》并不是胡扯大洪水前因后果的理论专著，而是对洞穴和相关动物区系的实证研究。在动笔之前，巴克兰考察了约克郡柯代尔（Kirkdale）地区的一处洞穴，并且为此获得了英国皇家协会颁发的科普利奖章（Copley Medal）。后来他又将研究扩大到英国的其他洞穴以及德国的一系列洞穴和裂隙。

巴克兰认为，上涨的洪水扰乱了所有野外的环境，只有与地表隔绝的洞穴里面的生物群落保存得较为完好，还是大洪水以前的样子。这就是他为什么用洞穴资料作为一场新近的、短暂的洪水的重要佐证：

暴虐的洪水完全破坏并重塑了地表。所以只有不受洪水淫威的洞穴，才是没有被破坏过的现场，才有希望找到大洪水之前的证据。

洞穴里有很多骨头，淹没在水底，都是当地洞穴动物的骨头（洪水的威力还没大到把洞穴动物和世界各地的动物赶到一起住），骨头化石都很新（埋得不太久），外面只覆盖了洪水冲进来的一些烂泥或者洞顶滴下来的薄薄一层钟乳石结晶（也说明洪水并非发生于远古），这些物种虽然都灭绝了，但和现代的物种非常类似（大概是挤不上方舟的倒霉的动物吧）。

巴克兰对柯代尔洞穴的讨论是他的方法以及论证模式的一个很好实例。他发现了大量的骨化石沉积物，破碎成尖锐的碎片，有的埋在泥里，有的覆盖了一层钟乳石结晶。巴克兰用当时形容美食的方法来形容这个藏宝洞：

泥浅的地方有大堆的牙齿和骨头。有一些骨头的尖端露出泥层和石笋表面，就像乳鸽腿直直地伸出馅饼皮，上面又裹了一层钟乳石做成的脆皮。骨头的下端没有脆皮，深陷在泥中。

巴克兰这本专著的大部分是证明柯代尔洞穴是鬣狗的巢穴，里面的骨头是鬣狗带进来咬碎的。和所有优秀的地质学家一样，他通过研究现代鬣狗来推测它们的老祖宗的所作所为。他钻研了他力所能及的有关鬣狗的一切，既阅读了古典作家的拉丁文文献，又亲自观察了埃克塞特（英格兰西南部城市）动物园里的现代鬣狗。他证明了柯代尔洞穴里的骨头碎片和现代鬣狗咬碎的骨头碎片的尖角角度是一样的，还发现洞里一些含有骨头碎片的奇特小球和埃克塞特动物园笼子里的鬣狗粪便是一样的。他还在洞中发现了大量的鬣狗骨头——都是碎裂了的——说明鬣狗吃同类的尸体，就像吃其他种类的猎物或腐肉一样。

一张有意思的透视图，画的是19世纪式的洞穴挖掘。富含“大洪水遗迹”的洞穴向人们献出了它的宝贝。摘自巴克兰1823年的专著

巴克兰在洞中没有发现一块完整的骨头（在洞外倒是发现了一些），所以他猜想洪水来的时候，鬣狗迅速离开洞穴，跑到山上去了：

为什么连一具完整的、后死的、没被同类咬碎的鬣狗骨架都找不到呢？难道还需要问吗？——对于这个问题我们可以给出足够的解释：在那场毁灭一切的大洪水到来之际，洞里如果有鬣狗，它们一定跑出去，逃到山上去了；而且，即使跑出去，也一定被大洪水淹死，回不来了。这从英格兰和德国的洪积层砾石里发现的鬣狗骨头可以看出。

柯代尔洞穴里常见的有大象、犀牛和鬣狗的骨头。由于现代的这些动物都栖息在热带地区，所以巴克兰设想大洪水是气候迅速变冷的标志。（他想错了。因为我们知道，现代的大象、犀牛和鬣狗的毛很短，而冰河时期的这些动物祖先长有长毛。）《洪积层的遗迹》里没有任何对变冷原因的探讨和理论。巴克兰没有采用传统的系统构建和猜测的方法来证明洪水的存在，而是通过实证方法，用具体的证据来证明。由于建立在实证基础上，巴克兰的理论是可以检验、可以证伪的——这就是科学需求的良好方法。巴克兰在讨论了变冷的可能性以后，做出了唯一一个假设（洪水导致变冷），然后立刻向更大的目标进发：

是地轴的改变，还是彗星的接近，还是很多天体因素的结合，或其他原因导致气候变冷呢？其实只要用排除法。

讨论了柯代尔洞穴以及英国和德国的其他洞穴以后，巴克兰继续写到证明全球性大洪水存在的一些次要证据。《洪积层的遗迹》最后一部分给出了两个佐证：第一，他研究了北欧岩石地层上的土壤和砾石，在其中发现了与柯代尔洞穴中一样的动物骨头。由于他把土壤和砾石看成大洪水的沉积物，所以他认为，与洞中骨头相似的残骸一定是诺亚没带走的那些动物所留下的。第二，他认为，山脊和山谷一定是水流涨落所蚀刻而成的。

在为柯代尔洞穴的发现做出总结之后，巴克兰做出了一个推测，为他后来的失败埋下了种子。大洪水理论至少需要两个例证才能成立：第一，所有洞穴里的沉积物和砾石必须是同时代的。第二，这些沉积物必须是一次形成，而不是多次洪水或其他灾难造成的。这样，才能证明诺亚洪水既封住了洞穴，又遗留下了土壤和砾石。

泥里并没有像多次洪水沉积而成的那种层叠的骨头或钟乳石。水好像只进来过一次，水里的泥土和砾石都很均一。

做出这个推测，也就是离开了他宣称的实证的正道（实际上这种道并不值得走，也没有几个想象力丰富的科学家能一直走下去）。没有数据表明那些洞穴里沉积的土壤和砾石是同一个时代的。此外，由于洞穴是分散的，他也无法直接证明化石是同一个时代的。巴克兰完全搞反了——从先入为主的信念到实证的结论。他以为这些分散的、不连续的沉积层是同一个时代的，正是因为他深信诺亚洪水是历史上真实存在的。然而，他也宣称可以仅从实证证据证明诺亚洪水的存在——两头都通是不可能的。

出版这本书的4年之前，巴克兰在1819年牛津大学就职演说上，大胆地宣布道：

离我们并不久远的时代发生过一场全球性的大洪水，这已经是不争的事实。就算我们从未从经文中听说过这一事件，地质学也会向我们证明。

这段引文经常被用来讽刺巴克兰食古不化、自欺欺人。不是这样的。这段话虽然很强硬，并非全无道理，而且反映了科学史上一个具有讽刺意味的事实。

回溯历史，我们知道，英国和欧洲北部大部分地区都曾经数次被大陆性的冰川覆盖。冰川留下的痕迹——巨石被搬运了很远的距离、大量不同种类的砾石被搬运到今天所在的位置——这都很像是一场大洪水造成的。有很多冰川地貌都是融冰形成的洪水的产物，巴克兰其实也研究冰河作用，但是他很自然地用洪水来解释数据。如果巴克兰生活在南欧，或者地质学起源于热带，那么历史上就不会有洪水理论了。巴克兰想象不出自己祖国的土地上曾经覆盖着一英里（1.6公里）厚的冰，这也不能怪他。在1820年，冰川理论是荒谬可笑、不可想象的，而洪水理论倒跟人们的理智和经验毫不冲突。但是，如果我们回溯历史，就可以轻易看出为什么巴克兰的理论经不起检验了。他把洞穴沉积物和地表的砾石归结于一场洪水，而事实上，它们是数次冰河运动的产物。

从1820年到1829年，巴克兰的理论成了伦敦地质学会辩论的主题。英国最伟大的地质学家分成两拨，各执一词。正方是巴克兰和他的盟友——牛津大学的同事亚当·塞治威克牧师（Adam Sedgwick）。反方是渐进主义最初的倡导者查尔斯·赖尔（Charles Lyell）和贵族罗德里克·英佩·默奇森（Roderick Impey Murchison）。起初巴克兰一方的激情辩论像洪水一样压倒对手，但是不到10年，巴克兰和塞治威克就举了白旗。

两个主要的发现迫使巴克兰鸣金收兵：第一，他最终承认土壤和砾石的沉积层并不是遍布世界（这样就称不上“世界性”的大洪水），而只是在纬度较高地区（原因是冰川从两极地区向外移动，但是巴克兰不知道原因）。第二，也是更重要的，巴克兰在经过长期反复的地质研究之后，证明洞穴和砾石的年代并不一致，或者说，并不“对得上号”。它们分成很多层，所以不是一场洪水造成的，而是多场冰河运动的结果。“对号入座”是野外工作的地质学家的基本活动。从一个岩层走到另一个岩层；从一个地层寻找另一个地层的蛛丝马迹；确定哪些地层和另一个地方的一些地层是相同的，或者时间上是一致的。

在经过长期的基础研究之后，地质学家发现巴克兰的洞穴沉积层和砾石是多次形成的，不是单独一场洪水。这个发现并没有排除洪水这个偶然因素，但是却把诺亚从特殊的位置上挤了下去。如果有很多场洪水，那么巴克兰给出的证据即使再惊人，也不能解释为圣经故事了。此外，由于巴克兰在任何一个沉积层里都没有发现人类的骨骸（根据传说，洪水是神用来毁灭贪婪的人类的），他最后只好附会说所有这些洪水都只不过是大洪水的前奏。

1829年，围绕着巴克兰一方的干将威廉·康尼拜尔（William Conybeare）关于泰晤士河谷的论文，地质学会举行了一场热情洋溢的辩论。之后，赖尔用胜利的笔调，写了一封信给支持他的吉迪恩·曼特尔（Gideon Mantell）：

默奇森和我打了一场硬仗，巴克兰的态度很软。康尼拜尔的研究报告无论从哪方面看都很弱，竟然提出诺亚之前有三场洪水！而巴克兰添了一句，说上帝知道还有多少场洪水，我们已经把《圣经》榨干了。

1836年，巴克兰在书中承认了失败，但是还没有认识到另一种可能性——冰川的存在：

自从《洪积层的遗迹》出版以来，又有了一些发现，表明书中提过的一些动物在灭亡以前，在不止一个地质时代出现过。因此看来，地质变革更有可能是因为水量数次激增，而不是像经文描述的那样较为平缓地上涨。

当理论站不住脚时，巴克兰这样优秀的科学家并不是简单地承认被打败、钻进洞里、穿上苦行衣讨饭去了。他们保持着兴趣，继续努力找到新的解释。虽然洪水理论没有通过实证检验，但是巴克兰不是完全放弃，而是最终引导英国科学家用冰川代替洪水来解释地质现象。

虽然回顾研究对历史名人不公平，但是我还是得说，有了冰川理论的知识，读起《洪积层的遗迹》来让人颇为巴克兰鸣不平。他书中那么多的证据，离冰川理论仅有一步之遥。他还发现，英国和北美的洪水，都是来自北方，这明显是冰在移动，而不是海面上涨。他还说，勃朗峰顶上大块的砾石向海拔较低的地方移动，证明大洪水淹没了所有的山峰——而我们可以说，是冰川滑落把石块带下来的。

在冰山山谷里长大的瑞士地质学家路易斯·阿加西，于19世纪30年代发展了冰川时代理论。他和巴克兰很快成了朋友，一道探险。巴克兰也成了英国最早转向研究冰川理论的地质学家。1840年到1841年间，他阅读了地质学会的三篇论文，都是支持他用新方法来解释旧现象的，然后他居然还说服了老对手查尔斯·赖尔，使他相信大陆性的冰层是存在的，以及冰川的力量有多巨大。这样，巴克兰不仅迅速地放弃了通不过检验的洪水理论，而且带领人们寻找新理论，并且为新的发现欢欣鼓舞。

回头再来看现代的创造论者，自从50年前普莱斯（G. M. Price）将洪水理论改头换面推出以后，他们固执地宣扬着更加过时和不可信的一套理论。他们既不进行野外考察检验理论（只是用花里胡哨的言辞来诋毁真正的地质学家的成果），也不将荒谬理论修改一丝一毫。

亚当·塞治威克1831年当选地质学会主席的时候，在伦敦公开宣布他和巴克兰以前的观点是错的，这才是真正的科学精神。实在是没有比这更好的例子，来展示伪科学和科学的差别了。塞治威克是巴克兰的主要盟友，曾经为洪水理论摇旗呐喊，但是后来他知道自己错了。他还认识到他的一个主要观点站不住脚：他没有将洞穴和砾石与实证联系起来，而是先入为主地肯定了洪水的存在。由于实证否定了他的理论，他意识到逻辑上的漏洞，开始激烈的自我批评。科学史上，没有哪段话比塞治威克直率的公开宣言更杰出了，我希望用他的宣言来结束这篇文章。作为阿肯色州1981年“创造论审判”的证人，我当庭宣读了下面这段话，因为我感到它深刻说明了：教条主义决不会变成真正的科学，而过去的创造论者，倒是有可能成为真正的科学家。洪水理论——现代创造论的核心，在150年前曾被兼职地质学家的宗教人员、杰出的科学家和创造论者共同否定过。最深的讽刺和启示莫过于此。知识和科学的敌人不是宗教，而是非理性。

塞治威克说：

我曾经是一个信徒，而且，曾经不遗余力地为我现在认为是歪理邪说的一种理论做宣传，我不止一次地由于这种理论被人挖出来讨论。我想，在退出学会之前，我得公开做一次检讨……

我想，与我理论相反的一种观点，现在已经深入人心了：地表散布的大量洪积层，并不属于一个激烈动荡的时代……

我们确实应该在接受洪水理论之前停一停，把所有那些碎石头都说成是洪水的产物……把所有遥远未知的事物都眉毛胡子一把抓，把它们排排坐、标上同一个日期，不是通过生物体的残骸来确定年代，而是先假想一个年代然后再把空填上。这些例子都说明：激情会使我们急于下结论；而贪图省事，又会使我们将不相干的事实扯到一起。

理论的分裂

08　前提是错的，科学是好的

09　就是想打个比方

08
前提是错的，科学是好的

要是让我来评选一下有史以来最牛皮烘烘的论文题目，我会毫不迟疑地投票给开尔文爵士（Lord Kelvin）1866年的著名论文《对地质学“一致原则”的简单驳斥》。 [1] 英国最伟大的物理学家在这篇文章里声称，他已经摧毁了另一个学科的基础。他写道：

英国大多数著名地质学家都相信地质学“一致原则”，以为地表和地壳数亿年以前的温度和今天的温度几乎一样，其他物理特性也相似。但是我们通过观察得知，地球每年散发的热量是十分巨大的，就算200亿年前的地球和现在的地球温度一样，累计散发的热量也足够把体积为地球100倍大的石头球加热到100摄氏度（见附加的算式）。这么大的热量足够把地壳每一寸石头都融化掉。地球内部的化学反应、流动、地下深处的压力，都不能保护地球在这种高温下幸免于难。

我很抱歉，引用了这么长一段，但是开尔文这篇论文是没有摘要的——除了附加的算式，以上就是全文了。开尔文觉得仅用这一段，就彻底摧毁了一个相邻学科的基础。

开尔文爬得越高，跌得也越惨。这篇1866年的论文，以及他花了40年心血对地球年龄所做的研究，都变成了地质学教科书上的“主旋律”笑料。但是对于主旋律笑料，我们要保持冷静。相信主旋律笑料，差不多等于相信乔治·华盛顿砍樱桃树、扔银币过河这些传说是真的。

主旋律的课文一般是这么说的：“几个世纪以来，地质学都在乌歇（Ussher）主教的圣经年代学的影响下苦苦挣扎。在宗教的压力下，一种毫无科学性的‘灾变说’统治学界。它主张地球每过若干年就要毁灭一次，这样就能跟《圣经》里的有限年数对得上号了。经过长期艰苦卓绝的斗争，赫顿（Hutton）和赖尔（Lyell）终于迎来了科学的黎明，推行了‘均变说’——站在科学的视角，经由直接观察地球今天的变化，来推断地球无尽的过去（时间长了，就能聚沙成塔、水滴石穿了）；地球的基本形态、变化形式从来就没有变过。此后，地质学的‘一致原则’如春风吹遍了大地，谁要是反对一致原则，就是自取其辱、抹黑科学、重返黑暗的过去。”

然而，开尔文也许是不知不觉地企图毁灭“科学的”地质学。他认为地球形成之初是一种熔融状态；他通过测算地球内部的温度（例如矿井的温度）来计算地球的年龄，并且确定地壳形成时间不太久——可能是1亿年前，最多是4亿年前（后来他往低里估算，认为大约只有2000万年）。就算地壳一成形生命就开始演化，演化的时间这么短，生物怎么可能成形呢？地质学还不是要向灾变论——它的手下败将——求饶吗？开尔文先给地质学披上定量物理学（当时最先进的科学）的嫁衣，然后又将它推入火坑。通俗的地质学课本（巴恩斯著，见书目）写道：

地质年代再也不是《圣经》规定的6日或6000年，而是漫长久远。赫顿的均变说跟物种起源和演化论相互融合。而开尔文单枪匹马地摧毁了均变说和演化思想。地质年代仍然被物理学定律所紧紧约束，如同过去被《圣经》约束一样。

（作者照着课本口气继续讲）幸运的是，开尔文的说法建立在错误的前提之下，让地质学逃过一劫。这个错误的前提是：地球由原来熔融状态逐渐变成现在的冷凝状态，不再继续发热。因为，如果地球继续产生热量的话，从现在的散热速率就不能推算出以前的状况了。事实上，开尔文不知道的是，地球内部热量大部分产生于放射性同位素的衰变。无论开尔文的计算有多精确，它们都来源于一个错误假设。这样，20世纪初当人们发现放射现象的时候，开尔文的说法就土崩瓦解了。地质学家早就应该相信自己的直觉，不要被物理学的淫威吓倒嘛！不管怎样，一致原则最终赢得了胜利，地质学也得以保全。这个大起大落的事件教导我们：我们必须相信一个行业内部严肃的实证数据，不要太受外界理论的干扰，无论那些理论看起来多可信。

英雄的神话就讲这么多。真实的故事无论如何都不可能像道德说教这么简单。第一，虽然开尔文的说法外表看起来漏洞百出，却不像课本通常所形容的那样低劣和不攻自破。大多数地质学家当时诚惶诚恐地夹道欢迎，把开尔文的说法看成是对自己学科的一次改革，直到开尔文后来又根据某些限制条件，把地球的年龄估算为1亿年，他们才有所怀疑。至于达尔文么，他本来就是四面树敌的，因为演化论太强调渐进了，不是开尔文有意跟他作对的。连华莱士和赫胥黎都觉得，开尔文估算的地球年龄是对的，跟演化论不冲突。第二，开尔文的这次改革并没有把地质学的祖宗三代都打入“不科学”之流，而是用一种不同的科学解释现实，这种科学解释来源于一种不同的历史概念，有可能比赖尔宣扬的那种死板的均变论更有根据。赖尔的均变论是一种时代特有的、有局限性的历史观，不是像人们以为的那样，上升到指导科学观方法论的高度。开尔文不叮无缝的鸡蛋。

开尔文的说法和地质学家的反应

作为热力学第二定律的两个主要奠基人之一（另一个是克劳修斯），开尔文爵士认为：最初推动太阳系分解成形的能量是热能。根据这个，他算出了地球的最短年龄。他提出三种完全不同的说法，并且试图把三种说法整合起来，好对地球的年龄给出一个单独的量化值（见乔·伯奇菲尔德的《开尔文爵士和地球年龄》，本文所述的技术信息大多出自这本书）。

开尔文的第一条说法是关于太阳年龄。他想象道，太阳是由大量的彗星撞到一起形成的。这些彗星由于相互的引力作用碰到一起，势能转化成动能，又由于碰撞，最终转化为热能，使太阳发光。开尔文认为，如果太阳从来都是均匀地发光发热的话，就可以从这堆彗星的总势能估算出太阳最初的热量，又能从最初的热量计算出太阳最短的年龄。但是计算严重依赖一系列因素——最开始有多少颗彗星，它们相互之间有多远——开尔文是估算不出来的，所以他从来也没这个胆估算太阳的精确年龄。他把区间设为1亿到5亿年，大概离1亿更近一点吧。

开尔文第二条说法是关于地壳。他假设地球是从熔融状态冷却而成，地底矿井散发热量的速率和地球冷却成形的速率是一样的。如果他可以测量地球内部的散热速率，就可以推测出地球过去一定非常热，热得没有一处是固态的——假设散热速率自古不变。（这就是开头所说的，他对一致原则的“简短”驳斥）。这条说法听上去比上一条要来得实在一点，因为至少有望测量出地球现在散发的热量。为了算出结果，开尔文不得不把地球看成是一个温度均匀的实心球，假定地球开始是流体，逐渐从中间向四周冷却，地壳最后成形。这些假设的局限性太大了，开尔文算不出地壳成形的具体年代。他把赌注压在1亿到4亿年之间，而且再次重申，他更喜欢小一点的数字。

开尔文的第三条说法是：地球是一个扁球体，两极的地方比较扁平。他认为地轴变短跟地球自转有关，当地球还没凝固的时候，一自转就扁掉了。现在我们知道，由于潮汐作用，地球自转减慢了，这点开尔文也知道。地球刚形成的时候，自转比较快。从它现在的形状，就可以推算出它的年龄。如果地球形成很久，自转的初速度很快，现在就应该比较平。如果地球比较年轻，自转初速度跟现在差不多，就没有那么扁。开尔文认为，因为地球实际上只有一点点扁，所以它应该比较年轻。这是开尔文第三次从一大堆证明不了的假设（例如地球是均匀的实心球）推导出结论了，所以他才不能精确地算出地球的年龄。

尽管三个说法都是量化的，但没有一条是准确的。三条都是从开尔文证明不了的假设推导而来的，所以都只能产生粗略的估算，误差极大。开尔文在四十年的研究活动中，通常一提到地球年龄就用“1亿年”这个数字——这个时间够久的了，而且让几乎所有地质学家和生物学家都心满意足。

有很多史料记载，达尔文拼命反对开尔文，后来的评论家以为达尔文代表了大多数被压迫者的心声。事实上，达尔文反对开尔文仅仅是个人行为，而且从达尔文的性格和世界观看来，他更容易信奉渐进主义。达尔文很决绝地认为：只有有了无限的时间，自然选择和演化才有可能发生，所以他写道：“读了赖尔爵士的大作《地质学原理》，还不承认时间浩瀚的读者，可以马上合上我这本书不看。”达尔文这里犯了一个逻辑错误——把渐进主义和自然选择混为一谈了——他所有的作品都有这个错误。这也导致赫胥黎给《物种起源》挑了一个大刺：“你认为大自然完全不会跳跃前进，这是你自寻烦恼。”但是，不应该全怪达尔文，因为开尔文很肯定地说，他计算出地球很年轻，对自然选择这种演化机制提出了质疑（但不是反对演化论本身），这也是和达尔文犯了同样的错误。开尔文写道：

用物理学方法算出的地球年龄是有限的，这当然不可能证明物种演变假说是错误的；但是足以证明“自然选择产生的遗传变异导致物种演变”这种说法是错误的。

因此，达尔文还是把开尔文算出的地球年龄看成是演化论最大的障碍。他1869年写信给华莱士：“汤普森（即开尔文）对世界的看法，很久以来是让我最头痛的麻烦之一。”到了1871年，他开始含沙射影地骂开尔文了：“汤普森爵士就像一个讨厌的幽灵。”虽然达尔文大体上坚持自己的理论，而且打心里觉得开尔文的计算肯定有点问题，但他最终还是在1872年的《物种起源》里妥协，提出地球早期的变化速度很快，这大大促进了进化步伐，在开尔文得出的有限时间内，所有的变化都可以发生：

……但是，有可能像威廉·汤普森（开尔文）爵士所坚持的那样，地球早期经历了快速激烈的变化，比现在的要快；而且迫使生物体也以同样快的速度变化……

达尔文在英国的两个主要支持者，华莱士和赫胥黎，没能分担他的忧愁。华莱士压根儿就没有把自然选择跟达尔文那种极缓慢的时间尺度联系起来。他只是说，如果开尔文将地球年龄限定在1亿年，那么自然选择一定比我们之前所想的要快：“演化就发生在这1亿年间，因此，所有的地质变化，所有生命形态的发展，肯定都浓缩了。”到了1870年，寒武纪化石出土之后，华莱士甚至宣称，如果地球年龄有2.4亿年，他就很满足了。

赫胥黎就更加没心没肺了，他从来都坚持说演化是跳跃式前进和缓慢的自然选择这两种方式并存，所以他完全不帮达尔文讲话。他认为：人们之所以相信演化是缓慢的，是由于一种错误的循环论证在作祟。没有证据是能表明演化是缓慢的，是化石地层让人们以为时间浩瀚的。如果现在开尔文告诉我们这些地层形成时间不久，那么我们也应该将演化速率估计得快一点：

生物学借用了地质学的年代概念。我们相信生物变化速率缓慢，唯一的原因是这些生物是在一系列的地层里被发现的，地质学告诉我们这些地层形成时间很长。如果地质学的时钟出了错，那么博物学家只需要随之修改自己对生物变化快慢的看法而已。

英国主要的地质学家也随华莱士和赫胥黎的大流，而不去支持达尔文。他们说，开尔文挑战了赖尔亘古不变的世界观，为地质学做出了贡献，限制了地质学家们在“时间银行”里瞎存款——张伯林（Chamberlin，美国地质学家）打了一个比方。只有当开尔文最后把估算时间从宽裕的1亿年压缩到紧巴巴的2000万年以后，地质学家才开始造反了。盖基（Geikie）曾经是开尔文的死忠，后来他这样写道：

地质学家曾经以为地球的演化史长得无穷无尽，他们很快地承认自己错了。物理学给地球的年代或多或少地加了些限制，地质学家们真心地认为这是正确的。但是物理学家像李尔王的女儿一样贪得无厌、冷酷无情，非要把时间切成薄片，直到他们中间有些人把地球年龄降到了1000万年以下，这时地质学家才徒劳地反抗说，物理学家的论证中一定有一些错误，导致计算结果误差很大。事实上有强有力的证据表明，地球的年龄是很古老的。

开尔文的科学对地质学的挑战，以及一致原则的多重含义

查尔斯·赖尔是修辞学的大师，曾经指示道：如果有人对他的一致原则提出挑战，就可能引起一场倒退，把地质学打回科学以前的时代（灾变论统治的年代）。这样看来，一致原则倒是保持了科学的完整性——也就等于宣布自然规律是穿越时空亘古不变的、不符合自然规律的超自然力量破坏不能看成是地质变化。但是一致原则在开尔文的时代已经是不争的常识了，甚至早在赖尔1830年刚出版《地质学原理》的时候，一致原则就已经被人们认可了。在《结冰的洪水》中，“科学灾变论者”不再把地质变化说成是神制造的灾难，而是表面上全盘接受自然规律，暗地里伺机把地球史牵强附会成一部自然灾害的历史。

但是一致原则对赖尔来说有着更加狭义、实质的含义。他把它用来打造一条地球史的理论，这条理论的两个假设是有问题的：第一条假设是，变化速率不因时间的改变而改变，所以现在缓慢的变化就可以代表所有地质现象积累的影响；第二条是，地球自古以来几乎没变，历史没有方向性，历史只是代表了一个动态平衡的稳定状态。

然后，赖尔耍了一次小聪明，玩了一个诡辩（也有可能是无心地），说一致原则有两种含义：第一，自然律本身不以时间、地域这些参照系的改变而改变，因此只有认识到这一点才能从事科学研究；第二，地球的时间空间这个参照系本身是可以改变的。他把这两条都叫作一致原则，把所有科学家都称为“一致原则学家”，也就是在暗示，谁反对一致原则，谁就是在反对科学——因此才给后代造成误解——要是开尔文对一致原则产生异议，他就是代表了反动势力。

其实，开尔文完全接受一致原则，就连计算散热也是以一致原则为基础的。他只是对“参照系也是可以改变的”这一条定理提出两点质疑：第一点是关于地球变化的速率：如果地球很年轻，不像赖尔等死硬的一致原则论者所说的那样是无始无终的，那么观察地球今天的变化，是推导不出过去的情况的。在地球形成之初，温度很高的时候，变化进程应该更快才是。（达尔文后来也接受了这种解释，说最早的生物比今天的生物变化得快。）第二点是关于历史有没有方向性。如果地球刚开始是一个熔融的球体，逐渐散热的话，就一定会有一个明确的变化过程，而这个过程就是历史。地球并不是完美的、亘古不变的，虽然陆地和海洋的变化无规律可循，但是从整个地球看来，历史是有明确方向的：从一个滚烫、活跃的球体到一个寒冷的世界，直到最终没有生物可以生存。开尔文是用科学的手段，告诉人们地球的历史是短暂的、有方向的，而不是赖尔所说的永久的、稳定的。现在我们将双方各打50大板，取其所长，合成一说。

放射现象和开尔文的失败

开尔文和赖尔说的都太极端了。赖尔说地球无始无终，开尔文又太矫枉过正了。即便如此，我们今天还是更向着赖尔一点，宁愿相信地球没有一个确切的年龄，也不愿相信地球只有1亿年历史以及演化是跳跃性前进的。我们从课本上学到的是：地球的年龄是45亿年。

赖尔赢了这一轮复杂的战斗，是因为开尔文的说法有一个致命的漏洞：他的计算是建立在一些未经检验的假设上的，这些假设对结果的正确性至关重要，数学计算反而不重要了。只有在热量随时间递减的前提下，才能通过计算地球散热的速率来推导地球的年龄。但是设想一下，如果地球内部不断产生新的热量，现在测到的辐射量不能反映最初的热量，那么就不能通过热量来计算地球年龄了。

开尔文也意识到他的算式是要依靠某些条件才能成立的，但是在他那个时代，还没有任何关于新能源的物理学研究，因此他才觉得万无一失。此前，他计算太阳年龄的时候，就否认任何新能源的存在，宣称他的计算结果是无误的，“除非造物主的仓库里储藏有我们未知的新能源”。

到了1903年，皮埃尔·居里宣布，粉末状的镭会持续产生和散发出热量。未知的新能源终于被人们发现了。早期研究放射性现象的科学家很快意识到，地球的大部分热量一定是靠放射性同位素衰变产生的，而不仅仅是吃初始温度的老本。他们也意识到，开尔文的说法已经不攻自破了。1904年，卢瑟福（Ernest Rutherford）做了一场报告，预示着开尔文40年来的努力付之东流。做报告时开尔文也在场。卢瑟福后来回忆说：

走进这个不甚明亮的房间，看见开尔文爵士也在观众席里，我就意识到报告的最后一部分讲起来有些困难。那部分是讲地球年龄的，我和他的观点互相抵触。还好，开尔文很快就睡着了，但是当我讲到关键处的时候，老家伙坐了起来，睁开一只眼，恶狠狠地看着我！这反而让我急中生智。我说：“开尔文爵士真是有先见之明，他一早就提示我们有未知的新能源存在。这就是我们今晚要讨论的题目——镭。”

就这样，开尔文活到了放射性现象引领物理学的新时代。他从不承认错误或者收回意见，但是私下里承认镭的发现使他的部分假说作废了。

放射性现象的发现有双重讽刺意义。不仅提供了新能源，摧毁了开尔文的结论，而且提供了测量地球年龄的时钟，证明地球还是很古老的。因为放射性原子衰变速率是一个常数，原来的元素剩下得越少，表明时间过去得越久。发现镭以后不到十年，放射性衰变的算式就问世了，从地球最古老的一些岩石算出，地球的年龄有几十亿年。

我们有时以为科学史是一个简单的前进的历史，通过客观地累积更准确的数据，不可阻挡地前进。正是有了这样的看法，才有了道德说教，使得我们有了成王败寇的科学观——比如认为开尔文的一个错误假设阻碍了科学的前进。我们不应该被这种安慰人的、残缺的故事所欺骗。开尔文使用当时最好的科学手段开山劈石，同事们也觉得他算得很好。我们不能因为他没有预测出新能源而怪罪他。他当时的理论体系没有包括任何关于新能源的内容。正如同下一篇文章里提到的，莫佩尔蒂（Maupertuis）没有一个恰当的比喻来形容胚胎里有编码指令，开尔文所用的物理学知识也不包括新能源。

科学要进展，不仅需要新的数据，而且需要新的框架和背景。对于世界的新看法又是怎么来的呢？不是通过单纯的观察，而是需要新的思考模式。如果旧模式不能容纳恰当的比喻，怎么能创新呢？真正的天才一定有一种难以捉摸的本事，能从看起来漆黑一片的地方搭建出这种新模式。这种工作一贯是很困难的，所以科学才具有不确定性和不可预测性。

09
就是想打个比方

1745年，伟大的法国学者莫佩尔蒂（Pierre-Louis Moreau de Maupertuis）写了一本题目很怪、主题很宏大的小册子，原书只有14厘米高，8.25厘米宽，不超过200页，那时候不缺纸用，印刷的页边距和行距都很宽，所以正文只有8.25厘米高，4.45厘米宽。书名叫《肉欲维纳斯》（Venus physique）——肉欲的、世俗的维纳斯，也就是象征着“世俗之爱”，和流行了几个世纪的那种超脱的、灵性的“精神之爱”相反。里面的内容是名副其实的一部自然生殖史——一本扫盲读物，告诉你许多动物是怎么“做”的。比如，让人目瞪口呆的这一段对两种动物的对比：

冲动的公牛为自己的体力而骄傲，顾不上爱抚，就立即跃到小母牛的背上，深插入她的两腿之间，射出大量使她受孕的液体。而鸽子用温柔的呼唤表达爱意：爱抚你1000次，1000次的愉悦，直到最后愉悦的顶点。

莫佩尔蒂按照他那个时代动物分类的顺序，从公牛一直写到雌雄同体的蜗牛的“爱矢”。很多种类的蜗牛都长有一只石灰质的触手，具有箭头状的末端。蜗牛的交配仪式非常精巧复杂，在交配前会用“爱矢”反复刺激配偶的腹足。“爱矢”不是阴茎的一部分，只起到一些性刺激的作用，我们仍然不知道它的详细功能。莫佩尔蒂也不知道答案，但是他打了个有趣而荒唐的比方：

这个器官有什么功能呢？有可能这种动物所有的反应都很冷淡很缓慢。人随着年龄增加变得冷淡，感觉变得迟钝，有时候不得不依靠粗暴的手段来唤醒爱的激情。哦，不快乐的人试着用疼痛来激起快乐的情绪……哦，无辜的蜗牛，你有可能是唯一一种弄痛了对方而不算犯罪的生物——因为对你来说，这是自然秩序。接受疼痛，再用“爱矢”回报对方1000次。

在这个动物分类序列的底端，莫佩尔蒂遇到了特殊的问题——水螅。水螅是珊瑚的近亲，身体柔软，生活在淡水中。莫佩尔蒂和他的同事们认为水螅是植物和动物中间的过渡物种，因为它们靠出芽（无性）和精卵结合（有性）两种方式繁殖。莫佩尔蒂很肯定地认为，大自然的目的是让生物在繁殖过程中感到愉快。

大自然让所有物种都生生不息。她给每个物种定下了一个相同的主题，这个主题就是肉体的愉悦。人类做所有事都是为了这个主题——两颗心要结合，可以克服千难万险，顺着大自然安排好的道路走到一起。

但是，如果大自然想让生物都愉快，那么低等的水螅从它的身体分裂出芽体，能感觉到愉快吗？

想想这种奇怪的繁殖方式，每一片都延续了一个生命……大自然将其他动物的繁殖行为与愉悦挂钩；有没有可能大自然让这种生物分裂成很多片的时候，也有某种快感呢？

大概因为这些段落太为大胆，才导致莫佩尔蒂匿名出书，虽然他生活的18世纪完全没有19世纪那么拘谨保守，但是这些直率迷人的词句还是和我们现在忸怩的文风有一定的差距。尽管《肉欲维纳斯》因此而著名，但它并不是一部关于爱的自然史的作品，而是一本复杂的胚胎学（胚胎是爱的直接结果）论文专著。题目只是个幌子，书倒是写得不错。

莫佩尔蒂1698年出生于法国，到了晚年涉猎的学科甚广，不过还是靠物理学研究出名的——不仅是因为他在信奉笛卡儿的非正统理论的国度引进并讲解牛顿的作品，而且是因为他指挥了拉普兰（北欧地区）探险考察，证明了牛顿的预测：地球不是滚圆的，而是两极有点平的扁球体。由于既细心又有勇气，他获得了伏尔泰的支持，还获得了玫瑰勋章。1738年，伏尔泰将莫佩尔蒂引荐给弗雷德里克大帝，说这个人有可能就是指挥柏林科学院重建工作的合适人员。莫佩尔蒂接受了这项工作，几年之内把工作搞得红红火火，但是卷入了一系列的阴谋之中，把名声搞坏了，还被怒不可遏的伏尔泰口诛笔伐。莫佩尔蒂最终被赦免了，但是健康和名声都已经垮了。1759年，他在绝望中去世。

和很多著作一样，《肉欲维纳斯》起源于一个特定的问题。在有着深厚种族主义传统的文化中，肤色的话题总是能使人着迷，而某些打破界限的罕见人种最让人感兴趣。《耶利米书》（Jeremiah ）中，上帝对拯救这些边缘人群持悲观态度：“埃塞俄比亚人能改变肤色吗？豹子能改变花纹吗？”但是偏偏有的人就是突破了稳定分类的限制，让人生怕自己的后代会“误入歧途”或者人种分类会自乱阵脚，不乖乖待在自己该待的位置上。（第22篇文章讲了一个患黑化病的白人妇女，1813年有个伦敦医生对她感兴趣，但是她的例子太罕见且与此无关。）但是，有一个更普遍的现象，让人既害怕又着迷：大部分（或者所有）深色皮肤的脊椎动物都有白化现象。有不少白化的黑人比白人更白，而且白化是可以遗传的。

有一个白化的小孩和黑人父母一道在巴黎展出。莫佩尔蒂看了展览以后的所思所想就成了《肉欲维纳斯》的灵感来源，书的副标题叫作“以‘白黑人’为灵感写的物理学论文”。《肉欲维纳斯》分两个部分，第一部分很长，是关于胚胎学和爱的自然史的，最后45页是写人类起源。（这部分有一些不成体系的演化假说，在很大程度上倒是让莫佩尔蒂成了达尔文的前辈——这是一个不公平而且过时的看法，是对莫佩尔蒂几段超前时代的文字的一孔之见。《肉欲维纳斯》是一本关于胚胎学的著作，而且十分扣人心弦。）

第二段里着重讨论人种的地理分布，纠正了不负责任的旅行家给人造成的一个误解——黑人都住在热带，巨人和侏儒住在南北极。莫佩尔蒂简明扼要地说，优等的白种人把异教徒和怪人一股脑地从环境怡人的温带地区排挤出去了。很容易看出，这一段的灵感来源于白化的黑小孩，但是这对整本书的主题思想——第一段关于胚胎学的讨论——又有什么影响呢？这个问题的答案，也是理解整本书的关键，也显示了莫佩尔蒂是怎样与众不同、创意十足地舌战群儒的。

18世纪最热门的一个话题是关于胚胎成长的，学者们站成对立的两排。这个问题最早可追溯到希腊时代，亚里士多德说胚胎成长既是一个最难解的生物谜团，也是深入了解生命的钥匙——胚胎成长不仅对于两千年前的“圣贤”来说是个未解之谜，放到今天来看也是未解决的（因为我们还是很无知）。古希腊科学家设想了两种解答方式，18世纪的科学家也沿用了这种两分法。第一种叫作预成论（preformation，又叫前成论），认为精子或卵子里面藏有一个折叠起来的微型人，所有部分从一开始就成形了，不一定完全符合成人比例，但是随着胚胎长大，各部分的形状和位置会变。第二种，也是莫佩尔蒂同意的一种说法叫作后成论（epigenetic，也叫渐成论），认为应该眼见为实，不能这样想当然；胚胎是从一开始的简单结构逐渐长出分化的器官；胚胎成长不是简单地从折叠到展开，而是增加和分化。而预成论者们反驳说，当时的显微镜太差，看不到胚胎黏在一起的细小器官。

我们必须摒弃成王败寇科学观和事后诸葛亮式的解释，即“持预成论的科学家受了神创论的迷惑，顽固不化，因此，虽然不是亲眼所见，却想当然地认为精子或卵子里面包有微型人。而相信后成论的都是英雄、实证科学家，只依靠显微镜下看见的事实”。

其实，我们所持的科学观跟预成论者差不多。他们机械地用物质实体来解释所有现象，被当时有限的知识拉了后腿。他们有什么选择呢？人类复杂的机体不可能是从无形中诞生；那么器官一定是从一开始就成形喽。而另一方面，大多数后成论者只是哼哼哈哈，换到我们现在，会被看不起，会被扣上“生机论”（vitalistic，认为外在的、非物质的力量可以影响不成形的受精卵）的帽子。

在这场大论战中，莫佩尔蒂倒是个明显的异数，因为他既对后成论很热心，又对预成论忠心耿耿。跟他那些信奉后成论的同事不一样，他希望在精子卵子里找到一些部件：既是所有器官的初期形式，又不构成微型人——那么这些部件一定是散落在精卵细胞里的。而且，它们一定成套成套地出现，比形成胚胎所需的要多很多（如果没有这一条，那他说的就等于是“解体的微型人”，肯定被扣上“古怪的预成论”的帽子）。所以，他认为胚胎成长一定是一个选择、筛选、连接零散部件的过程，而不仅仅是成形的部件逐渐长大的过程。但是，零散的部件是怎么跑到一起、多余的正常部件又为什么会被排除掉呢？（或者说不正常的部件为什么会偶尔合并到一起，产生畸胎？）看起来“微型人”的说法问题倒还少一些。

莫佩尔蒂用来反驳预成论的几种方法其实就是传统的归谬法。例如，为了反驳卵原论（认为卵子里有一个微型人），莫佩尔蒂从令人费解的“封装问题”开始发难——如果一个卵细胞含有很多微型人，这些微型人又包含着更多微型人，那么人类的全部历史，早已在夏娃的卵巢中预设好了：

含有男性胚胎的卵子，里面只孕育了一个男性。但是含有女性胚胎的卵子，里面不仅孕育了一个女性，还有她的卵巢，卵巢里面还有其他卵子，卵子里面还有成形的女性胚胎——无穷无尽。物质能无限分解吗？几千年以后出生的婴儿，和九个月后出生的婴儿，是不是都一样有鼻子有眼呢？

而且，为什么要有男性呢？精液难道只是用来赋予无生命的微型人以生命的吗？莫佩尔蒂问，难道精液是普罗米修斯从神那里盗来的火种吗？

再者，为了反驳精原论（认为微型人在精子里），莫佩尔蒂举出一次射精喷出大量精子的例子，说大自然怎么会如此浪费、造了这么多微型人又不用、让它们没机会踏足世间呢？

在精液中游泳的小小精虫，孕育着无限的后代，一个又一个父亲。每个微型人又有他自己的精液，又含有比他更小的精虫……细想起来，这些体积细小的精虫，数量是何等的惊人啊。有人算出一条梭子鱼一次生产的鱼子比地球上的人还要多，就算地球人口像荷兰那样稠密……大自然如此丰饶、多产，不是太过分了吗？（当时精子细胞刚刚发现不久，莫佩尔蒂的英国同事管它们叫“精虫”。）

莫佩尔蒂又大胆提出一条假设，虽然是错的但是很有趣。他假想：如果把男性和女性的体液混在一起，形成胚胎所需要的部件应该就配齐了。

莫佩尔蒂又在这个基础上加了一些新的说法，以及一条极有独创性的观点。几个世纪以来，辩论的焦点都是胚胎及其可见的发育过程。真正的创造性，是将先前看上去毫不相关的领域结合起来，借别的学科来解决看似无关的旧难题。这样，我们再回到白化病人的话题上来，看看莫佩尔蒂创造性的见解。

莫佩尔蒂是欧洲第一批从家族病史中寻找先天疾病原因的科学家。他认识到，研究结果虽然表面上与胚胎学无关，却能在预成/后成之辩中支持后成论的一方。他收集了一家德国人三代以来的多指畸形病史，证明了一条民间广为流传但科学并未证实过的重要事实：多指畸形患者有男有女，也就是说，多指畸形可以遗传自父母任何一方。莫佩尔蒂接着认识到，这个关于遗传特征的研究结果可以用来解决胚胎成长的难题：预成论怎能解释父母双方都能影响下一代这个事实呢？如果精子或卵子只有一方里面藏有微型人，那么另一方就对后代完全没有影响。而且，混血儿和不同种族的双亲长得都很像，这怎么解释呢？莫佩尔蒂写道：

对我而言，精原论和卵原论似乎都失败了，因为孩子有时像爸爸、有时像妈妈，不同种族的父母生出来的小杂毛也是这样……既然孩子和双亲都很像，我想应该做出结论了——双亲在胚胎成长中扮演同等重要的角色。

莫佩尔蒂无法计算出巴黎展出的黑人父母生的白化孩子的家谱，但是他得知白化病在塞内加尔的黑人中间相传已久，所以他说，白化病和多指畸形一样，可以给预成论盖棺定论了。不管怎样，他之所以理清思路、写出18世纪最优秀的科学著作之一，是由于“白黑人”点亮了他的灵感。

对于双亲遗传现象，预成论者有一个约定俗成的解释。他们说一方提供微型人，另一方的体液让它起变化。莫佩尔蒂对这种说法嗤之以鼻，举了个马和驴生骡子的例子来讽刺：

如果胎儿是从父亲的精虫里长出来的，那为什么又会像母亲呢？反之，如果单单是从卵子里长出来的，那跟父亲又有哪点相似呢？如果母马的卵子里有小马，难道是驴子的精液给它插上耳朵吗？

预成论者才没有被莫佩尔蒂的雄辩所压倒。他们这样解释普通、长期的特征：父母一方很矮，矮的微型人遇到高的一方的体液，就被拔高了；马的短耳朵被驴子热情的精液所拉长了。但是莫佩尔蒂用多指畸形和白化病的例证强有力地否定了这种解释：就算父母任何一方都没有白化病，子女也可能有白化病。要说白化病这样的特征是一方导致、另一方体液予以强化，谁相信呢？

莫佩尔蒂又从白黑人的例子推导出两种说法，用来辩驳预成论。首先，他将白化病看成一种畸形（和连体、多指一样）。胎儿畸形的例子向预成论提出了一个难题：如果承认畸形是先天形成的，就等于是说万能的神出了错、将不幸注入了夏娃的卵巢里——这在宗教上是不容许的。如果换种方法，狡辩说多出来的部分是由于两个微型人合并的时候出错导致的，那不就是说一个微型人是完整的、另一个微型人只有一个指头么？而且这种狡辩无论如何也不能解释白黑人的成因。难道黑人祖先孕育了几个白种的微型人？这多半没有人信吧。

莫佩尔蒂接着说，用预成论不好解释为什么一个人类祖先（亚当）有不同肤色后代：

第一个母亲的肚子里肯定有很多不同种族的微型人，这些微型人的肚子里一定又有自己同种族的微型人……“天意”叫它们变成哪种种族的人，它们生下来就是哪种人。不可能说是某一天，白微型人用光了，欧洲所有国家就“变色”了，也不可能说是黑微型人用光了，埃塞俄比亚就遍布白人了。

莫佩尔蒂有效地利用了白黑人完成了对预成论的第一击。但是又怎么解释他自己那种“古怪的后成论”呢？既然否认外在的、超自然的力量影响胚胎形成，那么他一定得找出体液中的规律：分开的部件是怎么拼到一起的，为什么能拼对——怎样将多余的部件排除在外，防止诸如多指这样的罕见畸形发生？莫佩尔蒂拼命想要突破，却在这里卡壳了。

他对科学总的看法来源于牛顿的观点。如果是万有引力在左右着物体的互相吸引，那么必有一种引力使得正确的部件互相拼合，形成胎儿。眼睛和鼻子天生相互吸引；鼻子再和嘴，以此类推，直到整个胎儿形成，就像旧约《以西结书》里面枯骨逢生。此外，母亲和父亲提供的眼睛部件在形成胎儿的过程中机会均等，所以一个完整的胚胎具有双亲的特征，如同汞齐（汞合金）一样密不可分。

如果（万有引力）存在于大自然中，为什么它就不能左右动物身体的形成呢？如果双亲的体液都有心脏、头、胆、臂、腿的部件，如果每一个部件都会跟另一个部件相互吸引，那么胎儿就会自我构建起来。

莫佩尔蒂觉得畸形怪胎对他的“引力理论”有百利而无一害，因为多余的器官经常是长在正确的位置上的。六指并不是从肚子、背或者头上伸出来，而是跟其余五指长在一起，因此证明指头部件天生相互吸引，又和手的部件相互吸引。

我很喜欢思辨。读《肉欲维纳斯》的时候，有机会观赏到一个聪明人努力解释生物学上最大的谜团、获得真知，虽然我只是旁观、虽然他足足花了200页的篇幅，最后也没有成功，我却非常兴奋。莫佩尔蒂感觉到他的“引力理论”不行、没有直接证据、更多的是类推而缺少具体观察。但是，他必须提出一些建议，而他确实也想不出比建议更好的了。因为他对机械论和后成论都深信不疑，这两种科学观点迫使他说：双亲的体液里都有形成胎儿所需的物质微粒存在，因为超自然的“生命力”不可能从一片虚无中搭建出复杂的、分化的器官。他宁愿相信体液中分散的部件相互吸引、拼接成胎儿，而且也感觉到这种理论令人不满意、也不太可能。他的感觉是对的。

今天的我们会说莫佩尔蒂的基本见解是正确的：复杂事物不可能从无形中诞生；精子和卵子里一定有“一些东西”。但是现在我们知道的“一些东西”跟他所设想就完全不一样了。莫佩尔蒂只能想象出宏观的实体，而我们发现了微观结构：程序指令。精子和卵子本身不含有部件，只含有用DNA写就的指令，从而指挥胚胎的构造。

但是莫佩尔蒂怎么可能想出这么精彩的解答呢？他那个时代没有哪种事物是从抽象的编码到具体的成品的，所以没有喻体可以用来打比方。18世纪的思想家脑袋里没有“程序指令”这根弦。八音盒是一个开始，装入不同的金属齿轮（或者有孔的金属板）可以奏出不同的音乐，但是直到19世纪早期才被发明出来；然后是自动编织机（根据有孔的卡编织出不同的花样）；自动编织机又给了霍尔瑞斯（Herman Hollerith）发明人口调查机的灵感；利用凿孔把字母信息在卡片上编码的方式最终令人吃惊地演变成了IBM电子卡（不要折叠、打孔、毁坏，不然卡就失效了）。在没有自动钢琴、更别提电脑程序的时代，莫佩尔蒂怎么可能想得出“程序指令”这样的解答呢？

我们经常会天真地想，只要把缺失的数据补上，科学就能一帆风顺地前进。但是经常是更深、更抽象的思维障碍阻止了科学的前进。不仅要有必需的信息，还要有正确的比喻。革新的思想家根本不是收集事实的人，而是编织新的思想之网的人。莫佩尔蒂的失败，归根结底是因为我们现在妇孺皆知的一个比喻——复杂事物有复杂编码——在他那个时代还没有形成。

注解：

[1] 　一致原则：Doctrine of Uniformity，也被译作“划一原则”，意思是说自然律永不改变；即自然律不因时间、不因地域、不因实验或观察的人而有所不同。

叁　分类学是很重要的

10
黄蜂和黄风

“本世纪以来，还没有人像他这样，披着科学研究的外皮，朝我们的母亲、妻子、女儿和姐妹泼脏水。”纽约国会议员路易斯·海勒给议会邮政总监写了一封信，信里对金赛1953年的报告《人类女性性行为》贴了一个“黄色”标签，极力主张禁止报告的发表。协和神学院院长亨利·凡·杜森对金赛报告的真实性提出质疑，宣称，“如果报告属实的话，那么美国现在的社会风气已经堕落到跟罗马帝国最糟糕的时期差不多了”。凡·杜森继续写道：“最令人不安的，是他从一开始就没有对这个研究产生自发的、伦理上的反感。”

这个研究的一开始，其实是简单得不能再简单了。金赛通过对5000多名妇女的面对面采访，编制了一个统计记录。记录显示了她们实际上是怎么样的，而不是法律和风俗规定她们应该怎么样。金赛仅仅是汇报了他的发现，完全没有做出评论。然而，他发现婚外性行为和婚前性行为比人们想象的要普遍——至少，触犯了很多天真、伪善、自以为是的人（特别是有权有势的年长男性）的道德准则。

阿尔弗雷德·金赛（Alfred C. Kinsey）发布了1953年的这场报告之后，立刻遭到了麦卡锡保守团体歇斯底里的反对。之前，金赛于1948年所做的《人类男性性行为》报告充其量只引起了一场较小的骚动，还不至于受到诽谤，大概是因为社会对男性行为比较宽容，以及战后的政治气候比后来开放得多。还有很多人，给金赛的女性性行为报告贴上了诸如“共产主义实践”，“动摇美国的道德神经，让共产主义乘虚而入”之类的标签。由冷战专家卡罗·利斯领导的一个特别内务委员会，负责调查免税基金会的资金使用状况，拉拢了金赛的主要资金来源——洛克菲勒基金会。在多方面的压力下，洛克菲勒基金会倒戈，于1954年断绝了金赛的研究基金。利斯委员会在1954年12月发表了一个重要报告，指责“某些”基金会用免税的钱资助“直接危害社会”的研究，其中明确提到，金赛报告就是不值得资助的研究。金赛由于没有找到其他财政支持，花了数十年收集的数据不能发表，加上工作劳累、愤懑、忧郁，在两年以后去世。在他去世以后，才有新的资金到来，但是已经来不及给他洗冤了。

金赛并不是一生致力于性启蒙的战士。他只是因为一个偶然的机会，改行研究性行为——这倒不说明他改行前没兴趣研究性行为。他本来是一个研究黄蜂的昆虫学家，在改行之前，已经是美国最顶尖的黄蜂分类学家之一了。转行以后不久，他给美国优等生荣誉学会（Phi Beta Kappa）做了一个报告，地点在印第安纳大学：

在我20年的野外考察和实验室研究中，我一直在思考着“生物界中普遍存在的个体差异”。我广泛深入地测量了几万只昆虫（可能你们从没有看过，也毫不感兴趣）。我尝试着用科学的方法获取大量准确的数据。前两年，由于一系列的机缘巧合，我碰上了“人类某些行为差异”这个话题。

金赛的昆虫学家出身，被大多数人只是当作茶余饭后的笑料和谈资。一个震惊了美国的人，竟然大部分学术生涯是花在小虫子的分类上的，这多么稀奇呀！这两者完全就没有联系嘛！有个匿名的好事者在金赛最伟大的一本黄蜂专著（哈佛图书馆仅存的一本）扉页涂写了这样一句话：“阿尔，你干吗不写点更有意思的东西呢？”

但我想要指出，金赛的黄蜂和“黄风”研究其实在思想方法上是一致的。金赛早年的分类学底蕴，为他后来的性学研究提供了宝贵的经验。分类学的思想方法是一种严谨的科学态度，不一定能存在于社会偏见中。这种始终如一的科学方法，带给过他荣誉，但也带来了烦恼。

金赛的研究结果精确而详尽，基本都是一些“正派”人不以为然的行为：从女子同性恋、婚前性行为、婚外性行为，到从小在农场长大的男性和动物之间的性行为。这些研究结果把美国甚至世界搅得天翻地覆，不仅如此，金赛的研究方法也令世人惊奇。他的性学研究，采用了分类学的三个原则：第一，他比前辈研究者搜集了多几倍几十倍的样本，而不是像一般大学里“默认”的那样，向本科的师弟师妹发点问卷然后收上来。第二，他的研究对象五花八门，覆盖了老少、城乡、贫富、文盲到知识分子，因为每代人都可能会有不一样的性行为，就像每棵树上的黄蜂都有不一样的类别、性别比例。第三，他只描述人们是怎么做的，不做评判。

金赛在哈佛取得了昆虫学的博士学位，随后在印第安纳大学担任助理教授，一直到死都在印第安纳工作。他工作的头20年投身于一项事无巨细的研究，是关于瘿蜂（Cynips）的分类、演化、地理分布的。瘿蜂把卵产在植物组织里（通常是橡树的叶和枝干），孵化成幼虫的时候，树就会形成一个树瘤，把幼虫包裹起来，这样既保护了幼虫，又为它提供了食物来源。幼虫在树瘤里渐渐长大，直到有一天破茧飞出，如此周而复始。金赛把他的发现写成了很多短篇论文以及两部长篇论著：1930年的《瘿蜂属——关于物种起源的一项研究》（The Gall Wasp Genus Cynips: A Study in the Origin of Species ），还有1936年的《瘿蜂高等类群的起源》（The Origin of Higher Categories in Cynips ）（参见文献）。

1938年，为了满足学生申请，印第安纳大学开设了一门不计学分的“婚姻”课（其实是一门性教育课，我只是比较委婉地说）。金赛本来打算下半辈子都研究黄蜂，但学校要他担任这门课的主管，另外还要做三次性生理的讲座。金赛其实是被学校“逼良为娼”的。为了搜集上课资料，他到图书馆去查找关于人类性反应的内容——但是找不到，所以他就决定自己积累一些资料。他开始对学生做访谈，但是很快意识到这样是收集不到具有普遍意义的数据的。他就利用周末自筹旅费到处旅行，到附近的一些城里收集数据。他开发出了一套详尽的访谈系统，用量化的方式来记载人们的回答，以确保被访者匿名（他真是有天生的访谈技巧，成了传奇）。从加雷到芝加哥，从圣路易斯到印第安纳监狱，他记录了不同经济状况的人千奇百怪的性行为。他的活动从地下转为半地下的时候，批评就来了，但是学校还是保证他的知情权。

最后，在学校的支持下，他建立了性学研究所，洛克菲勒基金会提供他访谈和发表文章的资金。他的主要研究成果凝结成为两本著作：一本《人类男性性行为》，一本《人类女性性行为》，每一本都是采访了超过5000个不同背景的美国人以后写出来的（金赛知道，按照统计学的标准，这还远远不能代表非洲裔美国人以及其他国家和文化的人）。这些书还没有影子的时候，金赛就很不情愿地丢下了为他带来快乐和树立科学观的昆虫学，一丢就是一辈子。

尽管金赛研究的瘿蜂只是黄蜂家族里的一种，他还是抱有研究自然史的远大理想的。他对于分类的含义和实践有着很深入的思考，希望重新制定分类学的标准。他于1927年写道：

通过瘿蜂和其他物种的分类学研究，我试图找出分类学的哲理，这种哲理可以描绘和解释自然状态下的物种，对整合和解释生物数据也是有重要意义的。

金赛觉得，只要收集了海量的数据，哲理就可以自动从数堆里冒出来。金赛是个工作狂，尽管当时还没有工作狂这个词。在1919～1920年的一次学术旅行中，他的行程18000英里（28968公里）中有2500英里（4023公里）是步行。他走遍了美国的西部和南部，收集了大约30万只瘿蜂标本。1930年他在墨西哥乡间和美国中部的考察，更说明了他的勤奋和孜孜不倦。尽管这样，他还是永不满足。他在1936年的专著里提到，在所有165种瘿蜂之中，平均每种“只”收集到214只标本、755个树瘤，他觉得很遗憾。其中的51种（同种地貌不同种群），他说要收集到153万个标本和300万～400万个树瘤才会满意！

迫切的愿望、辛勤的劳动，并不仅仅说明金赛是个收集狂。现在的统计学家可能会说金赛没有彻底弄懂采样理论，其实不需要那么多。但是金赛这样做自有他的道理，是有生物学依据的：变异是基础，且不可回复。

第一章讲过，自然界充满了过渡物种和灰色地带，有的物种之间还没有明确的界限。这是演化论对于生物学的一大贡献，讽刺的是，大多数分类学家并没有因此受到启发，仍然把世界看成一个文件柜，每一个抽屉装一种生物。这样，区别物种就成了寻找“本质特征”，也就是与其他物种不同的一些基本特征。变异反而成了眼中钉，让整理文件柜变得麻烦，恨不得除之而后快。大多数老派的分类学家只研究少数标本，就把一个物种丢进一个抽屉。

金赛这样的分类学家，充分理解了演化论的含义，对变异持有截然不同的态度。就像大海里的岛屿一样，各种物种之间的界限，不再被看作绝对不变的。猫科动物包括狮子、老虎、猞猁和豹猫等许多种，虽然形态上可以区分开来，但实际上并没有永恒的“本质”。变异是演化的原材料，是自然界的基本现实，而不是神造物的时候产生的质量问题。变异是自然界的本来面目，而“本质特征”只是迷惑人的表面现象。按照演化分类学来看，不同物种没有明确的界限，而是一系列连续的区间。

这种与“本质主义”背道而驰的思考方法极大地改变了我们对现实的基本看法。自从柏拉图提出“人类感官所接触到的现实的世界，只不过是理念世界投射在洞壁上的影子”以后，本质主义就统治了西方思想界，促使人们把现实世界分成伟大正确、永恒不变的“格子”，而忽略了世界的连续统一。本质主义建立了判断和价值的标准：接近“本质特征”的就是好的，远离“本质”的要么是坏的，要么是假的。

反本质主义迫使我们换一种眼光看世界。我们必须承认影子和连续是世界的基本面貌。我们不再通过跟“标准”做比较来判断事物的价值：矮子、弱智、异教徒、不同肤色的人，都是完整的人。按照本质主义做研究的分类学家捡到几个相同种类的蜗牛化石，就试图建立起“什么是蜗牛”的标准，把以后发现的蜗牛按照“符不符合标准”来分类。而反本质主义的分类学家捡到蜗牛化石，眼中看到的却是截然不同的一番景象——所有落在这个区间之内的都可以叫作蜗牛，只不过有的蜗牛离“平均值”近些，有的远些。分类学理论的泰斗恩斯特·迈尔（Ernst Mayr）写了一篇很长很优美的文章，讲的就是本质主义和变异理论作为终极实体［他管这叫“种群思想”（population thinking）的区别——详见他的近作《生物思维的发展》（The Growth of Biology Thought ）］。

金赛理解演化论，所以激烈地反对分类学中的本质主义。他相信不同物种之间不存在非常明确的差异，所以狂热地收集尽可能多的标本。他相信世界是连续的，所以他几乎踏遍了北美所有瘿蜂的栖息地——每当他发现物种和物种之间有大的差异的时候，他就强烈怀疑在邻近地区有过渡物种的存在（这种怀疑通常是正确的）。

最终，金赛的反本质主义变得太极端了。他确信一个物种会过渡到另一种物种，所以就开始为“过渡物种”起名，开始根据地域和时间把一个物种分成很多小类（只要是与实验室里的标本稍有不同，他就为它建立起一个新的类），每一类都有很长的“全名”。（金赛断定，物种本地化的同时，累积了不连续的变异，就产生了新的物种。因此，每当他找到跟实验室标本有所不同的本地物种，就设立一个新的物种。虽然各种本地物种有微小的差异，但是相互之间没有失去联系——都可以杂交。）

对于美国社会史来说，更重要的是，金赛把分类学中的反本质主义研究方法迁移到了性学研究领域里。跟他后来取得的声望相比，金赛花在瘿蜂上的二十年没有白费。金赛通过研究黄蜂所习得的方法和思维原则，为他日后成为性学研究的先驱打下了基础。

我并不是事后诸葛亮，我并不是总结出一些连金赛自己都没有意识到的理论。金赛很清楚他在做什么。对于花费在黄蜂研究上的每一刻，他都毫不后悔，因为他很爱这个研究，也因为这个研究赋予了他洞察力。在《人类男性性行为》第一章，他列出单独的一节，标题是“分类学研究方法”，副标题是“在生物学、应用科学和社会科学中的作用”。他写道：

我现在沿用了分类学的研究技巧，所谓分类学就是现代生物学家所理解的那样。写这本书的老头子根据昆虫分类学长久以来的一个问题展开讨论。把研究昆虫的方法应用到人类身上并非不合理，因为这种方法可以用于研究所有有差异的种群。

大量采样是金赛的行事风格。大多数早期的人类性行为研究不是危言耸听（如埃宾Krafft-Ebing的《性心理疾病》），就是采集很少的、同种的样本。如果金赛想要采集上百万的黄蜂和树瘤来进行昆虫分类学研究，那么他至少要采访几千个人，才能进行性学研究。他之所以需要如此大量的样本，是因为按照反本质主义，黄蜂和人类有两个相似之处：在一个地区生活的样本（比如印第安纳的所有大学生，或者恶魔岛监狱的所有杀人犯）具有数量大、个体差异大的特点；而不同地区的样本差别也很大（伊利诺伊州的中产阶级老年妇女或是纽约的穷困青年男性），性行为差异也很大。因此，金赛决定要在不同人群中大量采样。在《人类男性性行为》第一段，他这样写道：

这是一个探寻真相的调查，我试图揭示人类有哪些性行为、哪些因素导致了个体性行为的差异和不同人群之间的差异。

在“生物学中的分类学方法”一节中，他解释了研究黄蜂的经验是怎样为研究人类铺路的：

现代分类学是生物学家意识到个体独特性的产物，任何人群之间都可能有较大的个体差异。因此，分类学主要关注的是具有代表性的一些个体之间的差异。

金赛坚信个体差异和群体差异，最终引起了一场“圣战。”他1939年的优等生荣誉学会（Phi Beta Kappa）报告《个体》讨论的重点是任何种群都具有“无限的不同一性”，并且强烈反对生物学家和社会学家从很小的、同类的样本中推导出普遍的结论。例如：今天放在迷宫里的一只老鼠，被当作所有老鼠的样本（代表所有种类的老鼠、在所有条件下、昨天、今天和明天）。五六只种类不明的狗，一律被叫作“狗”——意为所有种类的狗。关于人的实验也是——如果不明说是哪一类人，那么结论适用于你、你的兄弟，和另外所有人……有一位著名的化学家声称发明了治疗毒瘾的新药，令举国哗然，但是其他实验室做了相同的实验，却没有得到相同的结果，这时候人们才知道，他只不过拿了五六个人做实验而已。

昆虫分类学的第二个迁移作用是：金赛不止一次强调，不可能把人归到死板的类别里，从而把性反应也归档。因为一种黄蜂是逐渐过渡到另一种的，所以人类性反应也应该是不固定的、可变的、没有明显界限的。他这样写男同性恋：

男性的性取向并不止异性恋和同性恋两种。羊不止绵羊和山羊两种。不是所有事情都非黑即白。大自然中极少有具体的类别，这是分类学的基本要素。只是人非要发明出类别，试图把事实塞进柜子里。生物世界的所有方面、每一个方面，都是连续统一的。我们越快理解这一点，就能越快了解性实际上是怎么一回事。

第三条迁移作用引起了道德判断上的争论，最终让金赛遇到了大麻烦。如果变异是世上唯一不变的事物、如果物种没有“本质特征”，那么我们还能以什么“自然标准”来进行道德判断呢？如果人群中的另类和普通人没有区别，那么，就算普通人数量更多，到底是普通人好呢，还是另类更好呢——物种没有不变的“正确”形态。金赛在《个体》里，再一次明确提到黄蜂：

适合一个人的药方不一定适合另一个人……对一个人来说正确的对另一个人来说可能是错的；对一个人来说是罪过或者可憎的事物，对另一个人来说可能是生命中宝贵的一部分。个体间的差异，在任何特殊情况下，都比人们通常所想的大得多。我研究的有些昆虫的结构特征，和另一些相差12倍。就是说，同一个地方的昆虫，有的翅膀有15个单位长，有的有175个单位长。而我研究了构成人类基本行为的一些形态、生理特征，发现差异居然有120倍之多。然而，社会形态和道德准则还是按照所有人都统一的方式来制定的；我们在无视差异的情况下，对不同的人提出同样的要求、做出道德评判、赏“善”罚“恶”。

金赛在两次报告中经常声称，他仅仅记录性行为的真相，而不做判断。在《人类男性性行为》的前言部分，他写道：

一段时间以来，人们越来越注意到，我收集的关于性的数据开始让人不悦了。这表明，收集科学事实完全与道德价值和社会风俗背道而驰。

批评家反驳说，在这么长一段记录里不加任何判断，这本身就是一种判断。我想我还是同意这种说法的。我认为完全“无价值判断”的社会科学是不可能的。虽然金赛在报告中给自己做了免责声明，但是完全不能说明不做判断就是符合道德的，人家还是给他定了罪。他的基本信念——个体差异，也触怒了别人——谁能轻视大自然的“基本法则”呢？（当然也可以，但是大多数人都不喜欢道德规范跟生活起冲突。）

究竟怎样做更好呢？研究者应该收集人类性行为的数据，还是应该从个人观点出发、将每一条研究发现套上道德的紧箍咒呢？这恐怕太狂妄了吧。最后，我得承认我支持金赛，在我看来他很有亲和力，因为我们具有共同的价值观——我也是个分类学家。

在《愤怒的葡萄》的开头，汤姆·乔德（Tom Joad）刑满释放回家，遇到了过去给他布道的牧师凯西（Casy）。凯西说他不再相信“耶稣复活”了，因为他不能平衡自己的布道和性行为之间的矛盾：

我说，大概这不能算罪过吧。大概各位都是这样吧……嗯，我躺在树下的时候想到“那个”，就睡着了。晚上的时候又想，天黑又想。旁边有只郊狼在嗥叫。我知道这个之前，我还大肆说教“没有罪过，没有美德，人就是这么过的……人有些事情做得正经，有些不正经，任何人都有讲话的权利”。

11
第100篇 [1]

我写了很长时间的散文，从来没有为我最熟悉的一种生物写过文章。但是在写这第100篇之际，我恳请读者放我一马，让我写一写巴哈马群岛的网纹螺（Cerion）。我全心全意地喜欢这种螺，但是总是小心谨慎地回避这个话题，因为不想一不小心越过个人爱好和公众趣味之间的界限——就像溺爱子女的父母把乏味的家庭小电影拿给邻居和朋友看，让人昏昏欲睡又不便发作。我写散文有两条底线：从不撒谎，而且努力不让你觉得乏味。但是，为了这第100篇，我为了自己一时高兴，暂时冒险抛弃这第二条底线。

网纹螺是西印度群岛最常见的一种螺，从佛罗里达礁岛群到阿鲁巴岛、博内尔岛、库拉索岛、委内瑞拉沿岸都有分布，但是大部分种类集中栖息在古巴和巴哈马群岛。从我们的标准看来，它们的生命中还是有小小惊喜的：大部分种类生活在岩石上和海岸周围植被稀少的地方。它们能活5～10年，但是一生大多数时间都在蛰伏（夏眠），从植物上倒挂下来或者吸附在岩石上。雨后或者夜里凉爽湿润的时候，它们就从树枝或石头上落下来，啃食菌类或腐烂植物，甚至还会交配。人们描绘了它的行动轨迹图，发现很多蜗牛都在同一块草地的几码内活动，年年如此。

为什么我挑中网纹螺呢？用一生的时间来研究演化的理论都不为过，为什么我还要舍本求末地写这个细节呢？虽然我是个特立独行的人，我也不会置自然史的规律于不顾、自断前程——正如康德所说，脱离了感知的概念是空泛的。科学家们如果不去仔细地挑选观察对象、深入地观察生物的细微之处，是“感受”不到自然的（没有一定的积累，就不可能顿悟出真知）。因此，亚里士多德解剖了几条鱿鱼，就宣布世界永恒；而达尔文写了整整四本关于藤壶的书，最后才写出一本《物种起源》。美国伟大的演化论学家和自然史学家辛普森（G.G.Simpson）、杜布赞斯基（T.Dobzhansky）和迈尔（E.Mayr）最开始分别是研究中生代哺乳动物、瓢虫、新几内亚鸟类的专家，后来才出名的。

科学家一开始都是以低姿态出现，研究一些小问题，而不是以一些华丽的理由，来研究“普适”的道理。做研究仅仅就是因为研究有意思，发现的乐趣比“重要”重要多了。做研究还是为了冒险和扩张知识的边界。我在巴哈马群岛所做的研究，比起达尔文在“小猎犬”号航行中、贝茨（Bates）在亚马孙雨林、华莱士（Wallace）在马来群岛所做的探险，显得渺小可笑多了——我不想重复讲在北安德罗斯（North Andros）与死亡擦肩而过的那次经历，但是比起生死或者荣誉来，我更爱在不同的天地里享受静谧时光：在马亚瓜纳岛花一晚上讨论丛林中的药物；在长岛和南安德罗斯考察屋顶上的装饰性雕刻；还有我吃过的最好的一顿饭——在伊纳瓜岛上考察了一天，又热又累，在杰米·尼克松的花园里点燃篝火，煮了一锅新鲜贝壳和红薯吃。

所有博物学家都要经过一场洗礼（选一种生物仔细研究）才能成为好的博物学家，这种生物可不是无意或者随便挑选的。我去巴哈马群岛是因为我对形态的演化很感兴趣，并且想要钻研个体千变万化的形态发育如何导致演化上的改变（见书目：《个体发育与系统发育》），而不是像某些玩世不恭的人说的那样，巴哈马群岛比育空河（Yukon）范围更广，适合考察我才去的。对无脊椎生物感兴趣的古生物学家自然而然地就会去研究蜗牛，因为蜗牛壳记载了从卵到成体的完整发育过程。

研究形态、又对腹足动物感兴趣的学者，决不会绕开网纹螺不谈，因为网纹螺属（有几百个种）比其他属都要庞大。有些很长，跟铅笔一样细；有些却像高尔夫球一样圆，但都属该属。有一次公共会议，一名同事用“方形螺”来比喻不可能存在的动物，而我展示了一张方形螺的照片，反驳了他。5年前，我在马亚瓜纳岛发现了化石，是网纹螺属中间最大的一种，长度超过70毫米，几乎是长方形。而在小伊纳瓜岛发现的最小的一种网纹螺近似球形，直径仅5毫米。

已知的最大和最小的网纹螺的壳（仅仅是指标本的尺寸，不代表种类）。大的是在马亚瓜纳岛上，小的是在小伊纳瓜岛上发现的。大的（如果补齐缺失的壳顶）长度超过70毫米。Ron Eng拍摄

网纹螺的神秘和引人入胜之处并不仅仅在于种类丰富，而且在于很多种类具有不寻常的习性以及随之而来的形态改变。物种是生物多样性的基本单位。大自然中的物种，只有避免杂交，才能保持相对独立。对于数量繁多、奇形怪状的物种，我们本不应该感到奇怪，因为个体差异大了，就能演化出更加千变万化的形态。

巴哈马群岛和古巴的多种网纹螺，同一个属的不同形态。Al Coleman拍摄

老一代的博物学家对如此奇形怪状的物种毫无对策，只能给它们一个一个起上名字，大概起了有600个。但是从生物学角度来说，其中没有几种是独立的、不杂交的。10年以来，我们在巴哈马群岛所有主要的岛屿做了考察，结果只发现两类网纹螺生活在同一地区而不杂交——这样，它们就是独立的物种。一种是巨型螺，一种是迷你螺。其他的网纹螺，无论体型差异多么巨大，都不约而同存在杂交现象（这让人想起很多关于吉娃娃和大丹狗的冷笑话），在栖息地相邻的地方产生杂交后代，也就是说，它们不完全是独立的种类。但不知怎么搞的，网纹螺就是这样，没有很多种类，但是形态却变化万千。这是怎么回事呢？还有，如果大多数网纹螺都产生杂交后代，那么基因上的差异就不会很大。而微小的基因差异是怎么造成极大的形态差异的呢？

第二个相关的谜团是：同种形态的网纹螺经常分布在相隔很远的岛上。最简单的一种解释是：飓风能把螺刮出很远，因此地理上呈随机分布；或者中间的岛上的螺灭绝了，而相隔很远的岛上的两批螺却都存活了下来。然而，所有研究网纹螺的专家（包括我）都有一种感觉：尽管相隔很远的两个岛上的螺看起来是差不多的，它们却是相对独立演化的产物。如果真的是这样按照非传统的形式来演化，又怎么会有这么相似的一对又一对的呢？

因此，在网纹螺无与伦比的多样性中存在两个突出的特征：外形差别很大的个体也能够互相杂交，彼此不能构成真正的物种；它们所有的复杂性可能独立演化了多次。哪个科学家能解释这些奇怪现象，就能为理解网纹螺的形态和演化做出重要贡献。我要试着描述我们为解决这个问题所做的一些准备工作，还有一些可能是错的措施。

网纹螺曾经引起了很多杰出的博物学家的注意：从1758年首次给一种网纹螺命名的林奈，到200年后自然种群研究的先锋恩斯特·迈尔。虽然一小群“网纹螺迷”这么努力，虽然网纹螺在生物学上非常奇特，是形态演化的一个典范，它还是没能得到相应的重视。这都怪过去的生物学研究方法。老一代的博物学家将网纹螺的研究价值深埋于一堆拉丁名构成的故纸堆下（而这些种名又是错误的），以至于对演化论感兴趣的人都不能从呛死人的故纸堆中把需要的材料翻出来。

其中最糟糕的是梅纳德（C. J. Maynard），作为一个刚入道的生物学家，他在1880～1920年间一个人就为几百种网纹螺命了名。他想象自己是在积德。他在1889年写道：

贝壳学家可以忽略我命名的一些新物种，因为也许他们认为我分得太细了。而我相信，我在完成今天的博物学家必须完成的一桩使命，将动物的差异事无巨细地记录下来……为了给后代造福而给它们（螺）命名，我毫不犹豫。

我再给出一条理由来戳一戳梅纳德的蹩脚，相信你们不会反对——梅纳德到巴哈马群岛“考察”，旅行费是靠卖贝壳赚来的。多命名一种螺，就多赚一些银子。（买者自慎，概不退换哦！）

有专业精神的同行对梅纳德这种琐碎的分类方法表示激烈反对。美国著名贝壳学家皮尔斯布里（H. A. Pilsbry）写了一篇有力的文章《神和人都被巴哈马群岛鸡毛蒜皮的花名册惊呆了》，达尔（W. H. Dall）称梅纳德所做的工作“让人讨厌又惊讶”。然而，经过残酷的实践检验，皮尔斯布里和达尔都没能扳倒梅纳德的豪言壮语，他们都承认梅纳德至少有一半命名是正确的——还是被排山倒海的大堆错误命名压怕了。

网纹螺的多样性是如此之高，物种数量是如此之少，以至于杰出的英国贝壳学家索尔比（G. B. Sowerby）幻想自己是个诗人（这一点没有经过证实），写了一本关于网纹螺属的专论，开头是这样几句打油诗：

世上本无完美，一切由你开创。奇妙和谐万物，齐颂我主荣光。

索尔比接下来就平平仄仄地写了一大堆。这首歪诗作于1875年，比梅纳德给网纹螺分类起名还早！

有了这么大一个烂摊子，在回答我之前提出的两个问题之前，得先完成一个更基本更微不足道的任务：必须从网纹螺的生态和地理分布中找到一种“形态学的模型”。如果找不到，又将如何解释呢？幸好，花了不到10年的时间，我们从排山倒海的拉丁名中提炼出可以预测的一些模型，因此为更深入的解释打下了基础。我们靠的是直觉和一些迹象来进行更深入的解释，但是没有具体的信息，更没有工具来提供信息（因为我们卡在生物学的瓶颈里了——发育遗传学——不幸这门学科还很不发达）。但是我还是认为我们开了一个好头。

我用“我们”这个词是因为我很快意识到这个工作不能由我独自完成。我有能力分析贝壳的生长和形态，但我对遗传学和生态学并不专精，而在任何综合研究里，这两个方向都跟形态学脱不开干系的。所以，我和加州大学圣地亚哥分校的生物学家戴维·伍德拉夫（David Woodruff）结成搭档，在一起做了10年研究，从长岛的水疱（blisters）到安德罗斯岛的子弹（bullets）都研究过。

［我得停一下，因为突然意识到我快要越过第一条底线了。很恐怖的一点是，科学家总是喜欢美化自己的研究过程，好像把原材料全都准备好了、胸有成竹了才下锅，其实不是这样的，因为科学家总得不断思考和观察，有时候必须彻底改变以前的方案、否定自己，有时候还会遇到不可预料的问题。一个项目，就像一个生物体一样，自己会生长，有时候会磕磕碰碰，然后自己调节过来又好了，不是像中学平面几何证明题那样一步一步从头推到尾。让我来坦白一下，我最初对网纹螺化石感兴趣，是因为想把它跟我研究过的百慕大螺比较一下。我有意回避所有现代的网纹螺，因为那些堆积如山的拉丁名让我目瞪口呆，觉得没有出头之日。伍德拉夫第一次去伊纳瓜是因为他想研究一种壳上有彩条的螺，但是他去的时候蚊子成堆，所以只去了两天就逃回来了。我们俩第一次一起去了大巴哈马岛：我去研究化石，他去寻找彩条螺，但是我很快发现大巴哈马岛地层极其薄，没有螺的化石，他也没发现几只彩条螺，我们困在那儿一星期。所以我们转而研究现生的网纹螺，拨开云雾见到了太阳。从此，按照撒切尔·佩吉（Satchel Paige）提供的建议，我们再也没有回头看。］

巴哈马北部群岛图，深灰色是岛屿轮廓，浅灰色是浅滩轮廓。翻印自《自然史》

以前的科学家给大巴哈马岛及其邻近的阿巴克岛上的网纹螺分了差不多有15个种，想了15个名字。但是经过近一星期的研究，伍德拉夫和我认识到岛上只有两种网纹螺，生活在完全不同的环境里。

阿巴克岛和大巴哈马岛从小巴哈马浅滩上“伸”出来（见后面的地图）。在上一个冰期，海平面比现在要低，浅滩露出海面，岛之间有陆地相连，小巴哈马浅滩和大巴哈马浅滩隔着很深的海沟。这就是巴哈马群岛的前身（新普罗维登斯岛，岛上是巴哈马首都拿骚、比米尼群岛、安德罗斯岛、伊柳塞拉岛、猫岛、伊克苏马群岛以及其他的岛）。伍德拉夫和我从大巴哈马浅滩上一个岛一个岛地走过来，经常在同样的环境里发现两个种群具有相同的模式。在小巴哈马浅滩，我们就这么废除了12个无用的种名。在大巴哈马浅滩，废除了大约有百余个种名。网纹螺“种类”的1/3（大约总共有200“种”）的种名原来都是无效的，只不过是同一种模式的小小变体。我们把错误的、无效的种名化繁为简，按照生态学给它们统一理清了顺序（我说的只是大小巴哈马浅滩。巴哈马群岛东南部其他岛屿上确实有不同种类的网纹螺，可以自成一类，但是篇幅有限，我就只讲巴哈马北部这么些了）。

大小巴哈马浅滩外海岸的“骨状”网纹螺（上排）与滩内海岸的“杂色”螺（下排）的对比。Al Coleman拍摄

巴哈马群岛具有两种海岸线。主要的岛屿都处在浅滩边缘。浅滩表面上离海面很近，但是边缘都是很深的悬崖，直插海底。处在浅滩外沿上的岛屿，海岸都面对着广阔海洋，气候阴冷而且多风。海岸边的沙丘被风一直吹着，最终固化成了岩石（经常被游客误认为是珊瑚礁）。因此，滩外海岸的地表通常全是石头。与此相对的是，浅滩内侧的岛屿海岸（我简称为滩内海岸）四周是平静的浅海，延伸数里，波澜不惊，不可能带来沙土堆砌起沙丘。因此，滩内海岸一般植被茂盛、低洼而且平静。

伍德拉夫和我发现，北巴哈马群岛的滩外海岸上生活着的无一例外是外壳厚重、螺纹凹凸明显、颜色单一（白棕条状花纹）、较宽阔、比较接近长方形的网纹螺。为了防止这篇文章的后半部分跑出来一堆拉丁名，我跳过它们的学名，统称它们为“骨状种群”。而滩内海岸出产外壳很薄、螺纹光滑、杂色斑驳（通常有白棕斑点花纹）、较细长、比较接近圆形的网纹螺——“杂色种群。”（杂色螺也生活在岛的中心地区，而骨状螺只生活在海岸区域。）

这两种模式非常规律，以至于我们在去一个岛之前先画出杂交带的位置。海水越深，螺就越接近骨状。滩内海岸和滩外海岸交界的地方就是杂交地带。

规律得令人昏昏欲睡了？可能两种螺没什么区别吧？可能同一种基因在两种环境里变化成了两种形态吧？可能就像吃得好的人变胖、劳累的人变瘦一样吧？环境和形态精确吻合，可能会让人产生这种无趣的推测。但是，有两种说法似乎很能站得住脚，能证明“骨状螺”和“杂色螺”是两种独立存在的生物。

第一，仅仅把“杂色螺”换个更粗糙更厚的外壳是成不了“骨状螺”的。我对合作研究做了个贡献：用20种方法测量了每个壳。这样我就能用数学来描述生长和成体的情况；就能告诉别人：两种螺的区别包括了很多种决定因素。

第二，对于杂交地带的研究表明，这里是存在两个物种的混杂，确实是两个不同物种的杂交。我做过形态学分析，有很多案例显示：两个“程序”放到一起不兼容的时候，也就是两种生物产生后代的过程中，经常发生形态异常和突变。伍德拉夫做的遗传学分析也证明：杂交螺体内不仅有两套截然不同的系统，而且还产生了变异，拥有不属于双亲任何一方的新基因。

我们可以证明两种螺在生物学上的差异，但却不能阐述产生这种差异的原因，因为我们的两个假设相互抵触。第一是生态上的假设：可能两种螺“分家”的时间并不久远，到了两种环境里面自然就迅速适应了环境。白色或浅色的壳与岸边石头或沙丘的颜色很接近，厚重的壳能保护软体生物在多风、地表粗糙的海岸边生存下来。杂色和白色一样也是一种保护色，当阳光透过植被一束束地射下来的时候，躲在叶子后面的螺就看不出来了。有了轻而薄的壳，吸附在枝叶上也不会太费力。第二是关于历史成因的假设：它们可能已经“分家”很久了，在冰川时期，海平面还很低，可能到处都是“骨状螺”（因为到处都是冰崖和寒风），而“杂色螺”慢慢从内陆地区演化出来。当海面升高的时候，两种螺各守阵地，原封不动。远古的内陆山谷变成了今天的滩内海岸，杂色螺还是住在那里。

把北巴哈马的200多种螺缩减到两种，问题似乎解决了。但是，还有一个问题（还残留10个“种名”）。在伊柳塞拉岛和猫岛发现了第三种螺，它有厚重但是光滑、纯白、三角形的壳。之前没有讲到过它的生态分布和生活习性。这种螺是在伊柳塞拉岛南部和猫岛东南部的断裂带发现的，生活在岛内中心地带。前面两种螺的形态法则在它身上也解释得通：它在靠滩内海岸的地方与杂色螺杂交，在滩外海岸与骨状螺杂交。但是这第三种螺到底是什么呢？在解释前两种螺的问题时候使用了生态学和遗传学，现在必须要靠古生物学来解释残留的问题。

新普罗维登斯岛上发现的化石，从左到右依次是：最古老的沙丘中埋藏的已灭绝的螺、已灭绝的一种小型螺、第二种沙丘中发现的阿加西网纹螺、最年轻沙丘上生活的骨状螺。出自Al Coleman拍摄的《伊柳塞拉岛和猫岛的阿加西螺活化石》

冰川间期，海平面较高、气候较温暖的时候，有时会形成化石沙丘。巴哈马群岛中唯一有地质档案可查的岛——新普罗维登斯，是三种主要的沙丘构成的。最年轻的是1万年以下的少量小沙丘，形成于最近一次冰川融化以后，生活着杂色螺和骨状螺。第二种分布最广，构成了岛的主要部分，形成于12万年前海平面较高的时候、最近一次冰川融化之前，含有一种已灭绝的小网纹螺化石，和一个外壳大而光滑、呈白色的品种，叫作阿加西网纹螺（Cerion agassizi，由早期海洋学家亚历山大·阿加西而得名）。最古老的一些沙丘含有今天在巴哈马群岛已经绝迹的一种网纹螺化石。我们将伊柳塞拉岛和猫岛发现的大白壳螺跟阿加西网纹螺做了对比，没有发现显著差别。也就是说，这种螺是活化石，在古代曾经遍布于大巴哈马浅滩的各个岛上。

这样，两百多种螺现在归结成了三种，前两种的地理分布很有规律，很容易理解，而第三种要具备一定历史知识才搞得懂。从分类学在自然史中的实践，到我们最后的目标——理解网纹螺是怎样演化变异的——这一步真是非常的漫长，但是目前仅有这一条路，我们已经迈出了第一步。

这样一种模式能够阐明更大问题，我们第一次用形态的差异证明，大多数网纹螺专家提出的假设是完全正确的：这两种螺是独立演化的产物。不同的祖先，在相似的地理环境中就可以演化出同样的形态。由于大小巴哈马浅滩上两种螺都有，传统思维认为大小浅滩上的杂色螺本是一家，而骨状螺出自不同的祖先。但是伍德拉夫的学生丹尼尔·钟和巴黎博物馆的陆生螺解剖专家西蒙·第利尔为我们研究了这些螺的生殖结构，做出了以下惊人的发现：小巴哈马浅滩上的杂色螺和骨状螺具有同样的生殖结构，而大巴哈马浅滩的两种螺具有另一套同样的生殖结构。（生殖解剖学是界定共同祖先的标准手段。内部生殖结构的差异说明出自不同的祖先，而外壳的相似是在同种环境下独立演化的结果。）这种“貌合神离”（壳相同、生殖结构不同）的演化模式在自然界中一遍遍地上演着。如果不摒弃那些糊弄人的拉丁名，化繁为简，是得不出这个结论的。

我觉得就是从这个时候开始，我们是隔着一层玻璃，可以窥见形态学背后更深的奥秘了。我们已经证明，生物可以通过不止一种方法演化出一系列复杂独立的特征。我不能想象，每种生物必须通过唯一的方法、沿着单独的遗传轨迹，来演化出一个特征。特征一定是预设在网纹螺的遗传程序里面，必须被成批地唤醒，或者“召唤”出来。一定有某种开关，控制着遗传基因的表达。所有网纹螺都有一种主导基因，使它们在同样环境下，都能独立演化成相同的模样吧？昆虫的同源变异（见《母鸡的牙和马的脚趾》第15篇）说明一定有一种层级开关系统在调节生长，让健全的肢体长在错误的地方（比如，脚长在触角的地方）；说明高层的开关可以控制中级的产生腿的开关和中级的“错误时间”“错误位置”开关。同样，网纹螺基因系统里的一些中级开关可能打开基本生长的一些通路，让一整套基本形态特征一次又一次独立地演化出来。

网纹螺就是这样让我们领悟了演化论里可能是最困难最重要的一个问题：如果每个形态变异都是由成千上万个小变化累积而成，那么新的复杂形态（不仅是有着明显适应优势的单独特征）是怎样衍生出来的？还有，会不会只产生了一点点变异，不构成功能齐全的器官呢？如果遗传和生长的程序都是按照层级顺序组织起来的，就像昆虫同源变异和网纹螺多个特征同时变化，那么演化就不是鸡零狗碎的堆积（相应的那些难题也就迎刃而解了），而是一种协调的变化，只要操作生长程序中的几个关键开关（“调节器”），其他的就会跟着变。但是我们实在是不了解生长和胚胎是怎么一回事，所以才需要看着结果（比如成年黑蜂蝇触角的地方会长出来一条腿、有好几个地方都独立演化出杂色螺）来推导背后那难以捉摸的机制。

我选择了网纹螺，因为我认为它可能会给我脑中一团乱麻似的问题提供启示，但是解决这些问题不能当饭吃，只有不断地证明一些小预测是对的或者一些小猜测是错的，这样才能带来更有趣的新点子，才能换来长期的持续的满足感。网纹螺，或者任何适合野外观察的对象，只要能不断产生吸引人、迷人、和大问题一样考验人的小谜题，就是这种持久的灵感来源。野外观察不是多一篇少一篇无所谓的莎士比亚诗歌分析、不是炒冷饭，而总是能带来真正新鲜的东西。

我记得当我们在伊柳塞拉岛中部发现第一群活的阿加西网纹螺的时候，我们的假设需要两个前提才能成立（不然麻烦就大了）：越靠近滩内海岸，阿加西网纹螺跟杂色螺杂交的程度必须越高；越靠近滩外海岸，跟骨状螺杂交程度必须更高。我们向西步行至滩内海岸，在机场路很容易地就发现了需要的杂交品种。然后我们又向东边的悬崖走，顺着一条废弃的路，在五尺多高的灌木丛里寻找。本来应该找到杂交品种的，但是没有。阿加西螺跟它南边的、最近的骨状螺相隔大约两百码。然后我们意识到，在我们东边有个池塘，骨状螺是喜欢海岸的，是应该不会在池塘西面出现的。我们找到了那个池塘，也发现了一块有阿加西螺和骨状螺杂交品种的地带。（骨状螺的聚集地从池塘东边绕到南边，刚好和西边的阿加西螺碰个照面。）我几乎要高兴得喊出来。然后我想：“但是我能告诉谁呢？谁在乎呢？”我又回答自己：“我不用告诉任何人。我们刚刚看见并且理解了从没人看过或者理解过的东西。得此至宝，夫复何求呢？”

一位声名显赫的同行、跟我上了同一条贼船的不错的理论家，曾经半开玩笑地对我说，野外考察是一种极糟糕的获取信息的方式。花费的所有时间、辛劳、钱，都几乎是打了水漂。相当正确，要是将在迈阿密机场（我最不喜欢的地方）喝咖啡掰指头算时间跟野外考察相比，那喝咖啡就算是相当充实了。但是所有这些磨人、枯燥、重复劳动跟发现新东西的喜悦相比，是无足轻重的——而且如果喜欢做小研究小创造，每一天都可以享受到乐趣。“我们发现了，了解了，搞清了，理顺了大自然中的混乱。”还有什么比这更大的奖励呢？

12
人类平等是历史的偶然

1984年8月5日写于南非普利托利亚。

华盛顿的国家航空与太空博物馆的天花板上悬挂着史上最著名的飞机，林德伯格的“圣路易斯精神号”（1957年版《壮志凌云》电影中提到）。有的游客是感觉不到它的雄伟气魄的。几年前，一个盲人代表团会见了博物馆长，讨论了盲人不能参观的问题。馆长回答，造一个同样大小的飞机模型，能让人自由触摸，这能不能解决问题呢？代表团成员们说，可以接受，但有一个条件——把真的飞机藏起来，不要让别人看见。这个事件使我陷入了对人类差异的深思中。

对我们而言，真实性具有一种奇怪的魔力，我们的世界上确实有一些神圣的物品和地点。它们的影响所及，不仅在于简单的审美价值。就算是跟真货毫无二致的仿品，也无法产生那种魔力。真品可以给人直接的情感震撼——跟喜怒哀乐一样强烈。但是感受到震撼的人却不相信抽象的知识能唤起心灵深处的情感，还以为自己是很理智的人呢。

昨天傍晚，我在我们的祖先南方古猿的发源地和栖息地——南非的稀树大草原上看日落。空气变得寒冷，夜之交响曲开始了，蟾鸣和虫鸣不间断地反复奏响，夹杂着令人心惊肉跳的哺乳动物咆哮声。南十字座出现在天空中，木星、火星、土星在天蝎座上方排成了一条线。夜晚让我感到敬畏、害怕和神秘。我觉得我离宗教的起源很近，宗教应该是人类心灵共同经历的历史现象。在那一刻我也感到离遥远的人类过去很近——300万年前，非洲的南方古猿曾经跟我站在同一个地点，四周是差不多的环境，与我一样体验着敬畏交织的情感（我只是描述一下情感，没任何事实根据）。

然后我从怀古的情调中猛醒过来，意识到我现在是在1984年的南非，听完关于种族歧视历史的一堆报告，在克鲁格国家公园做短暂休息。我比以往更直接地理解，用生物的观点来看待人类是多么大的一场悲剧。这样的历史是一部分裂的历史——为了维持上层的权力和统治而设立界限和等级。而我在这次南非考察中也感受到莫大的讽刺：这个国家曾经有最不光彩的种族隔离史——但是同样是这片土地，稀树大草原上上演的一幕幕却为演化论（和种族隔离是完全相对的）提供了很好的研究材料。

我心里四海之内皆兄弟的信念和最先进的生物学知识是协调的。这样感觉和事实的一致可能很少有，因为一个人不能踏着另一个人的脚步前进（行了别吹捧自己了，一边凉快去）。很多人认为（或者怕）人类平等是一种自由主义的空想，会被严酷的历史现实击碎。他们错了。

这篇文章可以概括为一句话或者一句标语“人类平等是历史上的偶然事件”。平等决不像定义说的那样，它既不是道德准则（但公平可能是一条道德准则）也不是社会行为准则。它就是这样产生、发展的。如果有100个不同的试验场，把人类历史放进去试验，大概会产生别的结果（还会有更多更复杂的道德难题）。

西方人怎么看待种族——这部历史是一个不断否定从前的过程——从最初的严格隔离、排序，到承认每个人的微小差异和内在价值。从旧观念“撤军”撤得越多，就越进步。在本文里，我将要就两大问题（系谱学和地理学，前者是按地质年代来评判人种优劣，后者是按发源地）讨论两个主要的“撤军”阶段。然后我将根据现代生物学，从人类极小的种族差异中归纳出三种主要的论证。

系谱学第一说

在演化论重新定义种族问题、造成不可逆转的影响之前，19世纪早中期的人类学家曾经就人类同源论和多元发生论进行过一场激烈的辩论。持人类同源论的学者主张全人类都是亚当夏娃的后代（然后他们说，这完美的一对繁衍出了很多低等的后代）。持多元发生论的学者说，亚当和夏娃只是白人的祖先，其他的（低等的）种族是上帝另外创造的。两种说法都助长了社会偏见，但是多元发生论更胜一筹，让奴役、对内压迫和海外殖民名正言顺。1839年，撒母尔·乔治·莫顿（Samuel George Morton，美国人类学家）写道：“仁慈的人，会为印第安人的野蛮未开化而感到遗憾……他们脑子的结构似乎跟白人的不一样……他们不仅反对教化，而且最重要的，还不能进行连续的抽象逻辑思考。”

系谱学第二说

演化论成立的前提就是人类同源，但是很多后达尔文时代的人类学家发现了让多元发生论翻身的方法。他们把种族隔离说得没那么绝对了，说人类从古代开始慢慢分化，直到现在才有了不可逾越的种族差别。虽然以前都像猴子，但是现在不一样了，不平等了。

我们对19世纪末期和20世纪早期的人类学史了解得不多，当时的人给每一片骨头化石都起上一个名字，导致拉丁名过剩，仅此而已。除非对那种强迫症似的分类排序持欣赏态度，否则没人有兴趣去了解更多。有很多分类法是寻找现代人种的祖先化石，根据它们与猿猴的接近程度来划分种族优劣。例如皮尔当猿人化石（Piltdown），之所以能欺骗世人（包括内行和外行）40年，就是因为符合了白种人优越的心理。毕竟，这个脑子跟我们一般大的“远古”人（其实是用现代人头盖骨和另一种下颌骨拼凑的伪作）生活在英格兰——显然是白种人的祖先——而直立人（Homo erectus）。这种半猴半人（但是是真实的）的化石被公认是产于爪哇岛和中国，一定是“东方人”和其他有色人种的祖先。

约翰·柯林斯的一幅版画，摘自莫顿1839年的《美国的头盖骨》。注意这张图里的一处小“机关”（也有可能是无意的），增强了读者对印第安人的“劣等”印象。头骨不是朝着正前方，而是朝上仰，看上去头顶显得比较平，没有下图白人男性的头顶那么圆，所以显得脑容量小、比较“原始”

1962年，卡尔顿·库恩（Carleton Coon，美国人类学家）发表了《种族起源》，对这种观点作了最后一次著名的辩护。库恩把人分成5个主要种族——高加索人、蒙古人、澳大利亚土著人，以及非洲的两种人：刚果人（撒哈拉沙漠一带的人）和开普人（包括非洲南部的丛林人和霍屯督人）。他声称这5个种族从直立人祖先开始，就分成了不同的亚种。5种直立人平行演化成为5种智人（Homo sapiens），都沿着同一条道路，向更高级的意识形态进发。但是，“占据了地球上最佳领地”的白人和黄种人“最先跨越了直立人到智人的分水岭，而黑人落在最后，所以黑人的后代要为祖先的懒散付出代价。”库恩说，黑人劣等论不是任何人的错，仅仅是演化上的一个事故，是缺乏挑战性的环境造成的：

高加索人和蒙古人……能有今天的人口密度和文化上占统治性的地位，并非偶然……任何其他的亚种，如果在高加索人和蒙古人的地盘上演化，也同样能成功。

白人男性的头骨，显示了颅骨测量的准线。摘自莫顿的《美国的头盖骨》。这个头骨朝向正前方

世界上优秀的演化论者对库恩的理论表示怀疑。现代人种真的从直立人开始就分化了么？我永远应该感谢克拉克（W.E. Le Gros Clark牛津大学解剖学家，当时英国最伟大的解剖学家）。我读大学的时候在英国待了一年，在这片陌生的土地上是个无名小卒。但是他与我共度了一个下午，耐心解答我对人种和演化的疑问。当我问到库恩的理论时，这位谦虚的大师简单地答道，至少他自己不可能从古代人种的骨头上看出任何现代人种的痕迹。

从更广的角度说，光是在数学概率上，精确的平行进化就根本行不通。五个独立的亚种，经过了如此彻底的变化、至今依然自由地通婚，还能保持人种独立吗？库恩的论文在实证上站不住脚，理论上又难以置信，因此只能看成是旧时代的苟延残喘，而不是可信的证据总结。

系谱学现代的观点

第一条，人类的不同种群不是独立的物种。第二条，人类也不是古代物种的分支。人类是几万或几十万年前从智人分化出来的一个现代物种，不同人种之间的基因差异相当小。

地理学第一说

60年前，雷蒙德·达特（Raymond Dart）发现第一具南方古猿化石时，全世界的科学家都非常排斥这个老祖宗、这个可爱的中间形态，因为它是从一个错误的地方冒出来的。达尔文在一片化石碎片都没有的情况下，凭借着良好的推理，正确地猜测到人类起源于非洲。他说，我们的近亲是黑猩猩和大猩猩，两种都只生活在非洲，因此非洲也有可能是我们共同祖先的家园。

但是当时几乎没有科学家接受达尔文这种有说服力的猜测，因为期望、传统和种族主义这三者对过口供，把我们的祖先锁定在中亚地区。雅利安人优越论使得人类学家错误地以为亚洲有“挑战”，非洲的热带气候让人昏昏欲睡、缺乏“挑战”，所以我们的祖先接受了挑战、从猴子脱胎换骨变成人，向着印欧文化前进。热带地区的有色人种的多样性仅仅记录了原初族群的继发性移民和退化的结果。达特考察几年前，美国自然历史博物馆赞助了一场戈壁沙漠探险，主要为的是在亚洲寻找人类的祖先。人们只记得这场探险成功地发掘出了恐龙和恐龙蛋，而忘记它的主要任务失败了。因为达尔文的猜测是正确的。

地理学第二说

到了19世纪50年代，进一步的解剖学研究和接二连三的大量发现迫使大众相信，我们的祖先在南方，非洲才是我们共同的发源地。但是偏见仍然存在，并且和其他伪科学一起，密谋推翻非洲的“摇篮”地位，而这“摇篮”所孕育的，是对人类至关重要的事——人类意识的起源。大多数科学家再一次以不快不慢的步伐“撤军”，开始说非洲是我们的起源地，但不是我们的精神发源地，只有当人类祖先移民到了亚洲，从那时起才跨越了从猿到直立人（或称爪哇人或北京猿人）的分水岭。非洲的猴子到了亚洲才演化出了智能。库恩1962年在书中写道：“就算非洲是人类的摇篮，它也只是个很差的幼儿园。欧洲和亚洲才是我们第一个学校。”

地理学现代的观点

自从库恩打了这个学校比方以后，探索非洲的脚步加快了。当从非洲发掘出约200万年前的直立人化石，而亚洲的化石遗址被证实没有之前设想的那么古老时，看起来直立人“也”是有可能从非洲的猴子演化而来的。当然，还可以更退一步说，智人是从亚洲的直立人演化而来。但是直立人从非洲移居到欧洲和亚洲，并不能保证欧洲和亚洲的智人都是它们的后代。因为非洲还有直立人的存在，还可能进行杂交。虽然还没有充足证据，但是最新的证据已经将智人的祖先指向了非洲。但当时讽刺的是，人们认为每个人种都可能起源于非洲，但欧洲和亚洲人最终“走出了非洲”。

到现在为止，我只是搬起石头砸自己的脚，证明“人类平等是历史的偶然”是不可能的。我已经说过，不平等的旧的根源已经烟消云散了，但是现在必须归纳出至少三个正面的、同样有力的论证，来解释历史其他的可能性。

由种族定义归纳出的正面（正式、分类学）论证

“种”下面只有“亚种”一个级别。如果正式给人种下定义，其实人种应该算是亚种。亚种就是在一个有明确界限的地段内居住的、有一系列明显分类学特征的种类。亚种和界、门、纲、目、科、属这些分类级别有两个根本区别。第一，亚种只是为了指代的方便，不是必要的；每个生物一定属于某一界、门、纲、目、科、属、种，但是每个种不一定要划分出各种亚种。亚种代表了一个分类学家的个人习惯。第二，任何物种的亚种都不是很清晰很明确的。因为一个物种不同个体可以交配，而现代的分类学家又可以借助量化的标准来精确界定地理差异，那么就没必要想很多名字来描述这种瞬息万变的差异了。因此，给亚种命名就落得个吃力不讨好，很少有分类学家来做这种事了。人类存在着差异，但是正儿八经给人种命名已经成为过去式了。

有些物种还可勉强按照地域分类，例如，想象一种不能移动的、生活在不同大陆板块上的生物，由于彼此永不能见面，可能会相对独立地演化，变成不同的模样。对于这种地域差异极大的生物，我们还是能把它们分成一些亚种的。但是人类跑东跑西，又有不同种族通婚的坏习惯，就不能一刀切，按地域分类，那么给人类亚种命名也就毫无意义了。

人类差异之大，使分类变得困难，足以使分类学家怕得发抖（或者高兴得发抖），对给亚种命名望而却步。想想这三点：第一，特征的不统一。按照肤色来划分有一定的道理，但是血型的差异更大，那按照哪个标准更好呢？就连血型也并不是只有A、B、O、AB四种，没有哪种标准可以说是完全明确的。第二，流动性和分等级。人口移动的时候就会通婚、破坏界限、产生新的族群。是应该把欧非混血的南非人（非洲人和白人殖民者的后代。讽刺的是，白人殖民者的后代制定了种族隔离、禁止种族通婚的法律）算作一个新的亚种呢，还是用他们来证明白人黑人的差异呢？第三，殊途同归。不同的祖先在相同的环境中可以独立演化出同样的特征，例如，大多数热带居民都有黑皮肤，这使得划分亚种变得相当困难。

这些反对划分人种的论证很有力，但是人种差异——种族比较和种族仇恨的基础——仍然存在。因此，我必须给出第二和第三个论证。

根据“分化新近说”归纳出的正面论证

我在本文第一部分说过，和漫长的地质年代比起来，把人类分成现代的“人种”，几乎是昨天发生的一样。这种分化不早于我们这个物种——智人的出现，可能仅仅大约是几万（最多几十万年）年前的事情。

从遗传分离归纳出的正面结论

1900年，有人重新发现了孟德尔的学说，遗传学就红火了整整一个世纪。但是，直到20世纪60年代，演化遗传学的一个基本问题还没有得到解答，原因很奇怪：生物体之间基因差异的平均值计算不出来，因为我们无法取得基因的随机样本。按照孟德尔的经典系谱分析方法，只有当某个个体与其他个体有明显外表差异时，才能定义一个新的基因。例如，如果世界上每只果蝇都是红眼，我们会猜测红眼是一种普遍的基因编码，但是红眼基因却分离不出来，因为没有差异。但是如果找到了一只白眼的果蝇，就能让它与红眼交配，找出每代的规律，然后推导出决定眼睛颜色的基因的遗传规律。

要测量种族之间的平均基因差异，必须要能随机取样——除非能直接从外表上鉴别千变万化的基因，否则是不可能做到完全随机的。人类90％的基因都是一样的，如果将分析局限于发生变异的基因上，会致使总的差异被高估。

到了20世纪60年代晚期，几个遗传学家用常规的电泳技术解决了这个旧问题，用带电溶液分离不同的蛋白质（这种方法也有局限性，因为有的蛋白质在电泳溶液中的移动特性相似，用其他方法可以分离出来）。有了电泳技术，人们终于可以提出这个关键问题了：人种之间有多少遗传差异呢？

这个让很多人惊讶的问题，很快就有了明确的答案：少得可怜。10年的研究，没有检测出一条“种族基因”，也就是某个种族有、另外种族没有的基因。种间的差异，还不及种内的差异大。我同事理查德·列万廷（Richard Lewontin）做过很多电泳实验，他做了一个戏剧化的说明：“如果神又将人类毁灭了一次，只剩下非洲南部的科萨人，那么人类还是会有80％的遗传差异。”

由于大多数科学家都接受了古代的种族划分方式，他们希望看到人种之间有着重大的基因差异。但是第二条正面论据证明了人种差异其实很小。不同人群确实在少量可见特征（肤色，发式）上有着明显差别——这些表象会愚弄我们，让我们以为所有差异都是巨大的。但是现在我们知道了“肤浅”这个词的真正含义——皮肤确实不厚，差别也有限。

好了，段落大意写完了，我相信有一点已经很明白了：我谈的绝对不是大道理，而是我们最新的测量结果。如果硬把人类平等这个生物学问题写成是道德或者政治问题，那就太掉价了。因为如果测量结果有小改动，结论可能就有大改动，我们可能就要自打耳光了。我不是伦理学家，但是在我看来，机会均等是不变的、普遍的，跟个体的生物状态无关。种族差异很小，而人与人之间的差异很大——我不能想象，一个世界如果把生活不能自理的智障人士不当人，那这个世界会是怎么样。

我转而归纳出一个小结论，大多数人会对它感到惊讶，这让我乐此不疲。这个结论很明显、清晰，但是很少有人提出。我把人种平等叫作“偶然”事件。我只是解释了“偶然”的原因，并没有解释“偶然”本身的意思。用别的话说就是，历史有没有另外的可能性呢？我们大多数人都可以理解并接受人类平等，但是很少有人考虑到反面——其实反面也是很容易说得通的。

我的对手神创论者，曾经做过一番荒谬可笑的辩解，想象他们可以通过以下这个“不可回答”的带刺问题把演化论一扫而光：“那么”，他们叫道：“你说人是从猿变来的，对吧？”我回答道：“是的。”“嗯好，如果人是从猿演化来的，那么世界上为什么还有猿呢？回答呀！”如果演化真是像漫画一样简略、拾级而上、每一个物种变为下一个物种的时候就会全部消失——那我猜想他们这种辩解还是值得瞩目的。但是演化不是单链状而是树状，就算产生了新物种，祖辈也不会完全消失。猿有很多类型，体型也不尽相同，只有一支变为现代人类。

大多数人都知道树状图，但是很少考虑它的含义。我们知道南方古猿是我们的祖先，他们也有好几支，但是我们将他们视为“祖先”，也就是假设我们取代了他们。事实上他们确实是灭绝了，但不是每一种“祖先”都一定灭绝的。南方古猿的一支变成了能人（Homo habilis），其他有几支也存活了下来。粗壮南方古猿（Australopithecus robu-stus）灭亡离今天不过100万年，曾经和直立人一道在非洲生活。谁也不知道粗壮南方古猿为什么灭绝，如果它活到今天，智力显著低于人类（脑容量是人类的三分之一），说不定又会给我们提出很多伦理难题。我们是应该建动物园、保护区、实行奴隶制、搞种族灭绝，还是对他们实行仁政呢？人类平等是历史的偶然。

其他一些造成不平等的情况也有可能发生。智人是一个年轻的种族，智人分为不同的人种更是不久以前的事。在这种历史背景下，不可能演化出多大的区别。但是很多物种都有百万年的历史，一些个体在地域上分开已久，所以差别比较大。智人如果有这么悠久的历史，日积月累，也可以演化出差别很大的个体——但是没有。人类平等是历史的偶然。

有很多西方思想根植于我们脑中已久，我们意识不到它们的影响，因此受了束缚也不知道。有几句座右铭倒是不错的解毒剂——只要真的理解运用，而不是用爱因斯坦“一切都是相对的”来生搬硬套。

我最爱三句座右铭，很短但意味深长。第一条体现了间断平衡原理，提醒我们演化并不完全是渐变，也有其他的形式：“静止是数据。”第二条驳斥了对进步的误解，证明演化并不是一个不可避免的上升过程：“哺乳动物与恐龙一同演化。”第三条是这篇文章的主题，是关于人类差异的基本陈述。明早吃饭前把它念五遍，更重要的是，理解它，把它当作所有座右铭的中心：“人类平等是历史的偶然。”

13
“五轮”法则

人类一发现“模式”，就两眼放光——以致经常错误地认为巧合和牵强附会的比喻具有深远的意义。尽管世界并不是为人类建造的，人类这种小小生物却喜欢寻找世界的意义。没有哪种思想比“寻找模式”的思想更加扎根于人类的灵魂之中。正如古波斯诗人莪默·伽亚谟在《鲁拜集》中说，“既然入世，为何不知？流水飞逝，从何而至？”要直截了当地理解世界最本质的一些东西——历史弯弯曲曲的轨迹、复杂系统的不可预测性、表面相似事件的缺乏偶然联系——真是太困难了，而“寻找模式”正是妨碍人类认识世界本质的一只拦路虎。

在找寻意义的探索中，数字上的巧合常常掐灭了智慧的火花。我们常常因为把事物分成不同的类、用一个数字表示一些事物而欣喜不已，而且经常感到万物背后一定总有一个统一的数字。我们的祖先沉迷于“7”这个数字——7大星球（太阳，月亮，金木水火土，在托勒密的学说中，都是围着地球转的）；7宗罪；《启示录》7大封印。“5”也是比较得宠的一个数字——手指脚趾都是成5出现；贺拉斯规定一出正规的戏剧要有5幕；大卫用5颗光滑的小石头打死了巨人歌利亚；耶稣把5块面包掰成了成千上万块喂饱穷人；比克斯比夫人有5个儿子在战场上为国捐躯，林肯致函向她表示诚挚的慰问和敬意；爱德华·李尔写过一首打油诗“猫头鹰和小猫出海，把所有的家当包在一张5英镑钞票里（在维多利亚时代，这钞票无论是在面积大小还是在面值上都非常大）”；马歇尔总统提出：“我国需要5分钱雪茄。”

在本文中，我将要讨论达尔文发表《物种起源》10年之前流行的两个分类学系统（两种划分生物类别的理论）。两种系统的支撑理论都是演化论以外的理论；两种系统都将生物5个一级5个一级地纳入自己的版图里，分成种和亚种；都说数学规律反映了自然的本质，不是人类一厢情愿地给复杂的现实强加的虚假秩序。我将要讨论这两个系统，还有演化论是怎样提出对大自然新的看法，使简单数学模型相形见绌，从而永久地改变了分类学。科学思想上的这个重要改变，体现了一个世界的历史特征和秩序的种类是历史决定的，而不是按预设的计划构建出来的。

路易斯·阿加西在给他的老师，德国胚胎学家洛伦兹·奥肯（Lorenz  Oken）的信中写道：

他是教育艺术的大师，对学生有不可抵抗的影响力。用自己的头脑搭建出宇宙……像变魔术一样把动物的肢体与人类的肢体一一对号入座，从而给动物分类，对我们而言，似乎缓慢渐变是只有呆子才会干出来的事，世界一定是某个慷慨博大的神灵的杰作。

奥肯是名优秀的系统解剖学家；他1806年写的胚胎学专著（关于狗和猪的）是细致的典范。但是奥肯也是19世纪早期“自然哲学派”的领导人——自然哲学是一场思想界运动，基于浪漫主义，主张简单的动态法则主宰自然，大哲人能够借由创造性直觉来领悟这些法则。奥肯对这场运动的主要贡献是1809～1811年间写的《自然哲学课本》，这是一份列表，大约有4000个条目，覆盖极广，以神谕般的口吻写到了几乎一切，从“为什么地球是晶体”（山峰是晶体的棱）到“为什么《孙子兵法》是人类最优雅的形式”。

虽然在他那个年代奥肯非常受人尊敬（就算是他的同行冤家也尊敬他），还是遭到了成王败寇的命运，受现代人的嘲笑。他那种神谕的口吻按照现代的标准是该嘲笑嘲笑的。还有什么能让奥肯从巅峰跌到零点呢：“数学是从零开始的，所以肯定一切都是从永恒且无一物的自然中诞生出来的……一种科学，如果不能处理‘无’的概念，就不能算是科学。”他还宣称所有“低等”动物都是不完全的人：“动物界只是最高等动物——人类的一小部分。”

从奥肯的原文中抽离出来，这些句子就完全失去了意义，仅供嘲笑。但放在合适的地方，它们还是有意义的（尽管我们可以判它们是错的），而且奥肯的古怪口吻也是由于品味和习惯跟我们不同，不是因为他笨或者跑题了。

他所有古怪的言论——零高于一切、动物是发育不全的人、按“五”分类——都是在“自然哲学”的理论背景下写出来的：他认为自然是按一个统一的、前进的趋势在发展。所有自然过程一定都是走从低到高的单行线，从一开始的“无”（零）到复杂如人类、再到更高级的形式。（奥肯的观点其实不是演化论，因为每到一个新阶段，都要归零重新开始，高等形态不是直接从低等的祖先演化而来。）由于所有动物都可以按照从简单到复杂排序，人类在序列的顶端，所以动物就是不完全的人。（奥肯给复杂下的定义就是具有更多的器官；比人类低等的动物器官比较少，所以不完全。）

新理论之所以令人兴奋，是在于它不仅具有改变了原有认识体系的力量，而且让曾经合理的观点毫不相干。但是如果我们有了新理论就嘲笑过去，那怎么理解整个认识体系的变化呢？又如何保持谦卑、看待我们现在的理论呢？它们有朝一日也是要被更新的理论所取代的。保持一种诚恳的学术热情总是值得尊敬的。

演化论是生物学史上对时代背景改变最大的理论。杜布赞斯基（Theodosius Dobzhansky）写过一句著名的论断：若没有演化论，生物学将一无是处。但是奥肯的理论自成一派，有它自己的一套解释方法，在它自己的小圈子里还是解释得通的。当然，杜布赞斯基的意思是，一旦我们认定了演化论是生命史的基础，那么生物学就要重新改写。但是如果我们希望理解为什么演化论是思想史上的一个分水岭，我们就必须理解它取代什么旧理论和旧时代背景，而不是把它们看作是演化论之前的不完美尝试。它们只是和演化论不同，而不是愚蠢。它们也同样精巧而且有闪光点，只不过是错误的。我们必须研究奥肯的“五轮”之类理论。要了解演化论本身，也必须了解演化论为什么能摧毁旧的那一套思想体系。

奥肯的“五轮”分类学试图调解“自然哲学”中的两个原则之间的矛盾，这两个原则都很浅陋而且互相抵触。第一，动物沿着从简单到复杂这样一条单线演化，器官数目不断地增加；第二，大自然的任何一个部分都能表现整体，例如哺乳动物的秩序就是大自然的秩序。但是大自然怎么可能同时包含单线的系列和一套重复的循环呢？

让我们分别来看一下。首先看看奥肯《自然哲学课本》（Lehrbuch）中的第3067～3072条“神谕”，所有动物都能按从简单到复杂排成一个系列：

动物界里只有一种动物……

动物界只是最高等动物——人类的一小部分。

动物界从人类王国中独立出去，形成自己的集团。动物具有的器官越多，也就越高等。一种只有肠子的动物无疑比既有肠子又有皮肤的动物要低等。

随着器官的累加，动物变得越来越完美。

因此，每种动物都要比另一种高等，没有两种是站在同一水平面上的。

器官的数目不同，动物的种类就不同。

但是如此一根筋的解释无法满足人类好奇心。人类相信大自然的每一个细微之处都有着深刻含义，因为万物是相通的。奥肯不可能把阿米巴变形虫单独放在池塘里讨论，也不可能单单在海岸上研究螃蟹，因为任何生物一定都是一个复杂系统中和谐的一部分，而不仅仅是梯子上的一道梯级。因此，奥肯把单线变成了交叉填字游戏，将大自然分成一张网，而不是一根逐渐上升的线条。

奥肯把动物按照感觉器官（从“低”到“高”）——触觉、味觉、嗅觉、听觉、视觉——五个五个地分类，觉得这样就是破译了大自然的密码。在“万物霜天竞自由”式的浪漫激情指引下，奥肯发现世界是由无数的圆环构成，最大的圆环是动物种类，最小的是人种。

按照感觉器官数目的增加（或完善），他把整个动物界排列成五个一组的圆环，一共有四个，环环相套。他写道：“动物不同的类别仅仅代表了不同的感觉器官，除此之外别无他用……动物必须按照感觉器官来分类。”无脊椎动物、鱼类、爬行动物、鸟、哺乳动物，换句话说就是触觉、味觉、嗅觉、听觉和视觉。奥肯还有很多牵强附会的说法，我就不引用了，不然就是画蛇添足了。大自然很反对人类给她套上这些条条框框（比如，想一想把哺乳动物跟视觉挂钩是多么困难，因为有些鸟类比哺乳动物视觉敏锐得多）。我简单地说一下奥肯的基本理论。

严格说来，动物只有五类：皮肤类（无脊椎动物）、舌类（鱼，因为鱼类最早有舌头）、鼻类（爬行动物，因为爬行类鼻腔与口腔相通而且可以吸气）、耳类（鸟，因为鸟类有外耳道）、眼类（哺乳动物，因为五感完备、眼球可转动、覆盖有上下眼睑）。

大的分类如此，小的分类也是这样。奥肯用传统种族主义的方法，将人种也按感觉器官分成五类，尽管全无逻辑依据：

1.皮肤人——黑人——非洲人。

2.舌头人——棕种人——澳洲和马来人。

3.鼻子人——红种人——美洲人。

4.耳朵人——黄种人——亚洲和蒙古人。

5.眼睛人——白人——欧洲人。

但是大自然怎么可能既按照感官有规则地循环运动，又按照器官的增加直线前进呢？我们需要有一张图像、一个类比、一张图表。

图像：进步并不是个体生物大踏步前进，而是一个有五个辐条的车轮在向前滚动。这五个辐条分别是触觉、味觉、嗅觉、听觉和视觉。每次当一个辐条接触到地面，就产生出一种生物，代表了辐条上的那种感觉器官。当视觉辐条接触地面之后，就会有一个更小的车轮代替这个大车轮继续转，按照五感的顺序产生出下一轮的生物。

类比：西方历史上有几种理论将连续前进和螺旋式上升的概念合二为一。剑桥大学国王学院16世纪教堂的玻璃窗画上，约拿从鲸的肚子里跳出来、基督从子宫里生出来，这两幅画重叠在一起，表示这两人都是死后三天复活的。基督教的历史滚滚向前，但是新约重新演绎旧约，神的意志不断以重复的形式上演。

所有动物 | 哺乳动物 | 高等哺乳动物 | 人类
触觉：无脊椎动物 |  |  |
味觉：鱼类 |  |  |
嗅觉：爬行类 |  |  |
听觉：鸟类 |  |  |
视觉：哺乳动物 | 触觉：啮齿动物 |  |
| 味觉：树懒和有袋类 |  |
| 嗅觉：蝙蝠和食虫动物 |  |
| 听觉：鲸和有蹄类 |  |
| 视觉：食肉动物和灵长动物 | 触觉：猫和狗 |
|  | 味觉：海豹 |
|  | 嗅觉：熊 |
|  | 听觉：猿 |
|  | 视觉：人类 | 触觉：非洲人
|  |  | 味觉：澳洲人
|  |  | 嗅觉：美洲人
|  |  | 听觉：东方人
|  |  | 视觉：白人

奥肯的“五轮”发展图翻印自《自然史》杂志

图表：下面一个图表展示了四个“五辐条车轮”：所有动物、所有哺乳动物、最高等哺乳动物以及最高等的高等哺乳动物。对于奥肯来说，“五轮”并不是用来应付考试而编的顺口溜，而是自然的真谛。他希望理论能产生更大的成果，例如，他还试图把矿物和植物做进“五轮”图表里。由于药材主要是用化学品和植物做的，做出这样的图表可以帮助医生对症下药。可以用触觉药材治疗非洲人，视觉药材治疗白人。

如果能把矿物、植物、动物都对号入座，那么药物学将会大大改进，因为每一味药都可以治疗相应的病。

斯文森设想的五进制圆环，左边的环是脊椎动物，右边的环是所有动物，之间的平行线显示了类比关系

我钦佩奥肯博大的眼界和大一统的理论，但是如果他的理论是自然的真谛的话，我就是听觉动物，是猴子的叔叔。

在达尔文之前，除了奥肯在德国建立的“五轮”理论，还有一种分类学理论：很多英国博物学家按照“五进制系统”把生物放进五个一组的圆环里。此系统足以和奥肯的相提并论，是因为它也建立起了不同维度上的以“五”为单位的圆环，并且把生物都“排排坐吃果果”地放进圆环里。而且它也试图解决直线前进和螺旋上升之间的矛盾。

“五进制系统”是在“近似”和“类比”两种原则上建立起来的。一个圆上的生物具有相似的形态，两个圆之间存在平行的类比关系。例如，威廉·斯文森（William Swainson），英国“五进制专家”的领头人物，在1835年制定了以下的“哺乳动物圆圈”。我们知道鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类这5种解剖学上常见分类。但是如何把它们升序降序排列，同时又纳入封闭的圆环呢？斯文森说应该先用中间形态把两种类别联系起来——鱼和两栖类中间是蝌蚪，两栖类和爬行类中间是青蛙，爬行类和鸟中间是翼龙；鸟和哺乳类中间是鸭嘴兽，哺乳类和鱼中间是自然界中最大的动物——鲸。因为鲸把最高等的哺乳动物和最低等的鱼类联系起来，这样就形成了一个完整的环。“大自然本身，”斯文森宣称，“描绘出一个伟大完整的圆。”

这样，哺乳动物一环就可以和其他更小或者更大的环，通过平行类比关系统一起来。（我必须承认斯文森的说法和奥肯一样牵强附会，因为完全没有标准可参照，说明为什么有些是近似关系，另一些是类比关系。给人一种不舒服的感觉就是：他们先把圆圈画好，然后再往里头填关系——或者倒过来，先写关系再画圆也成。）例如，斯文森在所有动物中划出一类叫“辐射动物”（棘皮动物及其近亲）；另外几类是：最低等动物（原生动物和其他“简单”生物），有壳目（软体动物），有环动物（环节动物、昆虫、甲壳纲），还有脊椎动物。这第二环和哺乳动物一环之间的类比关系貌似是事先谋划好的，我短暂讨论一下：哺乳动物对脊椎动物大概是最说得通的了；鱼对辐射动物因为它们都是水生的（“不包括尚未发现的种类”）；两栖类对最下等动物因为两者（记好了）“不管外形有多大不同，都比同一环上的其他生物更能改变自己的外形”；爬行动物对软体动物因为蛇和蜗牛都没有脚，用腹部爬行；鸟对有环动物因为昆虫也能飞。

我很失望地在历史学家的圣经——《科学传记词典》（DSB）里发现，关于斯文森的词条解释一味地将他鞭尸，就像文章开头提到的一样，拿斯文森设想的系统跟现代的理论比，说它过时且愚蠢：

他对于自然史孜孜不倦的追求和勤奋的劳作，足以让后人牢记，也抵消了他那荒谬的理论所造成的损害……斯文森在他的动物学职业生涯中，一直顽固地守着这条“伟大”的理论，使他很多作品贬值。

我以其人之道还治其人之身，严厉且名正言顺地用他们自己的术语批评了奥肯和斯文森（逐条分析他们稀奇古怪的逻辑标准，分析他们是怎样建立起以五为单位的圆，又怎样在圆之间建立起类比）。但他们不是傻子也不是疯子，他们的系统也并不是荒谬绝伦。他们在当时欧洲自然史学家中的地位还是很高的，他们建立的分类系统在当时很流行，在众多“自然秩序图式”中非同小可。

直到有了演化论，死板的数字系统才显得荒谬，因为它们的学术地位已经压抑了真正的理论。如果上帝在地球上创造了各种生物（斯文森相信这一点），那么他可能会以数字式的精确，来严格执行他的和谐思想。如果一个序列上的生物（奥肯相信这一点）是由简单的法则，而不是由历史的意外建立起来的，那么动物数字顺序就跟元素周期表一样再自然不过了。分类学中的数字命理学已经被当作荒谬的神秘学被弃之不用了，但是在奥肯和斯文森的时代，自然秩序起源的理论是不可动摇的，这种方法只是理论的一个结果。斯文森写道，他从五进制顺序里看出了上帝的存在以及他对我们的关心：

当我们发现，有明显证据表明，存在着一个明确的计划，使得万物都由少数简单而普遍的法则所制约，使得万物“牵一发而动全身”，这时我们为造物主不可感知的智慧和善意而兴奋，而且也为哲学家们错误、盲目的说教（上帝对人是不屑一顾的）而感到惊讶。

达尔文永久地摧毁了“五轮法则”，因为他将自然重新做了一番解释，让旧理论失去了立足之地。他并没有直接把演化论当作武器。我可以想象，因为演化论也是建立在一些简单法则之上的，所以数字命理学还是有可能死灰复燃。而达尔文的撒手锏就是——历史。道理是直的，道路是弯的，演化论并不是一路披荆斩棘，而是顺着历史弯弯曲曲的轨道，将各种细节纳入其中，如温度的变化、山脉起伏、大陆漂移，甚至彗星和小行星的影响。演化不像建筑，达不到完美境界，因为演化需要材料，而材料大都是过去流传下来的，有局限性，巧妇也难为无米之炊：熊猫的“拇指”是一截与掌骨分离的、笨拙的腕骨，真正的拇指与其他四个同方向弯曲，因为熊猫的祖先是食肉动物，脚掌是用来扑猎物而不是用于握竹子。人类有腰背痛和疝气，是因为我们的祖先并不是两腿直立行走——四条腿走还舒服点，两条腿走就困难了。

从历史弯曲的道路一路走来，动物怎么可能一丝不乱、整整齐齐地填进“五轮”里呢？时间像花朵一样慢慢绽放，动物分类不可能像数字那么精确。演化记录了复杂的、不可逆转的历史过程，这条单行道并不是由简单法则或宿命所指挥的。

但经由历史的调节，生命还是有秩序的——稳固、必然、明确、可测。这秩序就是一棵“生命之树”：有根、干、枝叶，就像祖辈和后辈。还好斯文森没有走得太远，他及时刹了车，对生物世界做了以下正确的描述：

如果自然是无序的，那我们就可以看到四脚的鸟、没脚的鸟、狮鹫（狮身鹰头有翅的神话动物）、四足鸟趾的昆虫，简而言之，如果存在这种杂种动物，那么自然史就不可能成为一部科学。

然后，达尔文又发现了秩序背后的原因，并且从此改变了世界：

分类的依据，除了相似，还有其他理由。我相信还有……世系的近似——生物相似的唯一原因。

注解：

[1] 　题注：这本书是我在《自然史》杂志专栏文章结集的第四卷。写了10年，从来没有一篇论文是超期完成的（我就不告诉你，主编打电话来催稿催得多么急），现在写到第100篇了，我还是给我自己一点小奖励吧。

肆　趋势及其含义

14
失去锋芒

对于棒球联赛史上最大的、也是被人讨论最多的一宗疑案，我想给出新的解释——为什么自从1941年以后，再也没有击球手打出0.400以上的成绩（每100次击球击中40次）。棒球爱好者认为：0.400击球手的消失意味着棒球运动员水平下降了，但是这种外行的观点经不起实际的检验。其实原因不难理解。在棒球比赛中，每个动作都是两个人——击球手跟投手、击球手跟守场员——之间的竞赛，因此棒球既注重团队精神，又提供个人展示空间。

别的团队运动都不像棒球这样单打独斗决胜负。篮球和足球每一次进球都是密不可分的团队合作的结果，而全垒打只是两个人之间的较量。此外，棒球比赛有一套复杂的规则，一个世纪都没有变过，所以可以把相隔很久的两个赛季拿来比较。这套规则虽然烦琐，但并不严密。所以有一些细节，给人们留下了争论的空间：例如1900～1920年“死球”和随后“活球”规则的问世，弹性好的球的发明，夜间比赛和替补投手的产生，滑球的发明，变来变去的坏球区，以及人工草皮取代了天然草皮。

0.400击球手的消失是人们争论最多的一个话题——一球定乾坤的时代一去不复返了。人们喜欢怀旧，喜欢把现在跟“过去的好日子”比，觉得今不如昔。人们之所以喜欢怀旧，是因为如今垃圾食品、核武器、逐渐恶化的环境充满了人们的视线，显得好像西方文明在走下坡路一样。

从1901～1930年，一流球队的击球手普遍都能打出0.400或者更好的成绩（30年内出过9次，7名球员达到这个水平），0.380就已经差强人意了。但是后来成绩迅速下降。1930年比尔·泰瑞（Bill Terry）打出0.401，这是国家联赛中最后一次0.400以上的成绩。1941年泰德·威廉斯（Ted Williams）打出0.406，是美国联赛中最后一个光辉的顶点。自从1941年，我生的那年起，只有三个人打出过0.380以上的成绩：威廉斯本人，1957年，39岁的时候，打出了0.388（在我心目中他是我们时代最杰出的击球手），罗德·卡鲁（Rod Carew），1977年打出了0.388，乔治·布雷特（George Brett），1980年打出0.390。这些伟大的击球手都后继无人了吗？

20世纪联赛击球手的平均成绩

按照传统说法有两种差别很大的解释，第一种说法幼稚而且满嘴道德——无非是唉声叹气、说过去有杰出人物现在没有、对过去进行不切实际的美化，以此来批判现实。我研究过人类犯罪史，发现自从19世纪中叶以来，每一代人都觉得自己处在一波犯罪的浪潮中。每一个时代都可以看到体育道德在惊人地下降。同样，新老棒球迷（少不更事的棒球迷更容易被怀旧情绪洗脑）都说过去的击球手更热爱棒球、更努力训练，泰·柯布（Ty Cobb）是勇猛精进的榜样，彼得·罗斯（Pete Rose）相比之下绅士得多，而今天的棒球运动员无精打采。说什么都行，这项头脑简单的运动本来就是百万美元的奖金催生出来的。

第二种解释认为，现代人虽然多，但跟过去比起来只是沧海一粟；是规则的变化，特别是投手和守场员地位的提高、更加紧张的比赛节奏，导致了一流球队成绩的变化，使优秀击球手失去了优势。例如，棒球记录管理人雷启勒（J. L. Reichler）说道：

有些因素严重影响了击球手的发挥，使他们打不出0.400以上的分数。这些因素包括：投手和守场员的地位显著提升；比赛时间更长使得最强的选手精疲力竭；更多比赛在夜场进行，球很难看清。

我觉得雷启勒说得没错，但是他的视角比较窄，解释得不完全。

第二种解释中有一种说法导致了数字神话的产生。统计专家们都清楚，自从20世纪20年代弹性好的球问世以来，击球成绩普遍蹿高，在20年内一直居高不下。如附表所示，20年代联盟的击球平均成绩都是0.280以上，30年代保持在0.270以上，在其他年代都没有超过0.260。平均水平显著上升了，一流击球手的成绩自然也不会低。国家联盟的“0.400黄金时代”正出现在20年代（前一个黄金时代出现在近代，19世纪90年代，赛季平均成绩第一次上升到0.280——19世纪70年代平均分是0.259，80年代是0.254）。

但是这个简单的数字神话也不能解释0.400击球手的消失。1931～1940年间再也没有人击出过0.400以上的成绩，即便这10年间的平均成绩比1901～1920年要多0.020（世纪初的时候就连命中都是奢侈）。把现在跟1901～1920年比，就会发现“0.400击球手的消失”本来算不上什么大问题，而且也用不着这么劳师动众地去解释它。因为纵览整张表，0.400高分只是昙花一现，就像鸟的牙齿一样，后来就再也没有衍生出来。

想一想1911～1920年（平均分0.259）和1951～1960年（平均分0.257）。1911～1920年间连续三年出了0.400的成绩，一流球队的平均分只有两次低于0.380（1914和1915年，科布打出0.368和0.369）。这不仅仅是科布的个人秀。1912年科布打出0.410，而倒霉的黑袜事件中，“无鞋乔”（Shoeless Joe Jackson）竟也能打出0.395。史毕克（Tris Speaker）0.383， 37岁的奈普·拉杰伊（Nap Lajoie）0.368，艾迪·柯林斯0.348。相比之下，从1951到1960年，只有三个球员的平均分超过了1911～1920年排第五位的艾迪·柯林斯（1956年曼特尔0.353，1959年库恩0.353，还有前面提到过的，1957年威廉斯0.388）。顺便插一句，1950年并不是懒人的年代，曼特尔、威廉斯、米诺索、卡林他们几个可不是吃素的。因此，20世纪一流击球手成绩下降的原因并不是其他球队成绩提高了。前人给我们留下了一个谜团，与其他大多数长期难解的谜团一样，答案应该是一类解释，而不是把一个旧解释重复来重复去。

我的职业是古生物学者。我们研究生命史的，花大部分时间为一辈子碰不到的东西担心。生命越来越复杂吗？2亿年前的生物数量比现在多吗？几年前，我突然意识到我们古生物学者解释“趋势”问题的方法具有一个很小但很严重的偏差：只要是事物的极限（最大、最小、最古老），就能吸引我们的注意。而且，为了解释极限，我们只注意趋势本身，把它从背景中剥离出来，而背景本身是具有重要价值的。我们以为趋势是自己产生的：如果动物变得越来越大，那变大一定有变大的好处。

但是如果把极限看成是较大系统的限度，就可以套用一个截然不同的解释了。如果由于某种原因，一个系统内的多样性增加了，那么这个系统的极限值就会增加；多样性减少了，极限值就会减少。极限值本身没有任何特殊意义或者内在性质。换句话说，一个事物有多大、多小、多古老，是系统内多样性的增减决定的。多样性增减的原因经常出乎人们意料。人们通常认为极限值的变化跟系统无关，这是错误的。

举两个我这个专业的例子，来解释一下这个陌生的概念：第一个例子是，极限值增加，正是多样性增加的结果：随着时间的推移，最大的哺乳动物的脑容量稳定增加（没有最聪明，只有更聪明）。很多人因此推断道，所有哺乳动物的脑容量都增加。错了。有很多种哺乳动物，自从种群形成那天起，脑容量就没有增加过。但是，物种差异增加了，脑容量的变化幅度也增加了，用以适应千变万化的环境。如果戴上极限值的有色眼镜，那么就会错误地观察到“随着时间推移，所有动物脑容量都增加”，还会得出“变聪明是本质的、必然的”这种错误结论。如果把多样性考虑在内，那么就会观察到，随着时间推移，不同动物脑容量的差异越来越大（使得极限值更大），这就是不一样的解释。

第二，这是个极限值降低的例子，只有用多样性减少才能解释得通：大多数海洋无脊椎动物都有一个典型特征，叫作“早期试验化，后期标准化”。每当一个新物种诞生，演化之手就探寻每一个角落、尝试各种变化。有些尝试成功了，但是大多数失败了（见第16篇），最后只有很少一部分能生存下来。棘皮动物现在有5大类——两类海星、海胆、海参、海百合（一种长着许多羽状触手、类似植物的无脊椎动物）。但是刚刚有棘皮动物的时候，它们一下子产生了20多个类，有的像一个螺旋，有的两边对称，少数古生物学家认为它们是鱼类的祖先。同样，现存的软体动物有蜗牛、蛤、头足纲动物（如章鱼及其近亲），还有两三个罕见的种类。但是早期的软体动物的基本型有10～15种之多。在大自然中，种类递减和消亡显然更为常见。系统刚刚形成时，穷尽一切可能。有些变异没有成功，最好的解决方案出现了，系统变得越来越规律，多样性也就减少了。

从这个角度看来，我意识到过去看待0.400击球手问题的方法是完全错误的。一流球队的平均成绩是系统的极限值。极限值的减少可能正说明系统趋于稳定——包括上一段提到的和第16篇要讲到的生物。当棒球还是一项年轻的运动时，还没有很完善的规则，稀奇古怪的动作层出不穷。1897年，基勒（Wee Willie Keeler）总能“把球打到对手接不到的地方”，并且创造了0.432的平均成绩，因为守场员不知道该往哪儿跑。逐渐地，运动员学会了队形、站位、守场、投、击——不可避免地，多样性减少了。最好的击球手现在碰上了对手，因为对手也被磨炼得老道了，想击出以前那么完美的成绩是不可能了。平均分的下降不仅仅是因为球队经理创造了替补投手这一位置、投手发明了滑球——传统解释把这些都当作独立因素，以为它们左右了击球成绩。其实，是整个棒球运动更规范了、发挥的余地窄了。

至此，我提出我的假设：0.400击球手的消失（还有一流球队的平均成绩逐渐减少）多半是一个更普遍现象的产物——所有球队的平均成绩越来越趋近，比赛规则越来越标准化——击球手的消失不是什么必然的趋势，也不能从系统割裂出来解释。

要检验这个假设，就需要将一流击球手平均分的变化和所有击球手平均分的变化进行对比。如果这两者之间的差距缩小了，那我就是对的。但是既然我的假设涉及整个系统的变化，那么，稍微有些矛盾的一点是，必须将排名末尾球队的平均分和总平均分加以比较。只有最高和最低分的极限值都趋于总平均分了，总体差距没那么大了，我的假设才能成立。

因此，我翻开了《棒球百科全书》，这是一本球迷信赖的手册（2000多页的“手册”，基本拎不动）。它记载了每年联赛的平均分，并列出每年击球数居前五位的、参加过一定数量比赛的选手。因为人们都喜欢报喜不报忧，所以没有列出最低分，但是读者可以自己费时费力地算出最低分。我计算出了每个击球数超过300个的击球手的5个最低分，这样就算出每年排名末尾球队的平均分。然后，我把每年联赛普通选手的平均分跟5个最高、5个最低分相比。最后，我把每10年作为一格、制出图表。

在下面一张表里，我把数字列了出来——随着时间推移，最高分和最低分都在趋近平均分，这明显地证明了我的假设。

最高分的差距并不是一下子拉近，而是经过三个较为平缓的过渡期。在19世纪（当时只有全国联赛；美国联赛是1901年成立的），高分和低分的差值从87到95不等，平均值是91。从1901到1930年，差值减小了，从80到83不等，平均值是81。1931年以后的5个十年，平均分和最高/最低分的差值降到了67至70，平均值只有69。和三个过渡期对应的是三个击球数的稳定期。第一个在19世纪90年代，平均分高得近乎失控，1894年休·达菲打出0.438，前五位的击球手在同年都打出了0.400以上的分数（这不奇怪，因为这年发生了一个小插曲：将自由上垒数计入击球数。这新规则太过儿戏，很快就被废除了）。第二个稳定期在20世纪，平均分超过0.400，比上个稳定期略低，除了威廉斯1924年打出0.424分居榜首。到第三个稳定期，能打出0.400分以上的选手就消失了。

最低分和平均分之间的差距也是按照过渡期——稳定期——过渡期这样的样式在慢慢缩小。19世纪，差距仅用10年之内就从71猛然降到54，接下来是两个稳定期（20世纪早期差距40多分，中期差距30多分），然后是一个反弹——1971～1980年回升到40多分。

因为19世纪的规则变动太大，所以那时候的数据也较不确切。19世纪70年代，每一个赛季有65场至85场比赛（20世纪每赛季有154至162场比赛）。由于前者赛季较短、击球数较少，所以分数较零散、上下浮动较大（就像现在夏季比冬季击球数少几百次，所以夏季分数浮动更大一样）。因此，为了制出更确切的表格，我对取样标准作了一些调整：凡是每场比赛只击中两次球的球队，我都把它的分数纳入“最低分”的计算之内。到了19世纪90年代，每场赛季有130～150场比赛，分数没有那么零散，就比较好计算，与20世纪的平均分也有了可比性。

最高分、最低分与联赛平均分之间的差距随时间的变化

从1971～1980年，差距又一次拉大了，这使我十分惊讶——我向读者保证，我并不是为自己预测错了找理由，这的确是出乎我的意料。我原以为差距会一直缩小下去，但是棒球这项运动又一次经历了很大的变化。半个世纪以来，棒球规则稳定，球队在地理位置上也没有什么变动。但是随着交通发达、商业炒作，球员开始转队，我喜爱的“闪躲者”队和“巨人”队在1958年离开了纽约，联赛扩大到10支球队，1969年扩大到12支球队。

规模的扩大使得最高/最低分和平均分之间的差距拉大。很多不够格的球员不断创造新低（赚广告费，不好好打球）。这种球员的大量涌入，也拉低了联赛平均分，1968年美国联赛居然爆出了有史以来最低的0.230分（1969年强化了规则，投手土墩降低，好球部位缩小，给击球手创造了机会，才使不断下滑的击球数得以回升）。联赛平均分下滑的同时，最高分和平均分之间的距离也扩大了（好的球员不受总体实力下降的影响）。因此，20世纪70年代的不稳定局面使得差距回升。

我既不打棒球也不是棒球专家，不可能非常精确地指出令棒球运动稳定、令分数差距缩小的原因。但是我可以通过统计学的一般原理，识别出什么才是重大影响。传统的解释认为高分的下降是历史的必然趋势，所以给出的例子无外乎一些有碍击球的“突变”因素——例如，替补投手啊，夜场赛啊。我并不否认这些重要因素的影响，但是如果像我假设的那样，击球最高分下降的根本原因是分数总浮动减小，那么这些突变因素的影响就微不足道了。

应该注意到，棒球变得越来越精确、规范——但棒球经理和运动员“合谋”扼杀棒球运动曾经的乐趣，我们也必须找出其中的原因。棒球已经是一门科学（重复以精益求精）。外场手每天对着纸人模型练习数个小时。队员们反复单调地练习双杀球。每一次投球和挥棒都经过计算，每一个击球手的习惯性动作和个人弱点都被记录在案。为运动而运动的时代已经过去了。

1976年美国建国200周年庆的时候，展览了全世界的高桅帆船。人们惊艳于这种失去的美丽，引用梅斯菲尔德的话说：“我们再也见不到这样的船了。”我倒是对0.400击球手的消失持相反的态度。巨人是不会给俗人让步的。我敢下任何的赌注，好的棒球手和差的棒球手之间的界限缩小了。棒球的边界受到了限制，棱角被磨平了。棒球运动，过去是具有不同寻常风格和细节的运动，现在变成了优雅、精确、平衡、美丽的运动，过去的突出成就不会再有了。

后记

很多读者反映（可能是无心的）：这篇文章太过愤世嫉俗、风格灰暗，对运动中的伟大成就视而不见。但是那些黄金时代的神话，蒙着一层不可捉摸的面纱，是永远不会消失的——就算今天的球队不可避免地走向平庸。在这个英雄辈出的年代，我为《纽约时报》1984年11月10日社论版页面上的一篇文章写了如下评论，算是对“不灭的英雄精神”的赞歌。

三振出局

一个不经意的小提示，经常能让人思绪万千。我在体育版的中缝里读到一则短文：“棒球联赛裁判员巴贝·佩尼里，星期一在旧金山一所疗养院去世，享年89岁。”

有什么比完美更难捉摸呢？你更愿意当球员还是裁判呢？巴贝·佩尼里当裁判的时候，棒球正处在一个完美的时期。1956年10月8日，世界职业棒球大赛中完美的一场比赛，巧合的是，也是佩尼里最后一次当裁判。多么完美的天鹅之歌啊。一个投手把对方27个击球手打出了局。这完美的投手是普普通通的扬基队队员，唐·拉森。

最后佩尼里给比赛画上了完美的句号，也自此留下了争端。戴尔·米切尔替补萨尔·马格里，作为第27个击球手上场。唐·拉森先投了两个好球，对手未击中，第三个投了一个高外角球——技术上来说，的确是坏球，但“差点”就是好球了。米切尔没有接，但是佩尼里毫不犹豫地举起右臂，叫道“三振出局！”约吉·贝拉从垒后面跑过来，兴奋地往前一跃，差点抱住了佩尼里。米切尔后来抱怨道：“投偏了一英尺呢！”这其实是夸张了——因为只投偏了十几厘米——但是确实是投偏了。但是巴贝·佩尼里更为确定：一个完美的投手是不可能投偏的。完美比事实重要多了。

比赛当时我在纽约牙买加中学上初中。那天，每个老师都让我们听比赛广播，就算我们顽固的几何老师B夫人，也不例外（后来我回忆起来，她可能私底下很喜欢棒球）。第七节课快下课的时候，我们去见更顽固的法语老师G夫人，我带头求她：“你得让我们听，”我说，“以前从没有听过。”“年轻人，”她回答道，“这节是法语课。”幸运的是，我坐在后排，鲍勃·哈克坐我后面（座位是按姓名字母排的），他狂迷“闪躲者”队，戴着耳机拿着小收音机躲在那儿听。课上到一半，随着佩尼里喊道“三振出局”，我听到后面“咚”的一声闷响，哈克一副臭脸色：“他成功了，这混蛋，他做到了。”我大声欢呼，把外套抛上半空。“年轻人”，G夫人的声音从讲台那边传来，“ecrire（法语：写）这个词肯定没那么有意思吧。”为此我期末成绩被扣了10分，哈佛大概是上不成了。我从来没那么后悔过。

事实是不可动摇的。事实是不可侵犯的。不论按什么习惯、什么正义标准来看，米切尔根本就用不着击那个坏球。但是裁判判它是个好球——高外角好球。巴贝·佩尼里，判完他人生中最后一场比赛，独自度过最糟糕、也最真实的时刻。巴贝·佩尼里，史上最具争议的裁判，走进储物间，哭了。

后·后记

事情真有意思。我辛苦了3年写了一篇关于百慕大群岛陆螺的专著，只被引用9次。而上面一篇后记是我在儿子的少年儿童棒球联赛周年晚宴的间隙，花了一刻钟随兴写的，倒比我所有论文加起来得到的赞誉还要多。

有些人误解了（我收到佩尼里的牧师写来的信，言辞很是激烈，要求我公开收回对佩尼里的指责言论，不要敬酒不吃吃罚酒）。我还收到许多更令人愉快的信，包括佩尼里的孙子写来的“巴贝喊‘三振’之前根本就没有盘算什么，不应该诋毁他。”对极了。一位非常好心的播报员读到后记里G夫人剥夺我欣赏比赛乐趣那一段，于心不忍，翻出一盘记录了这场比赛的旧磁带，通过电话放给我听。

这些赞誉让我很高兴，也把我逗乐了。写后记的目的本是分享一段温馨回忆，居然有很多中学和大学的伦理学课上讲到这篇后记。因此，为了不使我遗臭万年，请别给这篇后记提炼什么“追求真理”的中心思想。好球还是坏球这个历史问题，只要你愿意承认事实，就解决了，很简单。球是投偏了，是高外角球。但当时的判断是主观的，在当时的背景下，佩尼里把那个球判定成好球，他是对的。

我也得承认一个很尴尬的问题，特别是因为我写了上一段，所以不能不提。在原先的后记中，我把那个投球写成“低外角球”了（我抄了《王朝》杂志上彼得·高伦伯克写的《扬基队的辉煌岁月》——但是不应该找借口，不该抄就是不该抄）。《时代》周刊甚至放大了我的错误，用了“那个球是低外角球”的讽刺标题。但是就算是错误，也是有回报的，因为它证明世界还是有仁慈的人的。瑞得·巴伯，最好最伟大的广播员，在他5分钟的公众广播节目中委婉地更正了我的错误。他应该知道得比我清楚，他当时看了比赛（我没看）。我得到处核对以保无误。他当然是对的。那个球是高球，不是低球。记得有部老漫画集《一生一次的惊悚》（里面有个小孩把马车驾到鼓风机里，说“终于堵上了”），那就是我的感觉。

15
要么死，要么变形

对很多外行来说，除了一年一度的500赛车以外，印第安纳波利斯就没别的好玩的了。其实，它一直是个吸引人的城市，满是现代娱乐设施，其间也夹杂着一丁点儿老式建筑，把忙乱不定的现在和令人安慰的过去联系起来。上星期，我忙里偷闲，到穆拉特寺和苏格兰会的大教堂去转了一圈。这些建筑以前一定很重要，是印第安纳波利斯社交生活的中心。但是现在看起来很荒废——空洞阴沉的维多利亚式房间装饰着深色木料和染色玻璃，采光不好，填满了古旧，填了很多海绵的椅子，偶尔有一些戴着古怪帽子的老年人来坐一坐。想必，老年人宁愿住养老院也不住这儿了。

我在印第安纳波利斯出席美国地质学会的年会 [1] 。一群古生物学同行在否定老旧的思考方式，为的是建立一种全新、震撼的研究地球生命史一个主要特征的方法：大灭绝。我看到、听到有人辩论，我也参加了辩论。

古生物学刚刚作为一门现代学科问世的时候，就出现了大灭绝这个概念。古生物学家曾经把大灭绝当作不同历史时期的界线，来划分地质年代。二叠纪是古生代的最后一个纪，海洋无脊椎动物一半的科灭绝了。白垩纪大灭绝是中生代和新生代的分界线，灭绝的有海洋生物15％的科，还有陆地上最常见的生物——恐龙。

虽然过去的古生物学家相信大灭绝是真的，但奇怪的是，他们都尝试把它描述得缓和一点，这大概是因为戴上了“渐变”的有色眼镜，觉得大灭绝太反常、太危险。简而言之，他们企图这样描述：正常、缓慢的物种灭绝，通过简单的数量级增加，就变成了大灭绝——后者范围更大、时间上更突然，但是在根本上是一样的。为减少大灭绝给人的威慑感、将它与现实事件描述得和谐统一，他们主要采用两种研究手段：第一，强调灭绝前和灭绝后的相对延续性，例如一个物种繁盛一时，在大灭绝后产生了新的后代物种，他们就要找出旧物种和新物种之间的亲缘关系。第二，他们描绘出生物灭亡的曲线图，从图上看出，一个大的波动后面是连续的下滑，持续时间数百万年，在这样的总体背景下，峰值并不显得太突兀，所以也就不构成大灭绝。

印第安纳波利斯的年会收录了一系列独立发表、表面上毫无关系的论文，对这两种传统方法提出了强烈挑战。这些论文的共同结论是：大灭绝是生命演化历程上的断口，而不是连续曲线上的一点。标准有四：大灭绝比过去预期的更为频繁、迅速、彻底（按灭绝的数量看）、独特（与缓慢灭绝的效果完全不同）。一种生命史理论，只有能够把大灭绝现象当作独立、特殊的控制事件探讨，才能称得上完整。我们现在建构的演化论，只解释了正常情况下生物个体和群体之间的相互作用，还不能完全解释大灭绝现象。

阿道夫·赛拉赫（Adolf Seilacher）是德国杜宾根的地质学教授，首先抛出以上观点，向传统发难。道夫（阿道夫的昵称）是我有幸认识的最伟大的观察家。别人研究了几代的寻常之物，他总是能看出一些新奇的东西来。这次他将慧眼对准了最古老的多细胞动物群——埃迪卡拉动物群。他写了一篇论文，从整个生命史的角度，将这些动物的化石历史重新演绎，结尾处留下了无尽的启示，而我坐在那里，接受这一波接一波的醍醐灌顶。

大约5.7亿年前，史上最大的地质变化——寒武纪生命大爆发开始了，我们现在看到的化石就是从那时开始有的。几百万年间，几乎所有具有坚硬外壳的无脊椎动物类群，都首次出现在化石记录中。30亿年前，生命形态只包括一系列细菌和蓝绿藻等生物。但是早期生命的化石中包含了一个重要的、“最后一刻”的例外：最初它们是在澳大利亚发现的，但现在全球皆知了——埃迪卡拉动物群（埃迪卡拉为澳大利亚一地名）。在寒武纪大爆发之前的岩石中，发现了较为多样的、中等到大型（最长一米）、软躯体的、潜水海洋动物群化石。

按照之前提过的“渐变温和式”解释法，地质学家总是要试着把埃迪卡拉动物群归类为现代类群。这样，埃迪卡拉动物就被解释为水母、珊瑚、蠕虫一类，这样在地质历史上最大的界线前后的生命形式就有了一个连续的进化关系，物种之间的亲缘关系跨越了最大的地质学鸿沟。但是，正如我要在下篇文章里讲到的一样，这种新瓶装旧酒的做法总是败得很惨。应该意识到，生命史的早期时常有失败的试验——有些小的类群从来就没有完成多样化，和现代所有动物类群之间的关系如同隔山。我们可以预见到，最古老的类群应该包含大量奇异的种类，但先前的研究者一个劲地把所有埃迪卡拉动物硬塞进现代的种群中。

道夫完全推翻传统说法，说埃迪卡拉动物群里没有现代动物的祖先，每种埃迪卡拉动物都有一个基本的组织模式，跟现代动物类群的模式截然不同。换句话说，整个埃迪卡拉动物群是一个独特的、而且已灭绝的生物类型，是生命史的一次试验。经过一次大灭绝，地球最古老的动物群经历了一次脱胎换骨，而不是简单地扩张和进步了。

传统的埃迪卡拉动物群重建图——很抱歉，也是我的观点。它们被描绘成现代动物的祖先的样子——水母、珊瑚、蠕虫。摘自S.E.卢瑞亚、S.J.古尔德、S.辛格《对人生的看法》一书，翻印自《自然史》

在论文的开头，道夫向我们展示：埃迪卡拉动物和现代动物的相似性是一种误解，且很肤浅，埃迪卡拉动物不可能像现代动物那样生存。几乎所有埃迪卡拉化石都被硬塞进三个现代的类群中：水母、珊瑚、分节的蠕虫。现代水母移动是靠收缩伞状体边缘的肌肉环，环内有辐射状的沟负责收集和传送食物。但是所谓的“埃迪卡拉水母”不可能同样运动：肌肉环在伞状体的中央而不是边缘，辐射状的沟在环外而不是环内。

现代的低等腔肠动物（alcyonarian corals）海鳃（soft corals），或称海笔都是从一根主干上分枝。分枝却是分离的，这样水就把氧气和营养供应给每个珊瑚虫（种群中的个体）。第一眼看来，埃迪卡拉的“海笔”跟现代海鳃形状差不多，但是它们形成的是一种连续的、海绵的结构，而不是分裂的树枝状。埃迪卡拉“蠕虫”也有环节，两侧对称，跟它们的“后代”差不多，但这样基本的重复的结构并不能说明它们之间存在亲缘关系。埃迪卡拉“蠕虫”在其他方面也和现代蠕虫不同：它们伸展开来有近1米长，扁得像煎饼——更像胶片，而不像现代蠕虫。

赛拉赫解释完了埃迪卡拉动物和它们现代“亲戚”的不同之后，又找出了所有埃迪卡拉动物的共同点。现在很少动物有这种结构——就算有，也不是埃迪卡拉动物的后代。它们看上去像丝带、煎饼、胶片，有时候稍稍“鼓起”，像是表面有格子的充气床垫或是一床棉絮。

埃迪卡拉动物演化的年代，动物都还没有矿化骨骼或者外骨骼。但是它们的演化方式，可能为后来那些肢体柔软、体积较大的动物提供了“设计图纸”（Bauplan，原文是德语词，表示生物构造的蓝图）——和现代动物不同，它们的结构轻而薄、像海绵一样编织在一起以增加强度。“表面积与体积的矛盾”是流行了十几年的一个研究话题：

在生物体成长的时候，体积和表面积之间有一个基本矛盾：表面积大小决定了很多生命活动（例如呼吸、摄食），但是，表面积（边长平方）增加得总是比体积（边长立方）增加得慢，所以如果体积一定的话，生物的表面积不可能无限扩大。

为了解决这对矛盾，大多数现代大型生物都演化出了近似球状的外形，以及有皱褶的体内器官（增加表面积）——例如气管和肺泡、小肠绒毛。另外一种解决矛盾的途径（非常罕见，仅见诸于一些寄生虫，例如绦虫）是改变身体的基本形状，变得非常扁——这样身体表面可以直接吸收营养和呼吸。埃迪卡拉动物群都是通过第二种方法演化的，所以和现代动物的基本结构有显著的不同。

如果要追寻历史进步的足迹，我大概会为这种“弹棉花”的方法而欣慰不已——生命第一次“伸胳膊蹬腿”采用了相对简单的一种方法：通过改变身体形状来增加表面积，而不是向内褶皱形成复杂器官。但是更重要的一点是，如果赛拉赫是对的，那么埃迪卡拉动物就代表了一种与众不同、独特、自成一体的生物体结构，而不是现代动物的祖先。相比之下，古生代的第一批有硬壳结构的动物群，即俗称的托莫特期生物群，是一些管状、螺旋状、帽状的生物，与埃迪卡拉动物群相差甚远，因此，托莫特期生物群的祖先有可能和前寒武纪的其他生物有着间接的关系，而与埃迪卡拉动物群之间毫无亲缘关系。现在人们已经发现大批具有管状的进食器和挖洞器的生物遗迹化石，但是没有发现托莫特期生物的祖先——具有较圆体型的生物。

在论文的结尾处，赛拉赫进行了一番颇引人入胜的论证。他指出：人类追寻复杂地外生物的尝试失败了，而且前途渺茫，这主要是因为地球本身就有独立演化出复杂生物的能力，方式很简单（通常是二选一），而人类把这一过程想象得太复杂了——人类总是想，如果地球从头再来一遍，生物还会跟现在的一样吗？物理和化学规律施加的限制有多大呢？别处的生命会有什么不一样呢？其实，答案可能正藏在实实在在的化石记录中，而不是藏在天外。有可能地球当时正在进行独立的试验，其表现就是埃迪卡拉动物群，最早的多细胞动物群。

回到大灭绝的话题上来。过去的古生物学家说第一次大灭绝产生于前寒武纪和古生代之间，大约5.7亿年前。与其他几次大灭绝不同的是，地层显示有大规模辐射（寒武纪大爆发），但在辐射之前没有灭绝事件发生。如果埃迪卡拉动物群在地层上刚好位于古生代地层之下，且广泛存在于世界各个角落，代表了生命构造的一次连贯的、不同的试验，那么在界线处应该存在大灭绝。因此，赛拉赫的论文有效地反驳了传统“平缓灭绝模式”的第一种研究方法——没有一座“桥”能跨越生命史上最大的鸿沟。

印第安纳波利斯年会上的另一些文章论证道：大灭绝是空前绝后、影响至深的事件，在数量级上与正常缓慢的生物灭绝不可同日而语，从而挑战了第二种传统方法。前些年的一些论文已经为这次挑战铺平了道路：（1）白垩纪末大灭绝是由小行星撞击引起的，生物对这样的事情是不会有准备的（《母鸡的牙和马的脚趾》第25篇）。（2）戴维·劳普（David Raup）估计在二叠纪末大灭绝中50％的科灭绝了，大约等于96％的物种灭绝，因为科比种的层级要高，一个科灭绝了，下面所有的种都要灭绝。如此大规模的消亡，究竟是不是偶然因素导致的，让人不得不认真考虑（《母鸡的牙和马的脚趾》第26篇）。（3）劳普和杰克·赛普科斯基（Jack Sepkoski）计算出大灭绝的数量级，峰值比背景水平和原先计算出的要高（《母鸡的牙和马的脚趾》第27篇）。

年会上有好几篇论文都指出了大灭绝与正常平缓灭绝的区别，不断增强与细化这个挑战传统的主题。杰克·赛普科斯基是我以前的学生，现在在芝加哥大学发展得很好，他花了好几年收集大灭绝的完整可信数据，将灭绝的所有动物——从原生动物到哺乳动物——按科排序。有了这些数据，才得以进行量化研究，对第二种传统方法叫板。（我文章里经常讲，好的科学家要有天赋和想象力，但是永远也不要忘记，冰淇淋总是由蛋筒托着的——新的结论是艰苦实证研究之树结出的果子。）

劳普和赛普科斯基使用收集的数据，计算出二叠纪后的大灭绝周期：每隔2600万年，就有一次大灭绝，2亿2500万年间有8次大灭绝（包括已知的所有大灭绝）都是以此为周期，只有两次例外（但绝非偶然）。是什么导致大灭绝周期如此规律、间隔又如此之长呢？劳普和赛普科斯基猜测，一定跟某些天体运动周期有关——太阳系和银河系中间的某些现象，当时的人还不知道是怎么回事（见本书最后一篇文章）。如果灾难发生得如此有规律，又是由不可控制、不可预料的因素导致的（生物群怎会按照2600万年一圈的顺序做跑圈运动呢），那么大灭绝就不是普通生物灭绝的累加。

亚利桑那大学的古生物学家戴维·雅布伦斯基（David Jablonski）随后补充了两条强有力的证据，强调了大灭绝的突然性和与众不同。他分析了原始数据，发现大灭绝刚开始的时候，物种缓慢稳定地减少，然后突然大量消亡。过去曾认为，开始时的缓慢减少标志着正常物种灭绝和大灭绝是有联系的。但是，这到底是事实，还是由于地质记录不完善所导致的计算缺陷呢？

一百多年来，地质学家在陆地上寻找大灭绝的证据。造山运动、火山活动和气候波动等，都是他们早期感兴趣的研究目标，但是都失败了，只有一点除外——海平面的下降，与大灭绝是相关的（劳普和塞普科斯基要是把这点计算在内就更好了）。多数大灭绝发生之前，海平面都有明显下降。

因为岩层中含有大量浅海无脊椎动物化石，所以地质学家推断海平面下降有可能是大灭绝的原因之一，但是化石记录具有迷惑性，对数据会造成显著影响。海平面下降的时候，沉积岩的形成变慢了，岩层较薄，含有的化石就会比较少。所以，大灭绝之前化石的缓慢减少有可能是岩层变薄的结果，并不能说明生物灭绝得缓慢。

雅布伦斯基设计了一种巧妙的方法，测量化石记录的迷惑性到底有多大。海平面下降时，有一些化石消失了。等大灭绝过后、海平面恢复正常、岩层变厚以后，这些化石又回来了。这种短暂的消失一定就是海平面下降、含有化石的岩层变薄的结果。雅布伦斯基把这些“失而复得”的化石称作“拉扎勒斯类群（Lazarus taxa）”。

通过统计“拉扎勒斯类群”的数量，雅布伦斯基估算出“缓慢减少”有多大比例是岩层变薄造成的假象；多大比例真实地记录了大灭绝和正常灭绝的过渡阶段。

对有些类群而言，从总数里面扣去“拉扎勒斯类群”的数量，得到的还是“缓慢减少”的结果（例如白垩纪菊石灭绝），所以“过渡图式”一定是正确的。但是对很多白垩纪类群而言，“缓慢减少”几乎全部是岩层变薄所导致的错误计算。所以，白垩纪大灭绝，可能比人们以前所想的来得更加突然。“天外来客”一说被越来越多的人信服：大灭绝是一场来势汹汹、异乎寻常的事件。

雅布伦斯基接着调查了生物类群的正常时期的行为和大灭绝时期的行为，为的是看一看大灭绝有无更加不同寻常之处。他发现了一些有趣的差异（disparity）。演化树的一些分支包含了很多物种，要么是因为新的物种很容易形成，要么是因为这些物种很难被灭绝。雅布伦斯基把这些分支叫作“物种丰富的演化枝”，与之相反的是“物种贫瘠的演化枝”，也就是包含的物种一直很少的类群。

正常状态下，丰富枝里的物种数量持续增加——在数量上比贫瘠枝多很多，正常时期的自然环境又加速了物种分化和生存能力。但是为什么贫瘠枝物种没有被从生物界挤出去呢？雅布伦斯基发现，大灭绝来临时，贫瘠枝物种比丰富枝物种的生存率要高、地理分布更广、环境耐受力更强。有了这样的适应性，它们在大灭绝时期的极端环境中更容易活下来。而正常时期，适应性广的物种没有机会孤立单独行动或者探寻新环境，所以它们的成种速度就比较低，从而导致数量少。

风水轮流转，没有永远的赢家。丰富枝里的物种在正常时期兴盛，在灾难时期衰退，这样在整个生命史上，丰富枝和贫瘠枝里的物种就都有繁衍后代的机会。这对我们的主题也有启示，正常时期和灾难时期的差异显得更为突出了。大灭绝不是简单的累加，它以不同的方式影响了生物圈的各个组分，与正常时期的模式截然不同。

自从埃迪卡拉多细胞生物形成之初（见第16篇），人们研究生命史，发现最让人不解的一个问题是——海洋无脊椎动物群没有一个清晰的进化顺序。我们可以给某些类群编造出一部进步的历史，但是老实说，生命史是一部百花齐放的历史，不断地进行一系列的基础试验，在不同时期都有闪光点，而不是简单地从低等到高等、从不完善到完善。比如，早期三叶虫的眼睛比后来的节肢动物的眼睛都要复杂和精确。人们为什么看不出这种“由高到低”的演化顺序呢？

有可能人们对生物演化抱有错误的期望，西方思想强调前进发展，这是一个广泛的误区，演化论并没有预言说生物是向“前”发展的。但是，如果物竞天择，生物需要适应变化的环境，有的部分进化了，有的部分退化了，在这一片纷繁之中，还是可以找到一些“更好、更复杂”的设计的。达尔文写书的时候也预料到了这一点：

在历史上的每个时期，都有一些动物在生命的竞赛中打败它们的前辈，并且因此登上一个台阶；这种现象唤起了很多地质学家心里微弱而扭曲的情感，认为所有的生物都是进步的。

在我看来，没有能寻找到生命史“前进的指针”是化石记录中最让人费解的事实。但是我也认为，这个问题就快要解决了，这都是由于人们更加了解正常时期和灾难时期的演化规律。

在最近的10年里，我投身于古生物学，为的是建立一种非传统的理论——间断平衡说［我和奈尔斯·埃尔德雷德（Niles Eldredge）是这个破名字的始作俑者］，用来解释正常时期的演化模式为什么不像人们预料的那样。我们说，正常时期的演化模式并不是一脉相承的逐步提高，相反，从地质学角度（以千年为单位）看来，新物种形成很快，其后几百万年间都保持稳定。演化成功指的是不同物种之间的竞争，而不是传统认为的同种生物竞争。物种成功的因素是多方面的——例如成种速率高、不容易灭绝——而不是像传统认为的，有形态上的优势。如果正常时期，间断平衡是主导的演化模式，那么，我们就是前进了一大步，离理解生命史的波动方向不远了。直到最近，我还觉得单靠间断平衡说就能解决“前进”的难题。

我现在意识到，波动有可能是两种现象交互作用的结果——正常时期，间断平衡占上风；大灭绝时期，其他因素占主导。正常时期，物种无论积累了多少优势（经由间断平衡或者其他过程），在大灭绝时期都会被打破、废除、重置、消散。如果点断平衡理论颠覆了传统的观点（它的确做到了），那么大灭绝的视角影响将更深远。生物不可能感觉到或预测到引发大灭绝的环境因素。在正常时期再适应环境的物种，到了灾难时期还得和其他物种站在一条起跑线上。如果大灭绝可以摧毁多于90％的物种，那么可以这样认为：有些物种由于运气不好，永远消失了；少数物种幸存下来，成了新世界的主人。

此前，人们要么看不出生命史的规律、垂头丧气，要么把世界强行纳入主观臆断的模式里。现在人们游走在绝望或自欺欺人的陷阱边缘，仅仅是不会掉进去。如果能建立大灭绝的常规理论，也许就能完全明白，为什么过去人们没能掌握生命的规律了——甚至还可能从表面的混乱中意外地总结出规律。印第安纳波利斯年会的成功，也许为我们指引了一条捷径。

后记

科学上很好玩、很讽刺的一点是：一篇题材很新的科普散文，在人们的认识提高以后，就会被遗忘掉。我差点就把这篇文章塞进了故纸堆（我已经扔掉了很多论文了，也没为它们难过），但是终于还是决定把它一字不改地保留下来，这样可以诚实地记录下我会议时激动的心情，那些新观点至今还在我耳中回响。因此，我没试图修改文章的字句和语气。我在第8节（本书最后三篇）文章和赛拉赫的书目注解里，对有关大灭绝的知识进行了补充更新。

赛拉赫画的第一幅埃迪卡拉动物群分类图。注意，这些动物是怎样按照生长轴和对称方式分类的——而不是像水母就分成水母类——很容易从图上看出所有埃迪卡拉动物的相同特征

但是，有一张图示我必须补充进来。1984年12月，阿道夫·赛拉赫送给我一张图，是他按照新理论，把整个埃迪卡拉动物群都重新画了一遍。没有什么比一张生动的图示更基本、更重要的了。它不仅是事实论据，而且指引我们思考。赛拉赫的这张图让我很吃惊，因为我熟悉的东西被重新诠释了。在我整个职业生涯中，我都把埃迪卡拉动物看成是现代水母之类动物的祖先。我脑中早已对它们盖棺定论了：我把斯普里格蠕虫（第一行）当作蠕虫的祖先；查恩海笔（第一行）看成珊瑚的祖先；环轮水母（第三行）当作水母的祖先；三分盘虫（第三行）看成棘皮动物的祖先。由于我曾经把这些生物分门别类，我从没看出它们之间的相似之处，而现在这些相似点一下子跳入我的眼帘（“客观”地看来，我是有眼无珠）。现在我完全理解了赛拉赫的观点——埃迪卡拉动物的结构都是棉絮状，生长轴不同，对称方式也不同。分类学是一门动态的、创造性的、历史性的科学。

16
谜题变少了

1939年10月1日，斯大林和希特勒签署互不侵犯条约之后一个月，温斯顿·丘吉尔（Winston Churchill）说俄国的政策是“被层层迷雾包裹着的谜团”。所有职业都有历史遗留下来的谜团，但不是每个职业都有丘吉尔这样的伟人对谜团进行很好的描述。我所从事的领域，无脊椎古生物学，就有一个拉丁术语专门用来指代谜团：所有叫不上名字的罕见动物化石，都被扔进一个叫作“问题化石”（Problematica）的废纸篓里——就算化石保存得再完好、数量再多，也被扔进这一类。如果一个“问题化石”谜团解决了，古生物学家们会弹冠相庆。早在1983年，最难解的一个古生物学谜团终于被解开一半以上了。我希望从头讲述这段故事，并且解释解谜为什么比发现新东西更为愉快。

最让人伤脑筋的一种问题化石，是牙形刺（conodonts，见插图）。它们是名副其实的细小、齿状、磷酸盐质地的构造。（海洋无脊椎动物的硬壳大部分是碳酸钙，而牙形刺是磷酸钙。脊椎动物的骨头也是磷酸钙，这使很多古生物学家推测：牙形刺是已灭绝鱼类的牙齿。）牙形刺的大小不等，最小的要显微镜才能看见，最大的长3毫米，时间跨度很广——从5.8亿年前的寒武纪延续到2亿年前的三叠纪。

大部分问题化石都是稀少且无足轻重的生物化石。而牙形刺虽然细小，却是最重要的化石之一。很多岩层中都有它们大量的身影，它们演化的速度快，具有极高地层对比的价值（在每一个短时期内都有独一无二的牙形刺）。因此，牙形刺也就成了少数可以作为生物地层学对比化石类型之一，可以通过它们来鉴定岩石年代和地层对比。而且，有关牙形刺生物学和演化方面的问题越来越受重视，依然是古生物学家赖以生存的最重要的研究对象。有个专家指出：“在全球范围内，牙形刺是生物地层学的极好工具，从寒武纪到三叠纪都有，比起任何其他化石拥有更高的价值。”想象一下古生物学家的难处：这么重要的化石，我们甚至不知道它是什么动物遗留下来的。问题化石中没有比这更让人为难的了。

牙形刺图片选，这些牙形的化石有很高的地层学价值。翻印自《自然史》。1a：微奥扎克牙形刺属 ﻿2a：光颚牙形贝属 ﻿3a：菱牙形刺属

牙形刺很显然是某种动物身上唯一坚硬的躯体（因此化石保留了下来）。但是光看这些零散的石头，怎么能推断出是哪种动物呢？1856年人们发现了牙形刺，但直到1934年前，人们都在毫无头绪地瞎猜——要么认为它们是零散的、脱落的化石部件，要么试着把牙形刺放在所有动植物的大类中，猜测它们是水藻的根茎或者线虫的交配器官。最常见的猜测是环节蠕虫或者鱼类颌的组成部分。

到了1934年，第一次有人发现了所谓“牙形刺化石群”，它们通过关节结构以明确和稳定的模式连接在一起。这些牙齿形结构呈两侧对称、以从大到小顺序排列，这些特征更让人觉得牙形刺是动物的口器（或者是牙，或者是有肉、有鞭毛的过滤器）。人们开始放弃那些别出心裁的猜测，而对剩下的两种猜测（鱼形或蠕虫形动物颌的组成部分）更加坚信不疑，但是还是没有直接证据说明牙形刺到底是哪种动物。

然后，到了1969年，全美的古生物学家聚集在芝加哥菲尔德自然历史博物馆，举行第一届北美古生物学大会。（我记得很清楚，当时我初出茅庐，刚做助理教授不到一年，诚惶诚恐地坐在一群老教授中间，想：“假如什么人在会场放颗炸弹，整个古生物学界就灰飞烟灭了……”但是转念一想：“炸我们也没什么好处。”）全体会议上有个戏剧性的通告：终于有人发现牙形刺所属动物了。在蒙大拿州发现了一种软躯体动物的化石，口（消化道前端）的位置有牙形刺，可以咀嚼或把食物浸软。这些动物似乎有脊索动物（和脊椎动物是一个门，但较为古老）的特征，于是被称作“牙形脊索动物”。

不幸的是，这只是一次虚报。后来的研究表明，牙形刺长在“牙形脊索动物”消化道的后端——似乎牙形刺是被吞下去的食物，而不是口器。此外，在已发现的“牙形脊索动物”体内，牙形刺的位置和大小都不一样。有一只“牙形脊索动物”体内有两组不同的牙形刺，这清楚地显示了这是两组牙形动物。另外一只“牙形脊索动物”体内，存在的两只牙形刺变化太大，这更加证明了它们不是来源于同一个个体。第三只“牙形脊索动物”体内无论是口还是消化道的位置都没有牙形刺。很显然，牙形动物是“牙形脊索动物”的食物，刺有时会留在后者的消化道里。这个结果可能使古生物学家感到很扫兴，但是一点也不会降低这一发现的价值。脊索动物吃牙形动物，但它本身不是牙形动物，这本身就是一个谜。我们不仅没有解决牙形刺之谜，倒给问题化石的列表中又添加了一个条目。好吧，添加一个条目和解决一个谜团一样好（而且经常是更有趣）。

科学和探索经常被披上浪漫的外衣。与此不同的是，很多重要发现都是整理故纸堆时做出来的，而不是在干旱的戈壁滩或严寒的南极这种极端条件下做出来的。这也是必然，因为19世纪是收藏的黄金年代——收藏家们挖出成吨的宝贝往博物馆抽屉里塞，然后就撂那不管了。具有原始分节的软体动物新蝶贝（Neopilina）是20世纪动物学的一大发现，它于19世纪被从深海里挖掘出来，丢进小玻璃瓶里，取名为“帽贝”（因为外壳是帽形的）。很多年之后，直到莱姆切（H. Lemche）把它翻过来，看到软体部分上具有分节的鳃，它才重见天日。

我很高兴地向大家汇报一下，牙形动物现在的确被找到了——在苏格兰的一个博物馆抽屉里。我朋友尤安·克拉克森（Euan Clarkson）当时正在翻找泰特（D. Tait）20世纪20年代采集的石炭纪（约3.4亿年前）材料，突然注意到有一条蠕虫样的生物前端有牙形刺，就在口的位置上。克拉克森不是研究牙形刺的，所以他叫了一些同事来核对情况。他们把发现结果写成文章，不久前发表了。

化石记录基本只能保留动物身上坚硬的躯体——骨骼、牙齿、壳、板——软躯体腐烂得很快，不会石化。在很特殊的条件下，软躯体也可以保存下来，成为化石中最为宝贵的一部分，是窥见过去生命多样性的一扇窗户。在多细胞动物统治地球6亿年中，只留下12个这样保存了生物软体的化石产地。产地最著名的有加拿大艾伯塔的寒武纪地层伯吉斯页岩中的奇异动物碳化薄片（约5.5亿年前，最为古老的一扇窗户）；伊利诺伊州马荣溪的铁矿石中保存完好的石炭纪动物化石（3.5亿～2.7亿年前）；以及德国索尔恩霍芬印版灰岩中的侏罗纪始祖鸟（1.8亿～1.3亿年前），包括完整骨架和羽毛的印痕。

牙形动物产自“比较小的一扇窗户”，爱丁堡东部格兰顿砂岩中间的“虾层”。格兰顿砂岩是一系列淡水湖泊或微咸泻湖的沉积物形成的。有时候海水会涌入这些湖，带来一些海洋生物，形成了后来的“虾层”。其中的软躯体动物得以保存下来，是由于海水涌入时两个不寻常的条件。第一，底层湖水缺氧，食腐动物和细菌不能生存，沉到湖底的动物尸体不能分解或腐烂（我们做出这些推测，是因为虾带有清晰的分层，显示没有动物在湖底掏洞）。第二，湖底静止，没有水流，因此易碎的动物软躯体没有被破碎，而是完整地沉到了水底。

牙形动物外表像蠕虫，大约有40.5毫米长，只有2毫米宽（见插图）。头部有两个突起，中间是一个凹陷（也许是口）。牙形刺就长在头后面一点，几乎就是口的位置。它们可以分成三组，包含广为人知的组合的成分。因此，克拉克森和同事不需要为牙形刺动物重新命名了，而是把所有骨架化的牙形动物归为一个属：克利德赫刺属（Clydagnathus），时间是1969年。牙形动物体内有一些与体表平行的模糊线条，不知道是消化道、神经管还是脊索。从大约后1/3处到尾部，发现了一些奇怪的节，大概有30节，与身体中轴线构成斜角。最后，在尾部有一些刺，大约是尾鳍。其他没什么好提的。这些骨架大概是克利德赫刺属动物的软躯体上唯一坚硬的部分，也难怪以前的人一直搞不清它们是什么东西。

我之前提到，克拉克森和同事将牙形刺的问题解决了至少一半。他们发现了别人难以发现的动物，但是不知道它是什么动物。为了弄清牙形动物属于哪一类，需要讨论脊索动物门和无脊椎动物门的问题——有可能它是脊索动物门（人类属于脊索动物门中的脊椎动物亚门）当中较原始的一类，也叫原脊椎动物，但是这也没有说服力。牙形动物柔软扁平、鳗鱼一样的身体看起来像是脊索动物，但是有些无脊椎动物也有相似的形体。那些与轮廓平行的模糊线条可能是脊索，也可能只是残留的消化道（低等高等动物几乎都有）。那些看上去像是鳍的部分，有些无脊椎动物身上也有。那些“V”形的节，看上去很像肋骨，但是这部分的化石保存得不好，与其他环节蠕虫难以区分开来。简而言之，牙形动物和脊索动物的相似之处太过于一般、浅显，缺乏特有的证据。

虚线勾出轮廓的是牙形动物化石，是最近在苏格兰一个博物馆的抽屉里发现的。解剖结构很富争议性：既不是脊椎动物门，也不能纳入无脊椎动物门，最好给它另辟一个门。翻印自《自然史》杂志。文本框：头部牙形刺、中轴线、节、尾鳍

毛颚动物门，又称箭虫，在演化树上离脊索动物门不远，包括一些群居的小型海洋生物，是牙形动物和某些现代动物之间的唯一纽带。毛颚动物的头部两侧长着一对可开阖的刺毛，是捕食器官，与牙形动物的牙形刺有些类似，但是刺毛的主要成分是几丁质，不是磷酸钙。毛颚动物有跟牙形动物一样的尾鳍，但还比后者多一对侧鳍（在身体后部，保存完好）。简而言之，与其把牙形动物纳入毛颚动物门下，还不如直接纳入脊索动物门。

因此，布里格斯（Aldridge）、克拉克森和奥尔德里奇下结论说，牙形动物是一个前所未见的独特类群，这深合我意。他们说，必须为它设立一个单独的门——牙形动物门，因为人们已经花了一个世纪企图将它硬塞进现代动物的分类中，结果适得其反，在硬躯体的问题上碰了壁；而现在既然发现了软躯体化石，为什么还要重蹈覆辙、把它塞进已有的分类里呢？他们写道：“125年来都没能做出一个清楚的解释，这就证明牙形动物是独一无二的。”有了“为牙形动物另立门派”这个结论，我们终于知道教科书上写的是怎么一回事了，我也有了写作这篇文章的动机。

一般来说古生物学家都是保守派。对他们来说，不能确定分类的问题化石和罕见物种是必须除去的眼中钉，如果把一个长期以来困扰他们的问题化石纳入已知的某个类中，那他们是再高兴不过的了。牙形动物新开辟了一个门类，使他们松了一口气。近年来，这种另辟门类的方法被人用得越来越多，因为——哎，该死——很多问题化石太奇妙了，太怪异了，太独特了，不能老老实实呆在某个已知的类里不动，而牙形动物事件开了一个好头，以后大家照着办就行了，干吗为难自己呢。以上这段历史虽然很少为人所知，却是很重要的。

只有研究这些不能归入已知门类的有问题化石在时间上的分布，才能体会到以上事件的重要性。多细胞动物大约在6亿年前才登上生命史的舞台，我们把6亿年分成三大阶段——古生代、中生代和新生代。几乎所有不老实的问题化石都是古生代生物遗留下来的，只有牙形动物除外，它们从古生代一路延续到中生代的第一个纪（侏罗纪）。这是本文的焦点，你初次接触到这个观点可能觉得不奇怪，因为毕竟越古老的生物，跟现代生物差别越大嘛。但是化石的时间顺序有两个奇怪之处，显示出了某种模式：第一，按常理说，随着时间的推移，不可划分类别的动物是逐渐减少的，但事实上古生代结束后，问题化石几乎就绝迹了，这很出乎我们意料。古生代早期有大量问题生物，晚期就很少见了，后来就完全没有了。在我提过的三个“窗户”当中，古生代早期的伯吉斯页岩中含有大量问题化石；古生代晚期马荣溪的铁矿石中就只发现两个；中生代索尔恩霍芬印版灰岩中完全不含问题化石。多细胞生命出现之初，有些因素使得问题生物大量涌现，如同井喷一样；而不久之后，有些因素又把这口井完全抽干了。

第二，大多数问题化石都不常见、在历史上存在时间很短、只有少数几个物种，而牙形动物是个例外。动物界里，一个门可以包括成千上万个种——节肢动物门包括75万余种昆虫，脊索动物门包括2万多种鱼，而且这些种类已经存在很久了。分类学家是很小气的，他们不会为区区几种存在了几百万年的动物就建立起一个门。如果古生代的问题生物都像牙形动物那样数量丰富、横跨好几个纪，那么问题化石的时间分布问题就不会那么奇怪和棘手了。但是有的问题化石，分类学家不得不为它单独建立一个门，因为有可能它是当地唯一发现的化石。有些问题生物非常奇怪，比如，想想“怪诞虫”（Hallucigenia ）吧，发现这种虫的英国生物学家莫里斯（Simon Conway Morris）认为它有“古怪而梦幻般的外观”。（莫里斯有次跟我说它很像他“旅游”途中看见的东西——我是说梦游，不是波士顿一日游。）伯吉斯页岩中的怪诞虫有一个长长的身体，大约2.5厘米长，有7对刺，这些刺和已知动物的脚毫无相似之处。它的头很大很圆，背上长有7排触角，每根尖端都分叉，触角的后面有一小丛尖刺，像是剑龙的尾巴。末端有一根向上弯的肛管（见插图）。这差不多是我这辈子见过的最奇怪的东西。再来看看古生代晚期伊利诺州的马荣溪动物群，里面有一种“塔利怪”（Tullimonstrum），这个名字取自发现者塔利（Mr. Tully），一半是因为它有怪物般的外表。塔利怪是一种类似香蕉形的生物，8～15厘米长。和怪诞虫一样，它也和已知生物毫无类似之处，所以也独占了一个门。

我们通常认为演化是一个线性的前进过程——鱼变两栖动物，再变成爬行动物……哺乳动物，最后是人类——因此漏掉了重要的、深刻的主题：多样性的变化（物种的绝对数量和相对数量随时间变化）。古生代的问题化石记录了多样性变化的历史，比任何直上直下的说法都要清楚和可靠，而且也许反映了自然系统变化的一般基本规律。

过去十年，古生物学家就海洋生物多样性变化的模式展开了激烈讨论。现在的物种比过去的物种多吗（“前进式”的观点）？或者寒武纪大爆发以后，物种数量一直保持平衡吗？这个问题没看上去那么容易解决。不能扳手指数每个历史时期的物种数量。化石记录太不精确了，越古老的化石越不精确。有可能挖到的化石越多，实际上的生物多样性越小。

莫里斯做的怪诞虫复原图。注意下面的7对刺（S），大而圆的头（Hd），背上一排分叉的触角（Tt.），一小丛尖刺（St.Tt.）还有上翘的肛管（An.）。出自《古生物学》第20期，1977年，第628页

人们就这么辩来辩去，但是到了1981年，四个辩得最凶的人放下了武器，通力写了一篇文章发表［塞普科斯基（J. J. Sepkoski）、巴姆巴赫（R.K. Bambach）、劳普（D. M. Raup）、瓦伦丁（J. W. Valentine），见书目］。有好几处数据来源（虽然化石记录不精确，但是放到一起核对过，已经算是最好的结果了）都清楚地显示，随着时间推移，生物多样性是增加的——并不是稳定增加，但是总的趋势是增加的。现代海洋中的物种数量大约是古生代海洋的两倍。

因此，我们不可避免地会推测：现代海洋不仅容纳了更多的物种，而且物种分类更加清晰，身体结构分化得更明显。但事实却不是如此。今天，物种数量增加了一倍，大多数物种却挤在少数几个门类里。随着新物种的发现，不断设立新的门类——这些虫子一样的生物，名字很怪异，除了专家以外，没有人晓得：动吻虫、颚咽动物、曳鳃动物、毛颚动物（刚才提过的可能包含牙形动物的一类），等等。但是现代海洋里大多数生物都属于屈指可数的几类——主要是蚌、螺、蟹、鱼和棘皮动物——每一类中的物种都比古生代的一个门的物种加起来还要多（奥陶纪的三叶虫和石炭纪的海百合例外，种类比较丰富）。古生代海洋中的物种数量只有今天的一半，但是它们分化得特别多样，身体结构千奇百怪。化石记录中最明显的趋势是：随时间推移，物种数量增加，结构反而趋同。

问题化石很好地记录了结构趋同的现象。有些奇特的生物是从古生代存活至今的活化石（今天看来很罕见的生物，在古生代多得都烂大街了）。从古到今，纲的变化比门的变化更为剧烈。芝加哥大学的J.J.赛普科斯基对纲的数量做了一个保守统计。现代的棘皮动物可分成4个纲：海胆、海星、海参、海百合，每个纲下面都有很多的目、科、属、种。在古生代，棘皮动物有20个纲，其中16个纲存在于大约5亿年前的奥陶纪，这16个纲后来都灭亡了，而另外4个纲存活到了今天，分化出了很多的种类。

古生代和今天的世界十分不一样，物种很少，而门和纲很多。怪诞虫灭绝了，塔利怪也消失了，曾经繁盛一时的牙形动物也没了。生物界为什么会产生如此大的变化，从物种很少、类别很多，变成物种很多、类别很少呢？

有两个一般性的答案。第一个答案比较传统，强调因果关系；第二个答案强调随机过程。第一个答案涵盖了自然界很多事物的规律，不仅限于生物界，可以称它为“早期试验化、后期标准化”。大约6亿年前，寒武纪大爆发产生的多细胞动物遍布海洋，演化之手探寻了每一个可触及的角落，把网撒得很开，但是每一个网点只有几种生物。既然是撒网式试验，有一些试验成功了，而大多数失败了——所以就渐渐被淘汰了。

有很多类群从开始就有缺陷，从没有出现很高的多样性，结果就成了后来分类学家头疼的话题——有那么几种歪瓜裂枣的生物化石，跟现代生物毫无关系，只好很不情愿地把它们归入问题化石（如果能理解这些试验品背后的道理，我们就会更加心平气和地为它们正名了）。例如古生代棘皮动物的基本构造和今天的棘皮动物一样，但是有的试验成功、繁荣昌盛了，有的试验失败、死了连个名字都没有。现在看到的动物都是经过筛选、磨砺的。谁构造更精巧，谁就能活下来。

“早期试验化、后期标准化”的定理适用于所有系统，不用试验证明。但是毕竟，构造更好、更可行的试验品总是能胜出的。电车和蒸汽机车都让位给了内燃机车（但是要是有一天石油用完了，这些老式车辆还是会浴火重生的）。现在汽车有几百个牌子，每种牌子的汽车都有一套设计理念，大同小异。1900年，汽车牌子很少，但是每个品牌旗下都有五花八门的设计。波音家族的飞机成为统一标准前，人们还乘坐各种各样的飞机，例如软式飞艇、滑翔机，什么都坐。

按照“早期试验化、后期标准化”定理，极端的东西会越来越少。我们经常错误地以为：极端事物的消失是它本身的趋势，不是整个自然系统中变异减少的结果。第14篇文章讲到的0.400击球手的消失，其实也是整个系统内变异减少的缘故。按照传统的解释，高击球率的消失是由于替补投手的产生、比赛节奏更加紧张、夜场比赛的增加。但是我认为这反映了整个棒球运动趋于稳定、标准提高，这和生物结构趋同、少数能生存下来是一个道理。由于投球、接球、击球的水平都提高了，所以，就算平均分几十年不变，最佳和最差球员的成绩却拉近了，整体差异变小了。换句话说，极值向平均值靠拢了——这就是“早期试验化、后期标准化”的道理。

第二种答案是非常规的，建立在随机过程的基础上。就算没有大灭绝，物种还是会增多、分类还是会减少，因为物种刚形成的时候，它们变化的机会比今天的物种多（世界是“空”的，做任何试验都行）。

生态激进主义者（ecoactivists）提醒我们，绝灭才是永恒的。一个结构复杂的试验品，一旦失败了，就再也回不来了。排列组合的可能性太多了，很少会出现重复的试验品（生物学家把这叫作“演化不可逆定理”）。因此，早期海洋里大部分试验品不可避免地灭绝了，只留下数量繁多的一些主要类群。虽然我对随机过程理论很好奇，但我怀疑它是否能解释生物结构的普遍趋同，我觉得“早期试验化、后期标准化”定理就够用了。但是我还是会努力普及一下随机过程理论，因为随机过程的确产生很高程度的秩序——随机和秩序也不矛盾。

我们生活在一个既有历史又不断变化的世界。人类是沉湎于习惯的生物，一旦发现秩序就会沾沾自喜。人类喜欢寻找定理，作为时间的指针——让混乱的历史看起来稍微有点秩序。但是时间的指针很难发现，科学也不能揭示其中的奥秘。热力学第二定律：在封闭系统中熵增加秩序减少，就是最著名的“指针”。演化生物学的大多数原理存在问题，很大程度上基于我们的希望和期望，而不是自然选择的作用。自然选择特别意味着演化史连续的进步过程。但“早期试验化、后期标准化”的多样性定理倒是有可能还原历史真相。所以，就算以前从没研究过岩石年代、对蠕虫不屑一顾的人，也应该关注牙形生物。从它们所处的年代，它们分类的独特性和它们的灭绝，可以看出历史的本质。

注解：

[1] 　这篇文章是1983年11月，会后写的。

伍　政治和进步

生物链

17　类人猿展览

18　被大链子拴住了

19　霍屯督的维纳斯

17
类人猿展览

今天，我们把所有人都归于“智人”这单一物种之中。但是1758年，林奈（Carolus Linnaeus）撰写动物分类学开山之作《自然的系统》时，还另外“识别”出一个人种——穴居人（H.troglodytes）。关于智人的各个种类，林奈写了好几页，但是关于穴居人，他只写了一小节。穴居人只在夜晚活动，讲话嘶嘶作响，只有很少的证据证明它存在。穴居人多半来源于旅游者的道听途说，是将类人猿和原住民丑化的产物。林奈甚至大胆地设想有第三种人类——有尾人存在。但是他承认这种生物（栖息在南极洲）太稀有了（如果真的有的话），所以他不能判定它“到底是人还是猴”。

这位理智清醒的博物学家怎么会在最重要的第一个词条里添加这些无稽之谈呢？最简单的答案是：林奈所处的理论系统促使他“发现”了这种生物，如果某种东西“应该”存在，那么就算缺少点证据，也是可以接受的。

我经常在文章里写到理论和事实的相互作用，因为这最能展现科学“人性”的一面——用心看自然，心和自然就融入一切创造性的活动中去。科学不是一条单行道，简单地将自然投射到心中，这也就是为什么我们不能人云亦云、用现在的事实来评判过去的科学家。有些错误的理论，也是丰富知识的集合体，给今人提出很多好玩的问题，还能产生新发现，就像前人温故知新一样［见《母鸡的牙和马的脚趾》第六篇，詹姆斯·霍顿（James Hutton）对于“终极因”的描述］。

“生物链”是一种错误的理论，认为从最简单的阿米巴变形虫到我们人类，之间是连续不间断的。这个理论使林奈以为猿和人之间有中间形态。但是“生物链”有一个很基本的问题没有解决，就是大部分单位之间存在大而明显的间隔——矿物和植物、植物和动物、猴和人之间并不是平缓过渡 （见第18篇详细讨论这个问题）。当然，托马斯·布朗爵士（Thomas Browne），在他的《宗教医学》（Relitio Medici ，1642）中，宣称越是往上走，差距越是大：

宇宙中有一个梯级，或者说是生物的等级，它并不是无序的，而是格式严整、各部分比例恰当。在活物和植物之间，有着巨大的鸿沟；植物和动物（即有意识的生物）之间差别更大；动物和人之间差别又更大，而人和天使之间则有天壤之别。

对于那些有志于填平鸿沟的人来说，人和猴子之间的差别是一个巨大的难题——而穴居人刚好填平了这个空当。

但是假如穴居人只是早期旅行家生动的幻想的话，事实上他们看到的只是长臂猿、黑猩猩、猩猩和大猩猩。17世纪以前，西欧人对这方面知道得不多，而且也没有材料记录，因此在他们眼中，人和高等灵长类的差别就被夸大了。亚瑟·洛夫乔伊（Arthur O.Lovejoy，普林斯顿大学著名的观念史研究大家）在著作《伟大的生物链》（The Great Chain of Being ）中明确指出，正是这种错误的理论推动了对猿的研究。他写道：

“连续定理”也不是全无好处。它促使博物学家寻找能填补“空缺”的生物……这样，哲学假说为科学研究提供了动力，因此促进了动物学的研究……所以动物学研究变成了一项拉近人和猿距离的科学任务。

直到1699年才有人第一次对猿猴（great ape）做出完整的描述，直到此后100年，还有人对生物链理论做出最后一次辩护——查尔斯·怀特（Charles White）的论文，下一篇将要提到。1699年，英国最优秀的比较解剖学家艾德华·泰森（Edward Tyson），发表了名为《猩猩，森林人：抑或俾格米人与猴、猿、人类的解剖学比较》。在泰森的年代，猩猩一词字面意思就是“森林人”，用以泛指所有亚洲和非洲的类人猿，而不是像今天这样只指代亚洲的红毛猩猩。泰森对此很谨慎，同样对非洲发现俾格米人的报道心存质疑，认为那只是未成年的黑猩猩，被人以讹传讹。

艾德华·泰森（1650～1708）在牛津和剑桥读过书，然后在伦敦当过医生，在外科协会教了15年的人体解剖，然后成为英国最著名的脑科医院（伯利恒，疯人院一词可能就是根据这个词演化而来）的主治医师。他在那里引进了女性护士，还建立了一个部门以跟踪观察病人出院后的情况，这就是门诊部的雏形。但是大多数人还是把他看作比较解剖学和腺体系统的专家。他写了一部关于鼠海豚的专著、一部关于负鼠的专著，但是他1699年发表的关于小黑猩猩的专著最为著名，影响也最久远。他是一个富有、沉默寡言、保守的人，从来没有结过婚，对解剖学研究全心投入，业余爱好古典文学。1708年他下葬时，有人写诗纪念他独自一人对“智慧女神”所做的奉献：

编织智慧花环，无人枕边相伴。不向上帝下跪，独辟女神花园。

阿什利·蒙塔古（Ashley Montagu）为泰森写了一部出色的传记（见书目），替科学史见证了这位被遗忘的重要人物。

我们现在把类人猿视为最像人的灵长类、所有现生生物之中最接近我们祖先的。但是，类人猿和人类有实质差别，不仅在解剖上，而且尤其在语言和脑部功能上。黑猩猩是我们现生的最近的近亲，是演化的一个旁支，而不是我们的祖先或中间类型。但是泰森将俾格米人，或者说年轻黑猩猩，放到其他灵长类和人类之间的位置。当时环境所迫，一定要给黑猩猩定个类别，所以泰森就这么做了：“俾格米人比起其他种类来有很多优点，但是我想它还是一种猿，一种兽类，正像谚语所说‘衣冠禽兽’。”然而，泰森又把他的黑猩猩写成一种中间类型：“俾格米人不是人，也不是普通的猿，而是两者中间的一种动物。”（在泰森的年代，科学家是分不清猴和猿的，所以猿这个字泛指大型灵长类）。

泰森把类人猿放到如此接近人类的位置上，超出了当时人的理解范围，造成他在历史上被误解——我越来越多地思考事实和理论之间的关系，这也是我写这篇文章的动力。在成王败寇、按今天标准评价过去人物的“英雄式”史观指引下，泰森由于勇气和认识到人与猿相似的“先见之明”而受到称赞。按照这种英雄式看法，他还能拨开迷雾、看见真理，原因有二：他是出色的实证主义者，愿意抛弃旧偏见、记录他看见的；他还使用现代的比较解剖学方法——将黑猩猩与其他灵长类和人类逐部分做比较。

泰森《俾格米人的解剖》的标题页。内容：猩猩，森林人：抑或俾格米人与猴、猿、人类的解剖学比较。为俾格米人、狗头人、半羊人、狮身人面等古代人种所做的语言学论文。它们都是猿或猴，而不是之前所认为的人，这一切将会真相大白。落款：艾德华·泰森，药学博士，医师学院会员、皇家学会会员、伯利恒医院医生、外科协会审稿人。伦敦。出版信息

长久以来，人们对泰森1699年专著的评论尽是溢美之词，认为他超越时代。例如赫胥黎在《人类在自然中的位置》（1863年），特别把泰森提出来夸奖了一番，因为“他首次记叙了像人的猿，具有科学的精确和完整性”。阿什利·蒙塔古叙述道，当他做学生的时候，读到一本1904年人类学课本上的评论，说泰森“是现代研究方法的先行者”，因此才感兴趣为他写传记的。20世纪最杰出的科学史专家乔治·萨顿，为阿什利·蒙塔古编的传记写了前言，说泰森的专著“是科学史上最具里程碑式的著作之一……演化论历史上的一座里程碑”，但泰森只讲到静态的生物链，压根儿就没提到演化。 [1]

泰森被过分拔高，这背后有两个异常原因。第一，如果他是一个反传统的人，有意把动物说得跟人很接近，那为什么所有人都评价他“性格谨慎保守”呢？第二，如果黑猩猩是“中间类型”这种说法在当时是颇有争议的，为什么很少有人对他进行评论呢？阿什利·蒙塔古写道：“那时候很少有人提起泰森，这真是令人费解。”

我认为要解决这个难题，就要放弃一种错误的科学史研究方法。泰森不是超前时代，只是循规蹈矩。他把黑猩猩放在猿和人之间的位置，不是因为有远见、预料到演化论的产生或者看破世俗偏见，而是因为忠实拥护生物链理论——那个时代的人习以为常的自然理论。这种理论被自身存在的矛盾所困扰着，人和猴之间的差异格外让人头疼。科学家在急切地（焦急地）寻找中间类型；泰森的发现证明了旧有的理论，因此让人喜闻乐见——并不是借由一个截然不同的观点（演化论，要晚一个世纪才出现）向旧有理论提出挑战。没有什么人对泰森的著作做出评论，因为它没招谁惹谁，也不具争议性。

再者，泰森使用的比较方法也不是什么突破，而完全是因为他信奉生物链理论。如果你想在人和猴之间塞一个动物进去，除了一种跟两边都很类似的动物以外，你还能放什么呢？

我一点也没有批评贬损泰森的意思，也不是要把他从科学英雄的宝座上拉下来，把他放到正确的位置上只会使我们对他理解得更透彻。读过泰森的著作，我对他行文的精确和详细表示肯定，这在任何时代都是很宝贵的。但是，作为本文的主题，我还是要说一下，泰森著作的杰出之处并不在于精确详细地复述旧理论，而是放大了俾格米人的人类特征——也是由于他信奉生物链理论。理论总是能影响感知，但不总是坏的影响。

泰森在著作的开头表示他信奉生物链理论，并且会用它贯穿全文的始终：

有一种真正的理论，我们如果不对它心生敬畏，就难以成功。从矿物到植物，从植物到动物，从动物到人类：这个变化的过程非常缓慢，最低等的植物和某些矿物之间有相似之处；最低等的人类和最高等的动物也有相似之处。我解剖的这种动物和人类最为近似，看上去像是动物和人之间的纽带。

然后他为这种比较方法做辩护，并不是把它当成一种充满争议性、新潮的观点，而是弥补生物链的一种恰当方式：

为了让这篇论文更有用，我对猴、猿、人进行了比较研究。当把这三者的各部分进行对比之后，我们更清楚地认识到：大自然按部就班地构造动物肢体，一种动物缓慢过渡到另一种。只有认识到身体构造和各部分的用途，才得到了真知。在宇宙万物的迷宫中，沿着大自然提供的线团前行，就更容易找到秘密通路，如果跟丢了，就会犯错或者陷入迷惑之中。

虽然后世有人坚持说泰森解剖的俾格米人是“符合最低标准”的人类，但是实际上这个俾格米人是黑猩猩，是野兽，不是人类。泰森不断地强调黑猩猩与人相似的一些特征。最后，他列出了黑猩猩与人类相似的48点特征，与猴相似的34点特征。全文始终强调黑猩猩是猴和人之间的平稳过渡形态：“我会把俾格米人放在创造之链上，作为猿和人之间缺失的一环。”

按照现在的观点，由于黑猩猩在总体解剖结构上离其他灵长类动物较近、离人类较远，那么泰森要得出上一段里的结论，那48点特征里面就有一些“水分”。我下意识地怀疑：泰森一直夸大黑猩猩与人类的类似之处，低估与猴的类似之处。这是有两点原因的。

第一，泰森在不确定的情况下，比较倾向于人类一边。注意他对于姿势的陈述。泰森的黑猩猩是被人从安哥拉带到英国来的，到英国的时候生了病而且很虚弱（几个月以后就死了，所以泰森就能拿它解剖）。他观察到，它在很罕见的情况下会直立行走，一般来说跟普通类人猿一样四肢着地（脚掌完全着地行走，而腕关节后弯触地）。泰森认为这是因为它目前很病弱，在自然状况下它一定像人类一样，只用两只脚走路——即便实证数据证明它四肢行走比直立行走多得多：

它四脚行走得很笨拙，用手腕而不是手掌着地，这是我在它生病时观察到的，因为没有足够力量支撑身体……我们的俾格米人用手腕接触地面，这不是它的本来姿势。有充足证据表明，它是直立行走的。

泰森不懂灵长类一般都是手腕着地行走的，我们不能苛求他，因为他那个时代没有人对这种最一般的特征进行过正确的描述。但是泰森坚持认为黑猩猩都像人一样直立行走，这还是有些牵强，像是附会生物链理论，而不是由实际数据得来的结论。因此，泰森讨论了黑猩猩股骨和骨盆的关节以及“粗大的、防止身体向后倾倒的脚踝骨”，得出了“大自然想让它做一个两足动物”这样的结论。但是，他对之前描述过的其他解剖特征——特别是黑猩猩和人骨盆结构上的最大差别，以及脚趾长、大脚趾无力这些特点——一概避而不谈，因为那些可能会让人怀疑黑猩猩是不是直立行走的。

既然灵长类动物是看得见摸得着的，那么插图的作用不可小视（虽然历史学家经常小视），插图可以在人们头脑中形成概念、支持论点。泰森画了很多图片来加强“直立行走”的说服力，尽管这些图片只是空穴来风（我引用了4幅）。第一幅是俾格米人正面像，完全直立，尽管泰森巧妙地在它手里放了一根拐杖，表示它以这个姿势前行很难。泰森写道：“它身体虚弱，为了让它站得容易点，我在它右手里放了根棍子。”第二幅图是俾格米人背面像，也是直立的，但是这回是左手拉着一根绳子保持站立！最后，肌肉系统和骨骼结构图都是画成跟人一样完全直立的样子。

泰森又用了一些章节，赋予俾格米人几乎所有人类的特性和情感。尽管他注意到它并没有完全丢掉自然本性，他还是欣然回忆道，这只黑猩猩是多么喜欢穿衣，就连生病卧床都照穿不误：

在我们的俾格米人习惯了穿衣以后，它就很喜欢穿衣了；而且如果它自己穿不上的，就会拿到别人跟前，让人帮它穿上。它睡在床上，头靠着枕头，盖着衣服，像人一样；如果真是兽类，怎能如此无心、如此自然地完成这些动作呢？

泰森经常用谈论人类的口气来谈论黑猩猩的行为：“它哭起来像个孩子，而且经常有人看见，它在高兴或生气时，像孩子一样伸腿蹬脚。”他甚至用了一段专门写到黑猩猩戒酒：

有一次它喝果酒喝醉了（它们总是很喜欢喝烈酒），被发现了，从那以后它每次喝都不超过一杯，觉得喝够了以后就会主动拒绝下一杯。这样看来，自然本能教会了兽类戒酒；酗酒不仅违反道德，也违反自然本性。

泰森犯了一个严重的错误，这也是他夸大猿与人相似之处的第二个原因。他知道所谓俾格米人实际上未成年，因为长骨骨骺还未愈合，但是他将它视为“即将成年”，因为他将它的一口乳牙错当作恒牙了（灵长类的乳牙很像人类的恒牙）。所以，他没有意识到，他解剖的这只动物有多小——几乎就是一个婴儿。［这个错误导致他接二连三地犯错，后来他写了一部哲学专著，说古代神话和现代谣传里的所谓俾格米人都是黑猩猩，成年俾格米人只有两英尺（0.6米）高。］

我经常在文章里提到人类演化中幼态持续的问题（见《达尔文以后》和《熊猫的拇指》）。人类发育得比其他灵长类和哺乳动物慢，这样才得以演化出来。年轻黑猩猩、大猩猩与成年人类，要比成年黑猩猩、大猩猩与人类成年人相似得多。因此，幼年黑猩猩的骨架具有很多人类特征，而成年黑猩猩丧失了这些特征——包括头身比例较大（人类的幼儿也比成人头身比例更大）、头部更加昂起（由于枕骨大孔随着发育向后移动）、颅骨更圆（因为出生后，脑部比身体长得慢）、眉骨更平缓、下颌更小。泰森绘制的俾格米人骨架插图，很精确地反映了这些跟人类相似的特征（我见过实物照片）。

泰森1699年专著里的俾格米人正面像。注意他是怎样把它画成直立的样子，以让它看起来更像人的。但是实际上它不是像这样走的，所以泰森加了一根棍子。泰森，画于1699年
泰森的黑猩猩的背面像，这回拉着一根绳子作支撑。泰森，画于1699年

在专著中，泰森也“欣然”提到这些特征，但是漏了一个要点——不是所有猩猩都像人，也不能直接看出人类是猩猩的后代。他解剖的是只很年幼的黑猩猩，年轻的灵长类在很多方面像人类的成年人。例如他写道：

我们的俾格米人的脸，更像是人脸，不太像猴和猿的脸，因为额头较大而圆，上下颌较平，不太突出；头也比猴和猿的大。

的确，这只黑猩猩的头部较大、像人，是个难题。经泰森鉴定，俾格米人的发音器官跟人类的很像，那么为什么它不讲话呢？可能是脑子不够聪明，限制了这一人类特有功能的发挥。但是泰森发现俾格米人的脑和人脑无论在基本结构上还是在相对大小上都没有什么区别。

人们可能会想，既然人和兽的灵魂有如此大的差别，那么存放灵魂的容器应该也有很大不同。但是经过精确地、逐部分地比较俾格米人的大脑和人脑，我很惊讶地发现，它们相似得不能再相似了。

在下面一段话中，泰森否认了生理结构决定功能。他认为人和猿的大脑的确很类似，但是人脑的工作原理更高等，使同样的物质以不同的方式运转。这段话体现了17世纪的科学观：

合适的器官自身不一定能完成各种功能，不然俾格米人就真的是人类了。动物身体里的器官只是一堆平常的管道和容器，仅仅是被动地让体液流过。是体液和情绪在驱动它们：动物的生命就存在于这种机体的正常运作中。但是人的心灵有更高贵的能力，一定有更高级的原理；物质是不能产生心灵的，否则，同样的器官，功能怎么可能不一样呢？

如果生物链理论是促进人类探索“缺失环节”的持久动力；如果生物链越向上，缺口越大，那么比人和猿更上一级的——人和天使或其他神圣生物之间的缺口——怎么填补得上呢？泰森给了一个草率的回答，与其说是科学性的结论，不如说是政治性的吹捧。他在给索墨斯（John Sommers，英国的大法官、皇家学会会长，泰森的论文就是由他出版的）的信中说，像大法官这么学识渊博的人，本身就可以填补人和天使之间的空当了！

泰森画的黑猩猩的骨骼，同样夸大了像人的特征：脊椎拉直、上身直立、比例均衡。插图是怎样阐明一个论点（或加强偏见），这倒是一个经典的例子
泰森画的黑猩猩的肌肉组织。外层肌肉被剥开（以便展示里面的肌肉）是当时解剖学插图的惯例

我解剖的动物最接近人类，看来是动物和人之间的纽带，正如同阁下您，还有跟您一样拥有高阶、知识和智慧的人，最接近在我们之上的那种生物，是可见世界和不可见世界的纽带。

虽然泰森没有深入探讨下去，但是人类和天使之间的缺口引起了人们的兴趣，并且促成了另一个学科——外太空生物学（exobilogy，宇宙生物学，见本书第7部分的文章）的诞生。因为比人类高等、能填补人和天使之间缺口的生物，一定只存在于其他星球上。哲学家康德说过，木星之类质量较大的行星一定有高等生物存在。亚历山大·蒲柏（Alexander Pope）在诗作《人论》中明确提到这种生物，同时把牛顿作为凡人的代表拉出来赞美了一番：

上级生物们近来发现，某些凡人竟能发现自然的规律。他们很惊讶：世俗的身体具有如此的智慧。于是立刻把牛顿拉出来展览，如同展览一只猿猴。

蒲柏沉醉于诗歌的白日梦中。泰森才是第一个精确、全面地展览类人猿的人。

18
被大链子拴住了

罗伯特·路易斯·斯蒂文森（Robert Louis Stevenson）写了《儿童诗歌乐园》。其中有这样的两句，他称之为“快乐想法”：

世界上的东西是那样丰富多彩，我肯定我们都应当像国王一样愉快。

但是我们大多数俗人一想到大自然的万事万物，就觉得复杂、糊涂、头发昏。直到建立起某种秩序，才会满意；必须把让人抓狂的万物分类，才会安心。

演化论是一个好用的工具，可以给世界定出个秩序：既能画出历史的足迹，又能把生物分门别类，所以大家没多想就拿来用了。但是19世纪以前，当演化论还没有那么盛行的时候，科学家用的是什么工具呢？是“生物链”理论，或者说生物等级理论。有名的观念史学家阿瑟·拉夫乔伊（Arthur Lovejoy）在他伟大的书中追溯了生物链理论的起源，将其称作“西方思想史上屈指可数的几个强大、有持续影响力的思想之一（见书目）。”在一个多世纪以前，生物链理论的确是流传甚广、左右大众心态的思想。

生物链的底端是一滴水里的阿米巴虫，接着是更复杂的生物，每一种生物都是不可或缺的一环，顶端是——你猜对了——骄傲自大的人类。

从默默无闻的青草，到飞扬跋扈的人类。亚历山大·蒲柏在《人论》里用英雄体写道。

因为我们往往把演化说成是进化，所以往往认为生物链理论就是演化论的早期版本。用拉夫乔伊的话来说，虽然19世纪的一些思想家“改良”了生物链理论，把它说成是一个可以向上爬的阶梯而不是焊死的链条，但其实生物链理论很明显是和演化论唱反调的。生物链规定了一种静止的、不变的顺序——上帝造的生物各有各的位置，从高到低，无始无终。生物链理论还规定了人们的思想体系：从茅舍里的农奴到城堡里的领主，位置都是事先安排好的，所以必须乐天知命——任何反抗的企图都会扰乱宇宙的秩序。再一次引用亚历山大·蒲柏的诗句：

这自然的长链，无论打断哪一环，第十环或一万环，链条都会完蛋。

在本文中，我将会分析英国医师和生物学家查尔斯·怀特（Charles White）1799年最后一次为生物链理论辩护的言论——《论人、动物和蔬菜的分级》。查尔斯·怀特（1728—1813年）在英国曼彻斯特生活和工作，是著名的助产外科医生，特别注重运输过程中的绝对洁净。1795年，他在曼彻斯特文学和哲学协会做了关于生物链的报告，4年以后把报告写成书发表。

对于这个保守的医生来说，生物链是社会稳定和传统价值观的理想支柱。怀特推断，这静止的生物链一定是上帝的杰作——因为另一种可能的解释（生物链是演化的偶然产物）是他完全不能接受的。在著作的最后一行，怀特证明自己的努力是有理由的，他写道：“任何证明神祇是第一推动力，彰显造物的智慧、秩序及和谐的趋势，必然是让人愉快的。”虽然怀特对奴隶制表示反对，坚持说他仅仅想检验自然史上的一个命题、不想攻击任何一个种族，但是他还是按照传统，把欧洲白人放到最高等人种的位置上，把非洲黑人放到最低的位置上，使得同时代的白人头脑中的偏见更加根深蒂固了。怀特以第三人称口吻写他自己：

他不希望让任何人骑到别人头上，除非此人天生体力旺盛、头脑超群、刻苦努力，或者社会需要他这么做。他只希望探寻真相，发现自然的法则。无论是什么揭示人类历史真相，人类都会对它感兴趣的。

生物链理论总是让生物学家很苦恼，因为客观来说，它并不能很好地描述自然界。有那么多巨大的鸿沟存在于自然系统中，怎能将所有生物从高到低依次排序呢——动物和植物之间、无脊椎动物和脊椎动物之间，又是什么呢？还有那些表面看来半斤八两的生物，怎样能规定谁高谁低呢——例如大大小小的狗，还有形形色色的人，这都是很难说的。

很重要的一点是，怀特对生物链理论所做的一番论证很差，就算在他那个时代，都不能自圆其说——至少应该如实描述自然界吧（可惜饱学之士有时候不屑于务实）。矛盾的是，由于生物链理论不能很好地描述自然，它反而成了很多人热衷讨论的话题。好的论证总是简单明白的，不会故意装深沉。因为如果正确地描述了自然界的规律、精确客观地绘制了事物的肖像，反倒会谦卑起来。相反，差的论证总是站在大自然的对立面，而且非常隐晦。要检验它可是一桩很难办的事，不过在检验的过程中，可以领悟到当时人的观念是什么样的。怀特对生物链的论证直接且笨拙，但是实质上，跟装深沉的论证有异曲同工之妙。从他的论证继续发展下去，装深沉也是指日可待的事。

怀特认为不同种族是上帝分别创造的（这和他的反演化观点是一致的），并且论文通篇都是在把人种从高到低排序。为了论证一个似是而非的论点，怀特走了两条无比艰难的道路：第一，他必须填平植物到动物、猿到人之间的鸿沟，证明生物链是普遍真理；第二，他必须将人种排成一条长链，虽然人类是各式各样的，用不同的标准可以排出不同的顺序。简单说来，如果大自然千变万化而实则分级很少，怎样才能扯出一条长链来呢？

在书的开头，怀特试图证明生物链是一条普适的定理。他首先解决的是植物和动物之间的差异问题。以前人给生物链做辩护时，一般都是大举一通过渡形态的例子，把人搞得云里雾里，问题就“解决”了。查尔斯·邦尼特（Charles Bonnet）举出石棉（一种能导致呼吸系统疾病的矿物）的例子，因为石棉有纤维，植物也有纤维，所以他就认为石棉是矿物和植物的过渡形态。还有珊瑚的近亲水螅，1739年被发现以后，曾一度被认为是植物和动物的过渡形态，因为它似乎跟植物一样缺少复杂的体内器官，而且靠出芽的方式无性繁殖。

怀特向这种传统方法表示敬意，但是他主要是靠证明动植物解剖结构的相似性来拉近它们的距离。因为如果证明动植物基本结构相似、动物仅仅比植物复杂一点，那就很容易将它们串在一条链上了。为了找出动植物的统一性，他提出了三个很差的论点：第一，他做了个很拙劣的类比：因为植物落叶、动物换毛，所以灌木和狒狒是有共同点的；第二，他使用了一条错误信息：植物用肺呼吸；第三，他找了一些鸡毛蒜皮的证据——例如，植物和动物都会生病。

在链条的另一端，有一个更大的鸿沟（虽然今天看起来不算很大）有待填补——从猿到人的转变——怀特提出了同样差劲的论点。他甚至都不愿费力去寻找构造上的共同点（就算再讨厌猿猴的人，也无法否认它们和人类解剖结构上的相似），相反，他努力抬高猿猴的身价、贬损“低等”人类的价值。他用人的价值观来衡量动物的行为，说夜间狒狒睡觉时，会派“哨兵”为大家守夜。有一段很搞笑，他说猩猩会实施文明人的医术——放血疗法：“这些动物生病时，知道忍受痛苦、把血放出来，甚至请伙伴来帮它放血；它们还会像理性生物一样，实施其他的疗法。”然后，他以双倍的热情来抬举猿类并贬低黑种人，把类人猿描述成奴隶贩子和性虐待狂（这些坏事只有人类才干得出来，类人猿做这些事说明它们很接近人，不过很不光彩罢了）。

人们熟知：它们抱走黑人小孩、甚至女人，作为自己的奴隶，或发泄兽欲的对象。还有些人声称，被猿猴强暴过的妇女还可以生下后代。

就这样，怀特扯出了一条环环相扣的长链，将所有活着的东西都串了起来。他继续给人类排座次，因为他自己是白人所以白人排首位。怀特用了100多页的篇幅，长篇累牍的结构分析和器官分析，努力将不听话的数据塞进现成的模子里。因为不管你有什么先入为主的看法，种族之间的差别并不是简单线性的，所以分析起来很费劲。此外，每一个人种都是有长处短处的——有可能在某些方面黑人不如白人，但某些方面白人不如黑人。白人怎么可能是完美无缺的呢？

我读懂了怀特写的大部分内容：他主要讨论四组特征，但是比较偏爱其中一组，所以具有此特征的人就更“高等”。非洲黑人最低，东方人居中，欧洲白人最高。第一组是大多数白人有、少数黑人有、在动物身上罕见的特征。由于人类脑容量都差不多，不好瞎说，所以怀特用了一个很刁的角度来说事——他说鸟脑小，狗脑稍微大一点，白人脑最大，而黑人的脑排中间（见插图）。四组特征中只有这一组证明了怀特先入为主的结论，另外三种解说起来很不方便，但是怀特仍然迎接了挑战。

第二组特征，多数是黑人的特征，使怀特很为难。为了解决问题，怀特说：虽然这些特征也很宝贵，但是拥有这些特征的野兽比黑人更多——这样顺序倒了过来，变成了白人黑人野兽。怀特写道：“在这些特殊情况下，顺序改变了，白人最低，黑人较高，野兽最高。”例如，黑人比白人流汗少——看起来更优雅（虽然白人一再跟我们说，黑人比白人的体味要重）。怀特评论道：

几内亚船只上的船长船医和西印度的种植园主所描述的是一致的：黑人比欧洲人流汗少得多，他们身上几乎看不到一滴汗珠。类人猿流汗更少，狗根本不出汗。

同样，他还说：黑人女性的月经量也较少——比白人更健康。但是大多数猿猴流血更少甚至不流血。黑人比白人的记忆力好，但是动物永远都是冠军，大象很记仇，一辈子不会忘。白人总有本事贬损黑人的优点，说动物身上这些优点比黑人还要突出。黑人更能忍受疼痛，怀特便引用一位同事的话说：

黑人比白人更能忍受手术时的疼痛；白人不能忍受的剧痛，黑人几乎可以无视。我曾经给很多黑人截过腿，他们自己用手拿着让我切。

但是想想多少低等动物——尤其是昆虫——断腿断头连吭都不吭一声。

第三组特征的顺序又不同了：白人的胡须和体毛比黑人多，大多数哺乳动物全身覆盖着厚密的体毛。怀特通过玩文字游戏的方法逃避这个问题，宣称最高贵的动物像欧洲白人那样有“飘逸的卷毛”。

优美、细长、飘逸的毛发似乎是起装饰作用的。宇宙只将这礼物赋予了少数动物，包括人和森林之王——狮子，还有最美丽和驯良的动物——马。

怀特1799年绘制的生物链图谱变异版。注意人是怎样向理想化的希腊雕塑“渐变”的。翻印自《自然史》

最后一组特征是“兽性”。黑人男性比白人拥有更大的阳具；黑人妇女拥有更大的乳房（怀特甚至写道：“霍屯督的维纳斯有长而下垂的双乳，喂奶时把小孩背在背上，把乳房甩过肩膀。”）——都是“猥亵、无节制性行为”的象征——表面上是这么回事，除非你知道人类性器官所占的身体比例是比野兽要大的。猿猴的生殖器和乳房比任何人类都要小。怀特面对这个问题黔驴技穷了，所以就走为上计，丢下一句“至少黑人妇女和母猿拥有最大的乳头”。

至此，一丝不苟地写完这100多页清单，怀特的论证已经是摇摇晃晃了——就算想总结一下观点，还是没能自圆其说。因此，正像俗话说的“热脸贴冷屁股”，他最后的一张牌，就是一而再、再而三地强调审美标准了——我们不是知道上帝和人类都喜欢白人么——这就够了。书的最后一段话，是一段“欧洲之美”的赞美诗，因为有出其不意的幽默效果，所以经常有人引用：

沿着前进的路线，我们最终看到了欧洲白人，他们身上的兽性最少，所以人们认为他们最美。没人会怀疑白人的智力是最优越的；而且我也相信他们天生比其他人种更优秀。除了欧洲人，哪个人种有这样高贵、圆拱形的头颅，这样大的大脑，这样挺直的脊椎？谁能有这样刚直的脸庞、突起的鼻子、翘起的下巴？谁有这么丰富的表情、飘逸优雅的卷发、威严的胡须、珊瑚一样红润的嘴唇？谁还有这么直立的身体和高贵的步态？世界上的其他地方，哪里还能找到会脸红的女人？脸红是美丽的欧洲女性温柔、谦逊、细腻、感性的标记。谁还有如此和蔼、温和的面容和优雅的举止？除了欧洲女性的胸前，哪里还能找到“朱砂点染的雪白双峰”？

“朱砂点染的雪白双峰”——我一点都不想说死人的坏话哦！怀特的华丽文笔可能为他招来比同时代人更多的讥讽，但他的论证其实跟同时代人的一样差，或者说没什么不同。他只是把当时人想说的话用过于华丽的辞藻写出来罢了。正如拉夫乔伊所说，即使生物链理论跟世界格格不入、漏洞百出，但还是左右西方人的心态长达几个世纪。

所以大家就恰当地笑一笑吧。笑完以后静思一会儿。演化论使生物链理论走向荒废——所以我们回头看的时候，才能轻松地找出生物链理论的漏洞和前后不一致的论证。我们从来没有怀疑过自己的信仰，因为我们认为大自然就是它们描述的那样，但是几个世纪以后，它们会不会看起来跟生物链理论一样荒谬可笑呢？难道不应该检验一下我们自己信仰的逻辑和真实性么？只要绕开那些跟性有关的比喻（让诗人去歌颂乳房好了），至少可以避免后人的嘲笑。

19
霍屯督的维纳斯

我上幼儿园的时候有一个小朋友，名字我记不得了。但我记得有一天在操场上，我告诉她一个大秘密：我们周围那些叫作“大人”的生物，走路的时候总是向上看，这样我们小朋友只要一直向下看，就能找到各种各样珍贵的宝贝了。怎么样，我小时候就显示出古生物学家的潜质了吧？

卡尔·萨根（Carl Sagan）和我都是在纽约长大的，我们都对生物学和天文学感兴趣。因为卡尔个子高、从事天文学，我个子矮、从事考古学，所以在我脑海中，他就是一副向天上看的模样（就像他在系列片《卡尔·萨根的宇宙》里经常摆的那种姿势），而我总是老生常谈、眼睛看地。但是上个月在巴黎，事情刚好倒过来了（我是就事论事，没有暗示什么哦）。

几年前，巴黎人类博物馆的教授伊夫·科本（Yves Coppens）带卡尔进博物馆转了转。在一个架子上，他们找到了浸泡在福尔马林溶液里的保尔·布罗卡（Paul Broca）的大脑。卡尔精心地写了一篇游后感，题目是“布罗卡的大脑”。几个月前，伊夫也带我去转了转。我把笛卡儿的头骨和克罗马农人的头骨拿在手里，还在架子上找到了布罗卡的大脑，周围是一大堆钟形罩，装着和他同时代的、声名显赫的科学家的大脑，无一例外都是白人、都是男性。不过我在这些架子稍微靠上的位置找到了最有趣的一些物品——卡尔大概从来没有往顶上瞧一眼。

这些被束之高阁的物品，是布罗卡慷慨捐赠的收藏品，包括一些解剖器官和他自己的大脑。布罗卡是19世纪的一名伟大的解剖学家和人类学家，笃信19世纪那种量化的“客观科学”研究方法：假如能收集足够多的、不同人种（从黑猩猩到白种人）的器官，加以测量，就一定能绘制出人类进步的阶梯。和同时代的种族主义者（几乎都是成功的白人男性）比起来，布罗卡其实也算不上穷凶极恶，他只能算是一个“无事劳”，收集了很多不相关的资料，选出一些，用来为先入为主的“人种论”提供佐证罢了。

这个架子上尽是一些血腥残忍的展品：切断的苏格兰人头、中国妇女的小脚（嗯对，一只缠过的足，连小腿一起，从膝盖部位切下来的）。大脑标本上面的一批展品，充分体现了19世纪殖民者心态和种族歧视的历史，让人不寒而栗：三只比较小的罐子，每只里面都泡着解剖过的、第三世界国家妇女的性器官。这批展品里既没有妇女的大脑，也没有布罗卡的性器官，要是有，倒是能蓬荜生辉。

三个罐子上的标签是：“黑女人”、“秘鲁女人”和“霍屯督的维纳斯（The Hottentot Venus）”。1815年下半年，这个叫作“霍屯督的维纳斯”的女人一死，法国伟大的解剖学家乔治·居维叶（George Cuvier）就急不可耐地跑过来亲自解剖，其中的理由，说来既特别又有趣，待会儿等我讲完了这个不幸的女人的故事，再细细道来。

在电视和电影发明之前，阳光之下还是有些新鲜事的。当时的人类学理论把畸形的白种人和其他有色人种的正常人统统划分为“类人”，也就是低人一等。无论是在上流社会的沙龙还是街边的大排档里，展出这些“不寻常的人”成了一门有利可图的生意［参考阿提克（Richard D. Altick）的《伦敦展览会》（The Shows of London ）或者关于“象人”的书、舞台剧和影视剧］。主要的展品是一些所谓“从遥远的地方”捕获来的野人，而霍屯督的维纳斯是其中最著名的。霍屯督人和丛林人是非洲南部两支体型矮小的、很相近的人种。最初被欧洲人发现的时候，丛林人是靠采集渔猎为生，而霍屯督人靠牧牛为生。现在的人类学家摒弃了欧洲殖民者对非洲人的蔑称，取这两个种族本来名称的头一个音节“科伊”和“桑”，把他们统称为“科伊桑”人。霍屯督的维纳斯本来是开普敦附近一个农民的奴仆，她实际上是什么种族无人知晓。她本名叫萨拉，但雇主从来不叫她的本名，而是叫她受洗礼时的教名“萨奇·巴特曼”（Saartjie Baartman，萨奇的意思是“非洲的小萨拉”）。

萨奇的雇主的弟弟亨里克·塞扎提出，要把萨奇运到英国去展览，让她赚大钱、过好日子。开普敦的行政长官卡利登批准了，但是当他得知塞扎的真实目的以后，后悔做了这个决定。她一到伦敦就被弄到皮卡迪里广场展出，引起了很大轰动（原因一会儿讲到），但并没有带来人们一致的拍手叫好，反而惹出了不少争论。不断有人支持她、厌恶把人当动物展出；慈善组织“非洲协会”为她请愿，要求释放她。然而，展览并没有中断。非洲协会一名会员叙述了展览的情形。他第一次见到萨奇的时候，她被关在一个笼子里，笼子被放在一个几英尺高的台子上：

主人一声令下，她走出笼子……这个霍屯督人像野兽一样被示众，听从命令走来走去或者进出笼子，不像是人，更像是一只拴着链子的熊。

即便如此，萨奇在荷兰出庭的时候，坚持说她没有受到拘禁，并且能分到一半的利润。于是，展览继续进行。

在英国兜了一大圈以后，萨奇到了巴黎，一名驯兽员将她展览了15个月，造成了与英国一样的轰动。居维叶和法国所有的博物学家都去看她，凡尔赛宫的科学画展区收藏了她的裸体画。1815年12月29日，她死于一种未知的炎症。没能在开普敦过上富足的日子，而是被居维叶推上了解剖台。

为什么在“怪人展”泛滥成灾的时代，萨奇能够如此轰动呢？从她的“官方称呼”——“霍屯督”和“维纳斯”，可以得出两个令人费解的答案。

在种族主义者绘制的人类进步阶梯上，丛林人［有的学者辩解道，“丛林人”不是17世纪荷兰殖民者生造的词，而是对他们熟悉的马来语“丛林人”（Orang Outan）的意译］、霍屯督人和澳洲原住民一样，被划为最低等的一级，仅仅比黑猩猩和猩猩高一级。用演化论的眼光看，萨奇是“缺失的一环”；而在这个种族主义体系下，她被看成是半人半猿，人和动物之间的分水岭，可以满足当时观众“每个人的身体里面都有只猿”的猎奇心理（参考第17、18篇）。

当时的评论家喜欢强调丛林人和霍屯督人相似的外貌和野蛮的习惯。1839年，美国首席的人类学家莫顿（S.G.Morton）称霍屯督人为“和低一级的动物最接近的人种……他们面色棕黄，就像黄疸末期的欧洲人……霍屯督女人比男人更加面目可憎。”马蒂亚斯·君特（Mathias Guenther）摘录了1847年报纸里的一段报道，是关于伦敦皮卡迪里广场埃及厅里展出的丛林人一家：

从外表看来，他们只比一群猴子高一点。他们总是匍匐着，在火边取暖、聊天或咆哮……他们闷闷不乐、沉默而又野蛮——习性上完全跟动物一样，而外表又要比动物难看得多。

一个失败的传教士在1804年写的一段带有仇视和偏见的话，也被君特记载了下来：

丛林人会由于种种原因，无情地杀害自己的孩子：孩子生下来畸形、食物紧缺或者需要从农民或其他人手中金蝉脱壳。父母会掐死、闷死孩子，把孩子扔在沙漠里，或者活埋。有时候，如果饥饿的狮子堵住了洞口不断吼叫、不尝到点甜头不离开的话，父母会把脆弱的孩子扔给狮子。

君特记录道，这种把丛林人等同于动物的观念根深蒂固，以至于一伙荷兰殖民者在一次打猎考察中射杀并吃掉了一个丛林人，说跟马来西亚的猩猩味道差不多。

在这种思想指引下，居维叶把萨奇的解剖过程写成了一本专论，发表于1817年出版的《自然史博物馆论文集》（Mémoires du Muséum d’Histoire Naturelle ）丛书。在讨论了一些无事实根据的传言，并且辟了谣后，居维叶书中保证只把“明确的事实”呈现给读者，其中包括下面一段对丛林人生活的描述：

由于无法从事农业，甚至无法放牧，他们完全靠打猎和偷窃为生。他们生活在山洞里，只穿猎物的皮。涂毒箭头和编织渔网是他们仅有的产业。

居维叶对于萨奇的描述，仅仅是拿她跟猿猴做一些肤浅的比较。（人和人差异是很大的，任何人都可能有一些和灵长动物类似的特征，不代表这个人是猴子变的，或者今后会变成猴子——这我不用再重申了吧。）例如，他讨论了萨奇扁平的鼻梁骨：“……就鼻子而言，我还从来没看过这么像猴子的。”他还着重介绍了她股骨（大腿骨）的比例“具有动物的特征”。他谈到她的头骨很小［对于一个4.5英尺（1.37米）高的女人来说本来没什么奇怪的］，并且根据“头骨小的种族是劣等种族”这样一条“无情的法则”污蔑她，称她“愚蠢”。他甚至对她的行为也进行了莫须有的猜测：“她的动作鲁莽、变化无常，让人想起猴子。她最明显的动作就是噘嘴，就像我们看过的猩猩一样。”

但是只要通读全文，这些说法就不攻自破。居维叶一遍一遍地反复说明，萨奇是一个聪明的女人，而且身材合乎比例，“鉴赏家看了都不会皱眉头。”他还前不着村后不着店地突然来一句：“萨奇的记性很好，荷兰语讲得很好，能说一些英语，还学了一些法语，直到死去。”（对于一个笼养的“野兽”来说不算差，我指望美国人有她三成的语言能力就不错了。）他承认她的肩、背、胸“有几分姿色”，还用他高贵的法语，谈论她“迷人的双手”（sa main charmante）。

然而，萨奇之所以能吸引有教养的欧洲人，并不仅仅是因为她的种族。她不是简简单单的“霍屯督人”或者“霍屯督女人”，而是“霍屯督的维纳斯”。维纳斯这个词就隐含了使她出名的一切原因。科伊桑女性有两个夸张的性生理特点（或者至少是能引起大多数男人性趣的两个身体器官）。霍屯督的维纳斯是作为一个玩物而出名的，她是野性与诱惑的结合，使男人既能想入非非，又能获得一份清高的自我优越感。

本来，在阿提克看来，萨奇只是“臀脂过多”。科伊桑女性的臀部积累了大量的脂肪，在医学上是一种病症，叫作“臀脂过多”。她们的臀部大而后翘，臀部曲线上至腰部，下至阴部，只上翘不下垂。萨奇的臀部长得尤其突出，塞扎可能就是因此才捧红她。在展览的时候，萨奇遮住了下面的一点，但是她后翘的臀部引来无数人的目光。由于当时欧洲妇女已经不穿裙撑（一种腰垫，使得长裙的后摆高高翘起）了，那层布后面的货色大家都一目了然，所以萨奇的身材看起来分外难以置信。

居维叶写到“她在我国首都停留的18个月内，每个人都可以亲眼看到她隆起的臀部和野兽一般的容貌”的时候，他是相当的了解萨奇那种野性与色情的诱惑力的。居维叶把重点放在一个关于她不寻常特点的未解之谜上：很长一段时间来，欧洲人都很好奇，她巨大的臀部到底是由什么撑起来的——脂肪？肌肉？还是一种未知的骨骼？经过外部观察（“观察”只是科学家为让她脱衣服而巧立的名目），问题已经解决了——是脂肪。不过，居维叶还是解剖了她的臀部，汇报说：

我们可以证实，她翘起的臀部完全没有肌肉，而是一“坨”颤巍巍的、有弹性的组织，这个女人每做一个动作，这“坨”东西就抖一下。

萨奇的第二个特点引起了科学家们更大的好奇和猜测，但是她小心翼翼地把这个秘密隐藏起来，就算在罗浮宫那些科学家面前也不暴露。在她死了以后，嗷嗷待哺的科学家的好奇心才被满足。

在解剖之前的两个世纪，一直流传着一种说法：科伊桑女性的性器官上长有一片奇妙的组织，名为“sinus pudoris”（拉丁文：遮羞布），像一片面纱一样遮盖在私处的前面（我谨借此戳戳学院派的蹩脚，纠正以前对林奈著作的一处错译：在林奈对Homo sapiens，即“哺乳纲灵长目人科人属智人种”的描述中，有一处很不讨好的对非洲黑人的说明：feminae sinus pudoris，经常被人译成“女人不知羞耻”——很符合林奈一贯的贬损口吻，我曾经也这样翻译过。但是在拉丁文中“不知羞耻”应该是sine pudore，不是sinus pudoris。由于18世纪科学家写的拉丁文都是一副冷冰冰的口吻，这个错译又不影响对全篇的理解，就被大家忽略掉了。其实，林奈想说的是非洲女人有一片“生殖器皮瓣”，不过他还是错了，因为只有科伊桑人和一些相关的种族有这一外形特征。）

这个“遮羞布”到底是什么，引起了热烈的辩论，双方都拍胸脯保证自己眼见为实。一方说它只是普通性器官的一部分被扩大了；另一方说这是这个种族独有的一种器官。有些人甚至将所谓“霍屯督围裙”形容为腹部下面挂下来的一块皮。

居维叶决定解决这一古老争论。萨奇的“遮羞布”就成了他解剖的第一个目标。居维叶在他的专论开头提到：“在自然史上，没有比霍屯督围裙（法语中对‘遮羞布’的委婉说法）更著名的了。同样，没有哪个人体器官像它那样引起了这么多争论。”居维叶用他一贯优雅的解剖技巧化解了争论：科伊桑妇女的labia minora（小阴唇）比普通妇女的大得多，妇女在站立的时候，小阴唇甚至能悬垂8～10厘米，看起来就好像一块独立的、包住外生殖器的围裙状皮肤。居维叶把萨奇的性器官当作他解剖的得意之作保存了起来，并且自吹自擂地写道：“我荣幸地把此名妇女的性器官献给学会，自此再也没有人会问霍屯督围裙是什么。”居维叶的礼物仍然安息在罐子里，被人遗忘在人类博物馆的架子上——它下面正是布罗卡的大脑。

居维叶正确地给“围裙”下了定义，但是他还是犯了一个有趣的错误：把兽性和性感联系到一起——在这一点上他和狂热的庸众没什么不同。由于居维叶把霍屯督人视为最接近野兽的一支人种，又由于霍屯督人有“围裙”，他就假定：从非洲地域来看，越是接近南部、肤色黑的人，“围裙”越长，而越是接近埃及、较白的非洲人，“围裙”越短。（在专论的最后一部分，居维叶提出：古代埃及人一定是纯正的白人——除了白人，谁还能建出金字塔呢？）

居维叶知道埃塞俄比亚女性中盛行割礼。他假设这些不南不北、不黑不白的非洲人的“围裙”起码有科伊桑人的一半长，进而推测埃塞俄比亚人把“围裙”割掉是为了增加性接触，而不是一种对全体女性（包括那些和欧洲少女性器官别无二致的非洲少女）强制推行的风俗。“阿比西尼亚（埃塞俄比亚旧称）的女黑人”，他写道：“她们用刀割掉或用火烫掉这些器官，不见得是被迫的。”

居维叶还讲了一段轶事，对此我们再口诛笔伐也是多余了：

葡萄牙的耶稣会成员，在16世纪曾经将阿比西尼亚国王和一部分人民转化成了教徒，现在他们又感到女性割礼是古代犹太教遗留下来的陋习，必须废止。但是后来发现，信教的少女都嫁不出去了，因为没有割过的“围裙”这样恶心的畸形器官让男人不能容忍。传道会派了一名外科医生来核实情况，他回去报告了以后，教皇批准恢复了割礼这一古老的传统。

我就不再把一些大路化的观点拿出来批驳了，但是我觉得很有意思的是现在的一种观点：霍屯督的维纳斯和她的族人只是被强迫扮演一个他们不适合扮演的角色。

过去的科学家将科伊桑人分到最接近猿猴的一类中，但是现在科伊桑人成了现代社会运动的英雄。他们的语言含有很复杂的一些敲击音，一度被认为是喉咙含混不清发出来的兽语，但是现在由于其精巧复杂的表达方式而被推崇。居维叶给桑族人（丛林人）采集渔猎的生存方式打上了“落后”的烙印，仿佛这些人是由于太堕落、太笨和太懒而不能从事养殖。而现代的生态环保主义者理解了不过度索取、平衡开发自然资源的重要性，因而把采集渔猎的生活方式视为正义的典范。当然，君特在他的书里已经为丛林人平反了，我们现在也用不着大肆宣扬。正是因为我们还处在一个人跟人必须相互剥削而不是相互理解的时代，所以善意和英雄主义的说法才比贬损的说法更有市场。

此外，居维叶那个时代的人努力寻找科伊桑族人“兽性”的身体特征，与此不同的是，现在的人类学家认为科伊桑族人是所有人种中“幼态持续”（paedomorphosis）最为完好的一支。人类之所以能演化成今天这个样子，是因为发育的速率慢了下来，现代成年人的身体保留有我们祖先青春期时的很多特征，而不是祖先成年时的很多特征——这种演化结果叫作“幼态持续”。按照这个标准，幼态持续的程度越大，这类群离我们共同的祖先越远（人种之间的一些细小差别却并不一定在精神或者道德上有价值）。虽然居维叶费尽心思想在萨奇的嘴唇活动或腿骨形态上找出动物的痕迹，但萨奇及其族人反而有可能是所有人种中最不接近猿猴的。

最后，萨奇引起轰动，完全是因为欧洲人抱有一个错误的假设。她的臀部和阴唇过大，被认为是代表了最落后的人种，这才使欧洲人神魂颠倒。对于居维叶那时候的人来说，这种观点无可指责：高级的人种（有学问的现代欧洲人）是优雅的、端庄的、克己复礼的（就不用说礼教本身是多么虚伪了吧）。动物的性行为是公开和活跃的，这表露出它们的原始特性。因此，萨奇夸张的性器官标志着她的兽性。但是我们的英国朋友说（而且是毫不夸张地说），这种观点是“屁股长在脸上了”（arse about face，俗语，形容黑白颠倒）。人类是灵长类中性行为最为活跃的，性器官也比猿猴的大。讲得再具体一点，也就是说，一个“那话儿”比较大的人，比一般人更符合“人类”的定义。

生存模式、外形、性生理——无论从哪一点看，伦敦和巴黎都应该被关在大笼子里，让萨奇过来观看。萨奇在死后赢得了胜利。布罗卡从居维叶那里接手的不仅是萨奇的“围裙”，还有她的头骨。1862年，布罗卡觉得他终于找到了一种生理指标，可以给人种排个序了。他测量了桡骨（小臂）和肱骨（大臂）的长度之比，推论说比率越大（小臂越长），越接近猿猴。当测到黑人的平均值是0.794，白人的是0.739时，他企图用“客观”的测量来证明这个先入为主的结论。直到测量出萨奇的这一比率是0.703时，布罗卡当机立断地放弃了这个标准。居维叶不是称赞她有“美丽的双手”吗？

直到今天，布罗卡先生还是要让萨奇三分。因为罐子漏液，他自己的大脑没有保存好，腐烂了。但是她的“围裙”被放在高高的架子上，她保存良好的骨骼标本从下面仰视着她的“围裙” [2] 。就像圣经所说的，死亡已经被胜利所吞没了。

后记

似是而非的“生物宿命论”借助量化研究方法掩盖了客观事实［见我的书《人类的误测》（The Mismeasure of Man）］，社会政治教条伪装成科学道理，把萨奇·巴特曼压得喘不过气来，所以，当我发现量化研究方法（以及遗传论）的主要倡导者弗朗西斯·高尔顿（Francis Galton），曾经亲自用巧妙的技术测量一个科伊桑妇女肥突的臀部时，就觉得很好笑。高尔顿是达尔文的表兄弟，是一个聪明的怪人，相信能把一切都用数字表达。他曾经试图用下面这个可疑的方法将女性美的地理分布加以量化。［摘自他的自传《我一生的回忆》（Memories of My Life ），1909年出版，315～326页］

每当我有机会把碰到的人分为“好、中、差”时，我都用一根针在一张纸上画一个十字。这些十字都是不同的：横划靠上的表示好，横划在中间表示一般，横划靠下表示差。这样当我有空的时候就可以把收集到的数据拿出来统计了。我用这个方法做了一个“美女数据”，把街上或其他地方遇到的女孩都分了类：吸引人的、看了没感觉的、令人反感的。当然美不美只是个人估计的结果，但是标准是始终如一的。我发现伦敦在这个美丽排行榜的最顶端，阿伯丁在最低端。

在我看来，就连臀部肥突的测量方法都比这个方法周到（如果把两种方法都当作高中三角函数证明题的话，还是前者更好一些）。他在《热带南非探险家口述》（Narration of an Explorer in Tropical Africa）里写道：

副翻译娶了一个迷人的女人，不仅有霍屯督人的身材，而且是霍屯督人中的维纳斯。我对她的身体发育很是吃惊，斗胆向我的传教士朋友打听……我的职业是科学家，非常急切地想要获得她身体的精确数据，但是做起来很难。我一句霍屯督语也不会，这样就不能向这位女士解释英制尺是什么东西；而且我也不敢叫邀请我来玩的传教士朋友帮我翻译。因此，我注视她的时候很尴尬，她的身材是大自然慷慨的礼物，没有一个女装裁缝能用衬裙和泡沫垫出更好的样子来，能模仿她的样子做件衣服就不错了。我欣赏的对象现在正站在树下，三百六十度地转动着身体，就像那些想要吸引目光的女人通常所做的那样。突然间，我盯上了六分仪，头脑里有了一个聪明的点子，从各个角度对她的形体进行了一系列观察，上下，交叉、对角等，然后细心地将轮廓画了下来，生怕出任何差错。画完以后，我大胆地抽出皮尺，测量了我和她所站位置之间的距离，得到了三角形的边长和角度，用三角函数和对数把结果算了出来。（多谢华盛顿大学的雷蒙．B. 休伊提供材料）

1812年的法国漫画，讽刺英国人对霍屯督维纳斯的着迷。后面的士兵看着她的臀部，前面地上的妇女假装系鞋带，以偷窥她的“围裙”

萨奇·巴特曼有一种穿越时空的吸引人的力量，对她的探究永远不会结束。在约翰内斯堡的一家古旧书店里（见第12篇），我发现了上面这张画（虽然这幅画的初衷是搞笑，我看画的时候还是不禁颤抖，现在我把它复印了下来，以求不忘历史、看清现实）。这幅画是法国的时事评论画（1812年出版），讽刺英国人对萨奇的展览入迷。题目是“好奇的人们极度兴奋”，又名“系鞋带”。人们聚精会神地观察霍屯督维纳斯的性征。左边的军人从后面观察她肥突的臀部，评价道：“哇！好大一块牛排啊！”右边的妇女和军人都企图从下面偷窥她的“围裙”。（萨奇臀部裸露，但是按照她族人的风俗，遮住了下身。正人君子可以忽略这一点。）军人惊叹道：“自然是多么奇怪啊！”而妇女假装系鞋带，却又急不可耐地向上偷窥（题目就是这么来的）。右下角的狗让我们认识到，我们都只不过是罩在各种衣服之下的相同生物体。

霍屯督维纳斯是一棵与时俱进的摇钱树。迪崔克带给我一本1982年的法国摄影杂志，封面上是一个四肢着地爬行的裸女（模仿萨奇展览时的动作），自称是“卡罗琳娜，圣多明戈的霍屯督维纳斯”。她拿着一瓶开盖的香槟，泡沫喷出，形成了杂志题目上的字母“O”，然后从她身后倒进杯子里，杯子正好放在她撅起的臀部上。

古往今来的优生优育

20　智障妈妈的女儿

21　新加坡的传统（以及婚姻）

20
智障妈妈的女儿

上帝不惜一切代价，给人类开出了医治心灵的良方——《十诫》，作为《圣经》的开场白：

……因为我，耶和华，你的神，是忌邪的神。恨我的，我必追讨他的罪，自父及子，直到三四代。（《出埃及记》20：05）

这一诫很恐怖，主要是因为它明显地不公平——为了见都没见过的祖先的恶行，惩罚无辜的后代。

为了消除不公平的印记，有人提出自由意志是罪的起源：后代有罪，并不是因为他们本身做了什么错事，而是因为“罪”是代代相传的。亚当和夏娃犯下了罪，因此人类要跟着受苦，这就把父债子还合理化了。所以，柏拉图虽然否定子孙需要直接承担父母的罪责，但还是坚持将一位无辜的人放逐，因为这人的父亲、祖父和曾祖父都被判了死刑。

耶和华和柏拉图都选择了“三代”作为定罪的标准，这大概是个巧合。但是民间有一个约定俗成的传统——“事不过三”。首先，三人成虎。两个人说你坏话，可能是巧合，但是如果第三个人也说，那就是事实了。所以，我们20世纪初还有人坚持三代之内父债子还的陋习，也没什么可奇怪的——奥利弗·温德尔·霍姆斯（Oliver Wendell Holmes）在弗吉尼亚州强行推行智障人节育手术。他在1927年最高法院通过“巴克诉贝尔”节育法案时提出：“三代弱智已经够多的了。”

此外，对于那些被早期版智商测试定为“智力不合格”的人，国家还限制他们移民——这是美国优生优育运动最大的胜利。有其父必有其子的错误教条在20世纪早期非常流行，到今天也没有根除（见下一篇），这种教条试图通过限制生理残障人士生育、鼓励“有价值”人士多生后代的方法“改良”人类。节育法案太成功了，影响太深远了。如果应该把懒惰的、愚蠢的人拦在国境之外，那么那些已经生活在本国境内的笨人就应该断子绝孙。

19世纪90年代，强制节育运动开始实行。有两个直接原因——优生优育打着政治运动的旗号，地位开始节节攀升；手术风险减小、难度降低（男性输精管切除、女性输卵管切除或结扎），取代了以前的阉割或者社会不容的其他毁损身体的手术。在优生优育原则指导下，印第安纳州于1907年通过了第一部节育法案。（在此之前，少数州对性犯罪者进行强制阉割，尽管这种法案很少被强制执行，而且通常在司法复审时被推翻。）和很多后来者一样，这部法案对本州“关怀”下的以下子民进行节育：精神病院的“犯人”、疗养院里的智障人，还有监狱里的囚犯。不管你是疯子、白痴、低能、傻子，还是强奸犯或其他犯人，都有一小拨“专家”推荐你实行节育手术。

截至20世纪30年代，已有30多个州通过了相似的法案，规定的所谓遗传缺陷比这还要多，有些州把酒精成瘾、毒瘾也包括在内；有些州则规定视觉和听觉障碍人士也应节育。这些法案一直受到挑战，在大多数州没有得到加强，除了加州和弗州积极狂热地扩大节育行动。截至1935年1月，全美国实行了大约2万例优生节育手术，其中近一半是在加州。

优生学档案局是一个半官方的组织，也是优生学数据的存放处，它是最为大张旗鼓推行这些法案的。负责人哈瑞·拉夫林（Harry Laughlin）用他全部的职业生涯来到处游说、写书，宣传优生节育运动。他希望用两代人的时间彻底根除“现有人口中最没用的10％”的范围。1922年他设计了一部“模范节育法”，用来“防止不能适应社会的人产下遗传不良的后代，批准对某些可能携带不良遗传因素、降低人口质量的人实行节育手术”。

美国大多数州的法案都以此为蓝本，有少数州严格遵循拉夫林的指导、把网撒得更宽。（拉夫林规定的包括：“盲、严重视障、严重听觉障碍、生活不能自理、聋、孤儿、没用的人、无家可归者、流浪汉、贫民。”）纳粹德国特别听取了拉夫林的建议，最终导致了二战前夕最为耻辱的“净化种族”计划的诞生。纳粹德国一共对37.5万人实行了节育手术，大多数人都被裁定为“先天愚”，但是其中有4000人只是视障或者听障。

1927年，美国的强制节育达到了高峰，也获得了前所未有的名声，最高法院经过8：1的投票，在“巴克诉贝尔”一案中维持原判（节育）。霍姆斯当时已是八十好几的高龄，是美国最著名的法学家，用他一贯的气魄和风格，写出了大多数人的意见。以下一段臭名昭著的话，令人不寒而栗，被后世视为优生学的经典论断。霍姆斯自豪地回忆很久以前在美国内战中当步兵的经历，这样写道：

我们都不止一次地看到，我们最优秀的公民为了大众的幸福而献出了生命。那些已经消耗国家实力的人，在战时不为国效力，是很奇怪的一桩事情。与其处死堕落犯罪的后代，或让他们活活饿死，不如让那些无能的人断子绝孙，这对整个世界都有好处。既然能够强制注射疫苗，那么也可以强制切除输卵管。三代弱智已经够多的了。

那么，“三代弱智”指的是谁呢？我们为什么对他们感兴趣呢？

1924年弗吉尼亚州通过强制节育法之时，一名18岁的白人女性，卡丽·巴克（Carrie Buck）正被强行关在美国历史最悠久的“殖民地州病院”里。她是新法案颁布后第一个被选中实施节育手术的人，成了弗吉尼亚州基督教保守势力挑战宪法、攻击优生运动的靶子。在“现代派”看来，这些保守的基督教徒试图重新树立已废弃的“仁政”。（在这个案例里，使用简单化的政治标签是不恰当的，其实从来就没恰当过。在我们时代的人看来，优生运动是保守的，反对优生的人是激进的。但是当时，优生学是最时兴的科学，有很多自由思想家支持，反对优生的人倒被贴上“反动”“反科学”的标签。这些风水轮流转的例子对我们的启示就是：有些基本人权是不能剥夺的。）

但是，卡丽·巴克为什么会被关进病院，又为什么被选中做节育手术呢？霍姆斯1927年公开宣称，选择她是明智的：

弗吉尼亚州医院的节育表格

卡丽·巴克是一名白人弱智女性，一生都住在病院里……她的弱智母亲在同一所病院生下了她，她又生下了一个弱智的私生女。

简言之，遗传是一个决定性的因素（也是优生学的推动力）。因为，如果这个私生女的智障不是基因，而是营养不良导致的，那么绝育手术就不合法了。如果她从小能吃上像样的食物，得到良好的照料，能看上好大夫，接受良好的教育，成为一个有用的公民，那么弗吉尼亚州还有什么理由强迫她进行输卵管切除手术呢？（有些智障是遗传的，但大多数不是——这没什么奇怪的，只要想一想那些可怜人，他们一生的悲剧，都是由于胚胎发育受损、出生后创伤、营养不良、遗弃或贫穷导致的。而拉夫林按照社会的外在标准——无能的人、无家可归者、流浪汉、乞丐——来界定内在的遗传缺陷，今天只要是头脑清醒的人，都会觉得这样做是不合理的。但是我们一会儿将要讲到，卡丽·巴克正是由于这些社会原因才成为“智障”的。）

卡丽·巴克的案例成了弗吉尼亚州节育法案存废与否的关键，此时优生学的头儿们才知道，在遗传这个关键问题上，要么坚持到底，要么就此闭嘴。因此，优生学档案局派实地考察工作者阿瑟.H. 布鲁克到弗吉尼亚州进行“科学”考察。拉夫林本人在当地法庭上作了一小段证词，以证明智障是遗传的。后来在最高法院的“巴克诉贝尔”案中，这段证词又被人用到。

在法庭上，拉夫林主要讲了两点。第一，从斯坦福比奈智商测试结果上看，卡丽和她的母亲艾玛（Emma Buck）都是弱智。卡丽的心智相当于9岁的儿童，艾玛相当于11岁的儿童。（用当时技术术语来说，她们属于“低能儿”的范畴，霍姆斯后来也沿用了这些技术术语。“低能儿”的心智相当于6到9岁的儿童，“白痴”更糟一点，“弱智”比“低能”稍微好一点，有术语至少比没术语好一点。）第二，大多数弱智是会遗传的，卡丽就属于这大多数。拉夫林说：

一般弱智是由于先天不足，但是有时环境因素也可以导致弱智。在上述例子中，卡丽·巴克的弱智和道德欠缺，主要是因为遗传而不是环境。

然后，卡丽·巴克的女儿就变成了这个惨痛案例中的关键人物，后来也一直是著名人物。我之前提过，我们习惯于把发生两次的事件当成偶然的，把发生三次当作必然的。（这样想是很危险的。）艾玛和卡丽的智商测试结果都是“低能”可能是不幸的巧合，但是薇薇安·巴克（Vivian Buck）也被诊断为弱智（是一名社工在她只有6个月大的时候给她做的测试），这一点起了决定性作用，证明拉夫林是正确的，也让霍姆斯得以理直气壮地宣称她们三代都是先天不足——三代弱智已经够多的了。此外，如果卡丽没有私自生下薇薇安，就永远不会给人留下把柄。

霍姆斯对他的成果很自豪。作为一名法官，他提出过：“言论在一般情况下是不受控制的，除非言论将产生‘清楚与现存的危险’（例如在拥挤的剧院里瞎喊‘起火了’）；法院应当严格审查限制言论的法律，防止其对言论自由构成过重的负担”并因此出名——他在“巴克诉贝尔”一案的审判书中写道：“我感到真正的革新就要来临了。”

“巴克诉贝尔”案是美国一段被人遗忘的历史的脚注，直到50年后才有人重温这段历史，拷问大众的良心。1980年，林奇堡医院（卡丽被实行绝育手术的地方）的尼尔森医生（Dr. K. Ray Nelson）翻阅旧档案，发现这家医院曾经实施过4 000余例绝育手术，最迟一例是在1972年。他发现卡丽还活着，住在夏洛茨维尔，卡丽的姐姐多丽丝同样被实行了手术（当时医生欺骗她说是阑尾炎手术），现在也活着，她一生中最想要的就是一个孩子，但是一直怀不上，直到老年，才明白是怎么回事，因此生活在沮丧和痛苦中，一般人难以接近她。

学者和记者们拜访了卡丽和她的姐姐，以前只有少数专家才知道的惊天大秘密终于曝光。卡丽原来是个智力完全正常的女性。弗吉尼亚大学法学院的隆巴多（Paul A. Lombardo）和见证“巴克诉贝尔”案的一位著名学者，给我写了一封信：

说到卡丽，我见到她的时候，她每天看报纸，还帮一位识字稍多的朋友做填字游戏。她虽然不是很有教养，也缺乏社会礼仪，但是精神科专家在她老年的时候为她检查了智力，既没有精神病也没有智障，这证明了我的想法。

那么，1924年1月23日的时候，殖民地医院是凭什么判定卡丽有癫痫和智障的呢？不说别的，我看过她的担保书，非常草率而且自相矛盾。上面除了她的养父母的单调的、不可考证的言论，以及由两个医生、一个治安法官组成的委员会对她的简短印象，没有任何其他证据，连智商测试都没有用上。虽然早期的斯坦福比奈智商测试编制粗糙、错误百出，根本不能体现一个人的内在价值（见我的《人类的错误测量》一书），但至少是个相对量化的依据。

如果弄清了卡丽被关进病院的原因，就能明白她的案例隐含的意义和对今人的启示。一直没有发过言的卡丽的女儿薇薇安（1924年3月28日生），是解答这整件事的关键。她的出生是一个偶然。卡丽的妈妈艾玛私自生了很多孩子，卡丽是其中一个。卡丽被养父母多布斯夫妇带大，成年以后仍然跟他们住在一起，帮他们做家务。她被养父母的一个亲戚强奸，怀孕以后养父母怪罪于她。基本上可以确定，正如同她养父母所言，他们把卡丽关进病院以掩盖耻辱，以及为强奸她的人隐瞒身份，而不是因为卡丽“经科学诊断精神失常”。简言之，她的养父母是把她关到病院里生孩子去了，跟智障一点关系没有。她被判成“违反性道德”和“扰乱社会治安”，她的审判记录上，散发着富人和贵族对“道德沦丧”的穷人的鄙夷之气。谁还真正关心薇薇安的智力是否正常呢？她是一个女犯人的私生女。两代的私生女就够多的了。拉夫林在巴克一家“家族史”的开头写道：“这些人，属于美国南方反社会、懒惰、无知和无用的社会阶级。”

关于艾玛的一生，我们知道得很少，但是，她和女儿卡丽都是智力正常的人，这毋庸置疑。她们唯一的不足，就是违反了社会和性别的规定，智障只是一个幌子，用来证明霍姆斯的“司法公正”。

现在我们来看这件案子的核心：卡丽的女儿薇薇安。人们是从哪里找到她“智障”的证据的呢？只有下面这件事：1924年冬初次开庭时，薇薇安只有7个月大。有位红十字会的社工威尔海姆小姐出庭，诚恳地向法庭讲述卡丽被关进病院的真正原因：

多布斯先生是这个女孩（卡丽）的监护人，将她从小养大。他向杜克小姐（雅宝县社会公益组织的临时秘书）汇报说这个女孩怀孕了，希望把她送到一个地方去——把她关起来。

威尔海姆小姐接着用多布斯夫人三天前出生的、智力正常的亲外孙女和薇薇安做了个比较，并且做出了判断：

很难判断这么小的孩子是否正常，但是在我看来不太像正常的样子。在外表上——应该说，我知道她妈妈是弱智，会让我对她也有成见，但是两个星期前，我见到了多布斯夫人的外孙女，只比她大三天，就跟她有非常明显的不同。她看上去有一些不对头的地方，但是到底哪里不对头，我说不上来。

除了这段简短的证词，什么都没有。而这段证词也就成了判定薇薇安智障的全部依据。之后的讯问中，威尔海姆小姐说，薇薇安和多布斯的外孙女都不能走、不能说话，不过：“多布斯的外孙女反应很快，你跟她玩或者吸引她注意力的时候，她很快就能跟你玩起来。另一个不是这样。她看上去无动于衷、没反应。”随后威尔海姆小姐极力主张给卡丽做绝育手术。她说：“我认为，这至少可以防止她那样的人繁殖开来。”几年后，威尔海姆小姐说她从来没有给薇薇安做过检查，也从不认为她弱智。

不幸的是，薇薇安8岁的时候就因为结肠炎去世了（死亡证明书上是这么写的），结肠炎有很多原因，但是如果不是因为太穷、吃不干净的东西，是完全可以预防的（贫穷也是“巴克诉贝尔”案里的一个严肃主题）。因此，当重新审理卡丽的案子时，薇薇安已经不能出来作证了。

1980年，“巴克诉贝尔”案重新进入人们的视线，我立刻意识到薇薇安在本案中是一个关键，应该可以从死于疾病的八岁儿童的记录里调出她的档案。因此，过去的4年里，我一直尝试着寻找薇薇安的成绩单，终于找到了。（隆巴多医生给我提供的。他还提供了其他材料，包括威尔海姆小姐的证词。他花了好几个小时写信回答我的问题，天知道他花了多长时间找到薇薇安的成绩单。我从没有见过隆巴多医生，他做这一切都是出于好心、支持我的工作、热爱真相，而不是图回报或者名气。在斤斤计较、文人相轻的学术界，我们应该永远记住并且赞美他的慷慨胸怀，明白世上还是有善良的人存在并且做一个善良的人。）

薇薇安·巴克（多布斯）一年级下学期的成绩单，显示有进步。注意，她1931年4月份还上了优秀生名单。翻印自《自然史》

薇薇安被她妈妈的养父母多布斯夫妇收养，在夏洛茨威尔的维纳博公立小学上过四个学期的学，从1930年9月上到1932年5月，6月份去世，用的是“薇薇安·爱丽丝·伊莲·多布斯”的名字。她是个成绩中等的学生，既不特别突出也不是问题儿童。以前老师打分还比较严格，81～87分（良）只能得C（见成绩单）。薇薇安的思想品德是A和B，学习科目全是C，除了一年级上学期（1930年9月到1931年1月）数学是D（她学数学一直很困难）。到了下学期有所改善，思想品德是A，数学是C，其他科目都是B。1931年4月她上了优等生名单。二年级上学期，她数学和拼写不及格，但是思想品德还是A，阅读是B，英语和写作是C。她因此被留级一学期，但是留级的人多呢，也不是人人都是弱智。不管怎样，她最后一学期学得不错。在她上学的最后一个月中，思想品德、阅读、拼写是B，写作、英语和数学是C。这个“下流、道德败坏”母亲的女儿操行良好，虽然读书不咋地。

总之，我们和隆巴多医生的结论是一样的——巴克诉贝尔一案中，巴克家的三代人一个都没有弱智。我不知道纠正这样一个已被历史遗忘的残酷的谬误有何重要意义，但是我觉得，明白了强制绝育手术是不道德的事、“司法公正”有可能是谎言，这就让我很满足了。

卡丽·巴克1983年去世了，她和她女儿的墓只隔几步路远，这不知道是命运的巧合，还是有人有意为之。引用一首著名的老歌的最后一句歌词：玫瑰和蔷薇——代表幸福和痛苦——从芭芭拉和她爱人的墓里长出来，互相缠绕，这对恋人在死后团圆。愿卡丽和薇薇安，这对还没绽放就已经凋零的不幸母女，在一起永远地安息。

21
新加坡的传统（以及婚姻）

历史上的有些说法，既没有逻辑，又难以置信，所以，一旦从昔日的宝座上跌下来，就再也没人愿意拾起。观念的消失和物种的灭绝一样，都是不可逆的。

优生学是一门依靠“选择性育种”以“改良”人类品质的学问，在它悠久的历史上，有很多错误的观念，但是没有一种观念，比按照学历高低来判断人的内在价值的方法更为愚蠢和自私了。这种方法错就错在把原因和结果颠倒了。并不能否认，大家都觉得聪明的人通常（但不总是）学历很高。但是常识告诉我们，成绩好主要是因为教得好和学得好（还要好的经济条件支持、社会上有崇尚学习的风气），而并不是因为什么遗传基因把人的屁股粘在凳子上。教师授业解惑，学生吸收有价值的知识，不然教育就是极大的浪费。

按照学历高低来判断智商高低的错误观念乍听起来非常有道理，所以就连最固执的优生学家都不再按照遗传因素来判断智商了。从20世纪早期智商测试兴起，一直到20年代中期，遗传论还非常有市场，但是之后，就很少有人做遗传论的文章了，除了名誉扫地的遗传论者前辈、老骗子——西里尔·伯特（Cyril Burt），1947年这样写道：

容量为一品脱的壶装不了多于一品托的牛奶；同样，一个小孩的学习成就，也不可能超过他的上限。

我最喜欢举下面这个例子，说明早期的遗传学是什么样子：哈佛心理学家耶基斯（R.M.Yerkes）计算了第一次世界大战期间约200万新兵的智商和学习年数的相关系数，结果是0.75（正相关）。他做出以下结论：

天生的智力，是决定学习年数的最重要因素之一。这个理论是建立在大量数据的基础上的。

耶基斯接着提到黑人的智商得分很低，平均在校时间也很短，有很多中途退学。他写出了下面这段话，貌似发现了一个重大的社会真相：

虽然我国实行强制的免费义务教育，但惊人的是，大多数黑人新兵根本没有上过学。

但是随后他采用了一贯的做法：用遗传论来解释数据，说不愿上学就是智商不高的表现。至于那些义务教育学校地理位置偏僻、教学硬件软件差、缺少资金、黑人的孩子很早就要养家糊口，这些因素他只字未提。20年后，阿什利·蒙塔古（Ashley Montagu）重新分析了耶基斯的数据，发现在美国北部几个州，经费充足、教学质量高的学校里，黑人的智商得分比南方各州同年级的白人得分都要高。他把这个结果写成了一篇著名的论文。（我几乎可以听见守旧的优生学家在墓里咕哝道：“是的，但是只有最聪明的黑人才能到北方去。”）

我从来没有料想到，耶基斯的这一套竟然在离欧美（智商测试的诞生地）十万八千里远的地方死灰复燃，而且作为遗传论的有力武器，开始在关于人类智力的辩论中占有一席之地。我们应该从中得到教训：不是所有学术辩论都是漫画里描绘的那样、老一套的无谓无害的头脑体操。科学观念可能会产生强烈的社会效应，影响千万人的生活。旧观念可能会借尸还魂，以科学的名义支持某些已经被淘汰的社会偏见，而人们还察觉不出。观念产生的效应，是看得见摸得着的。

最近，新加坡的一些朋友寄给我一叠很厚的影印资料，是他们那里的英文机构出版的。里面讲的是新加坡1983年开始的、轰动全国的辩论。李光耀总理在国庆日讲话中，没有一如既往地讨论经济前景和经济进步，相反，他重点提到了一个“对国家产生威胁的因素”。8月15日，新加坡《海峡时报》头条报道：“快结婚吧……别磨蹭了。据总理说，25年以后人才储备将会耗光，除非受教育程度高的人结婚并产下更多后代。”

李总理分析了1980年的全国统计数字，发现女性学历越高，生的孩子越少。李总理还发现没有受过教育的女性平均有3.5个孩子，小学文化的有2.7个，中学文化的有2.0个，大学文化的只有1.65个。他声明道：

人们受教育程度越高，生的小孩越少。因为他们知道三口之家的好处，养活一大家人是很辛苦的……女性受教育程度越高，孩子越少。

到目前为止，李总理仅仅注意到一国的人口模式，其实任何现代科技社会都存在这种模式，学历高、工作好的女性不愿意被家庭拴住、生儿育女、养活一大家子。李总理还评论说：

现在取消高等教育政策、让女性回到母亲的角色上去，已经太迟了……我们的女性不会同意的。再说，她们已经成了经济中的重要组成部分。

但是这种人口模式有什么害处呢？它已经在很多国家存在了好几代的时间了，比如在美国，高学历女性生育较少，对人们的精神状态和社会道德也没有明显的损害。但是如果你相信耶基斯的老掉牙的那套理论，以为学历低就代表笨，而且笨是会遗传的，那就对社会有影响了。李总理一石激起千层浪，引发了新加坡媒体所称的“婚姻大辩论”。

总理当然没有意识到，学历只能反映经济好坏和家族传统，跟聪不聪明几乎无关。但是他在演讲中，没有强调社会环境因素对学历高低的影响作用。新加坡的教育事业得到了巨大迅速的发展：1960年开始普及高等教育，所有考试合格的人都能上大学。李总理说，在改革之前，很多天生很聪明的小孩家里很穷，读书少。但是，只要用一代人的时间普及高等教育，就可以一次性解决之前的所有不平等问题。穷苦家庭的有能力的小孩不再被埋没，能够受到他们应得的教育。社会影响已经超越了遗传的影响——由教育程度决定基因好坏。

从20世纪60年代早期开始，我国普及了第一批高等教育。在60～70年代期间，我们招到了第一批年轻有为的男女学生。他们的父母都很聪明，但是有些从没上过学。在他们父母那一代，聪明的人和无能的人的家族都很大。这种现象不会再重演了。一旦这代人接受教育，上了大学，爬到社会的顶层，那么每对夫妇不会生超过两个孩子，就不会像他们的父母一样需要养活一大家人了。

李总理接着描绘了一幅社会走下坡路的可怕画面：

如果国民比例继续不均衡发展下去，平均智力水平很快就要下降。经济发展会受阻，变得不好管理，社会就会衰退。如果两个大学毕业的夫妻，平均在25岁的时候才生1个读大学的后代；而每两个没文化的工人，生三个孩子，这样下去，如何避免国民素质退化呢？

目前为止，我还没有能证明一开始提出的观点——西方思想史上，经过“先天后天”大辩论，遗传论早已被人唾弃，但是现在在一个完全不同的社会背景下，它又重见天日，并且造成了巨大的影响。李总理的演讲听起来跟美国20世纪20年代早期的“弱智移民不得入境”以及英国长期以来“为聪明儿童单独建立精英学校”的社会争论差不多。毕竟，漏洞百出的观点也不是哪国的专利，谁都可以随口说出一条来。也许，新加坡的总理并不知道西方历史上有此类观点，是他自己想出来的。

但是李总理演讲中的关键一段——提到了他为什么要做全国讲话，这也是我写这篇文章的原因——清楚地显示出：他的错误观点来源于西方思想中的糟粕。他并不认为后天的教育能够弥补先天的不足，而是积极地为遗传论辩解。下面这段话让我觉得似曾相识，脊梁骨发凉：

一个人的行为，既有先天因素，又有后天因素。越来越多的证据表明，先天，即遗传，比后天（教育和环境）更能决定一个人的行为……研究者们得出结论：80％是先天，另外20％的不同是环境和教养的结果。

注意，“80％”这个结论（李总理紧接着引用了同卵双胞胎的实验数据支持这个结论）泄露了天机。所有经历过西方“先天后天”大辩论的专家立刻就能认出，这个“80％”经常出现在遗传论的文章里（特别是阿瑟·詹森1969年那篇声名狼藉的《智商和学习成绩能提高多少》）。经测算，智商的高低有80％都是遗传。

80％是一个错误的数字，既不符合事实，又被人误用，所以经过“先天后天”大辩论，就被人打回老家去了。但是大辩论的光芒似乎并没有照到新加坡。

詹森主要是根据西里尔·伯特（Cyril Burt）的同卵双胞胎研究得出“80％”的结论的。这些双胞胎一生下来就被分开抚养。伯特是遗传论的元老，1909年（比奈发布智商测试最初版本的4年以后）写了第一篇文章，直到1971年去世，写的所有文章都是这个调调。这个研究之所以著名，是因为同卵双胞胎本来就少，从小被分开抚养的更少，而伯特收集了50个案例，之前没有人收集过这么多，大概一般人连他的一半都找不到。现在我们知道了，伯特的研究可能是20世纪最大的一个科学骗局——全是他杜撰出来的，造假当然容易了。

一开始，遗传论者支持伯特，为伯特“辟谣”，说信奉环境论的左翼空想家不过是在对伯特的成功冷嘲热讽，因为找不到逻辑或者证据上的漏洞。现在毋庸置疑，伯特确实是造了假（见L.S.赫恩肖所著人物传记《心理学家西里尔·伯特》）。过去支持伯特的人又玩了一个新花样——自己做实验证实先天影响大于后天，这样“80％”这个数字本身也就不重要了。

我查阅了跟智商遗传比例有关的文献，发现是一团乱麻。从詹森和其他人所称的“80％”，一直到利昂·卡民（Leon Kamin）所称的“0％”（见书目），一路到底。在每一篇文献里，数字本身都不重要。李总理的错误观念，不是因为误用数据，而是因为一个更深、更基本的错误——他没弄清到底什么是“遗传”。

有一个很常见的错误：把“可遗传的”等同于“不变的、必然的”。大多数人一听说智商有80％是遗传，就定论说自己五分之四是改不了了，只能通过受教育、改善环境提高那剩下的五分之一。李总理也跌入了同样的逻辑陷阱，认为“80％可遗传性”意味着先天因素比后天因素更重要。

“可遗传性”是一个术语，表示的是某一人群中有多少变异（例如身高、眼睛颜色或智商）是由于个体基因的不同。它压根儿就不代表一个人有多少固定能力、多少潜力。比如，有一种视觉残疾，100％是遗传，但是戴上眼镜就能达到正常视力水平。即使智商80％是遗传，接受良好教育的人智商还是会有明显提高。（我并不是说所有遗传特征都很容易改变，有些天生的视觉残疾靠目前的技术水平还治不好。我只是指出，可遗传性不代表生物的属性是固定不变的。）因此，我承认，我从没对智商遗传的辩论这么感兴趣过——百分之多少是遗传跟人类能不能提高智商和学习成绩无关，就算这个数字高上天也没用。我还没提到智商测试本身有多么荒谬（我也不会提了，不然没完没了了）——人的智商是多方面的、非线性的，不能简单地用一个数字衡量，更不能因此把人分成三六九等。智商可能是会遗传的，但是如果智商测试结果没有意义，那谁还在乎智商遗传的问题呢？右手食指关节的长短可能遗传性更大，但是没有人拿它做文章，因为食指长短没有太重要的现实意义。

虽然我花了一番工夫，证明李总理的忧虑是没有必要的，是受西方错误数据影响的，但是我强烈反对有人借此对新加坡的问题和解决方案指手画脚。我有资格评论新加坡的问题，仅仅是因为一个古老笑话的第一条标准：只有刚在外国待了一个星期或者待了三十年以上的人，才能称为“外国问题专家”。但是，我是一个爱管闲事的人，还是忍不住要戳戳新加坡的两个蹩脚：第一，这样一个多文化背景（中国、马来西亚、印度）的国家，仅仅用一代人的时间普及教育，就能抹平所有环境影响的差异么？第二，作为世界上人口密度最大的国家之一（摩纳哥除外），鼓励生育真的有必要吗？虽然我相信文化相对论，但是如果其他文化从我的文化借去了不好的东西，我还是有权利评价的。

在这场历史性的辩论中，语言是妨碍人们理解问题的实际因素——“先天”（nature）和“后天”（nurture），仅仅是因为押韵，人们就把它们对立起来看。［要是英语里面没有这样的巧合该多好啊——因为语言是思维的通道，往往导错了方向。以前，上帝的所言（words）和所为（works）这对词的巧合曾引发过人们的误解，以为圣经所言是事实，大自然只不过是圣经的镜像。在我们现代，先天和后天这对词的对立，又使我们用隔离的、分裂的眼光看世界，看到的不一定是世界的本来面貌。］人类所有复杂特征，都是不同的环境与DNA交互作用的产物。从卵子受精那一刹那起，交互作用就开始了，直到死的那一刻才结束。我们不能把人类行为硬分为内部不变的因素和外部可变的因素，还弄个二八开。

真正的问题，存在于生物潜力论和生物宿命论之间。我属于前者，相信生物因素作用于人类行为。但是詹森和李总理（至少他在讲话的时候十足是生物宿命论者）认为生物因素限制人类行为。在李总理看来，学历低不是因为不幸，而是因为笨。生物潜力论者肯定生物因素是很重要的，但是更加强调交互作用是复杂的、人类行为是多样的，否认遗传因素决定人的成功与否。

生物宿命论一直有其政治上的用途，用来指责受害者、支持现状。为此，黑人议员约翰·科尼尔斯（John Conyers）在1983年12月28日的《纽约时报》上发表了一篇有力的社论。开头是这样写的：

20世纪50年代的社会学文献中，大部分写到贫困的文章都把黑人或其他少数族裔的经济困境归咎于他们天生懒惰、智力低下。这种观点是有缺陷的，它的来源是不可逾越的种族隔离。种族隔离限制了社会和经济的流动性。

接着，科尼尔斯分析道，近年来有越来越多的文章表明，黑人的高死亡率是遗传因素导致的，特别是患各种癌症的概率。他写道：

在工作中，黑人比白人得职业病的概率高37％，得职业病死亡的概率高20％。

免疫力低下可能是遗传因素导致的，各个种族都不同。但是如果只盯住遗传不放，就会忽略掉：黑人在工作中受到歧视、经济上不平等——这些才是导致差异的主要原因，其实通过社会改革是可以减少或者消除这些不平等的。（把社会不公归结于生物因素，在很大程度上会削弱改革的力度。）他继续写道：

50年代的黑人相信，他们的问题大部分是出在自己身上：身体差是因为个人习惯不好。这种责备受害者的言论，使人们忽略了黑人承受了白人承受不了的危险：从事有毒、有害、肮脏、危险的工作，住在污染最严重的社区里。

科尼尔斯举了一个例子：焦化厂里的黑人钢铁工人患癌的概率是白人工人的两倍，患肺癌的概率是白人工人的8倍。“这个差异”，科尼尔斯说：

可以用分工不同来解释：89％的黑人工人都在工厂里最危险的部分炼焦炉工作，而白人工人只有32％在炼焦炉。

是应该直接努力改进工作环境呢，还是继续测量内在的种族差异呢？就算要研究基因，也应该先改进工作条件，然后测试死亡率减少了多少。同样的，是应该说读书少的女性就一定笨呢，还是去除社会经济的不良条件，更加努力地普及教育，看看这些女性有多成功呢？正在新加坡国内上演着婚姻大辩论的时候，印度尼西亚《雅加达时报》隔岸观火，评论道：“多建些学校比较明智，也少惹些口舌。”

后记

新加坡的局势，像《爱丽丝漫游奇境记》的台词所说，是“更奇怪呀更奇怪”了（爱丽丝太惊讶忘记怎么说话了）。有些报道就跟漫画一样（黑色幽默漫画）。李光耀总理的讲话引起轩然大波以后，吴庆瑞副总理（Dr. Goh Keng Swee）爆出了内幕——他有对策。这些对策意在控制大众言论，包括建立一个网上约会服务系统，促使高学历的人结婚生育；在新加坡国立大学开一门求婚课，让那些害羞的高学历人士学会表白。据1984年2月12日《纽约时报》报道，新加坡国立电视台“准备拍一部电视剧，反映单身职业女性的生活是不完整的、空虚的”。

更严重的是，李总理已经开始用国家干预来调整人口比例了。新加坡的计划生育委员会修改了长期以来所有家庭都只能生两个孩子的政策，开始做这样的宣传：对受过高等教育人士的家庭，鼓励多生；对学历低的家庭，还是维持“只能生两个”的规定。（《纽约时报》，1984年2月12日）

1984年1月，政府颁布了第一个明确的政策：有大学学历的母亲，孩子上学时有“择校”优先权。学历低的——听了别发抖——如果生育第一、第二胎以后愿意做绝育手术，孩子就可以上第二志愿的学校。（《纽约时报》， 1984年2月12日）

李总理的计划没能得到全世界的认可，甚至没能得到新加坡和邻国的赞同。泰国玛希隆大学（Mahidol University）的沃伦·布罗克曼（Warren B. Brockelman）和科学技术部部长荣育·育他翁（Yongyuth Yuthawong）还有科学院的其他10名成员强烈反对新加坡的政策［发表在1984年2月16日的《曼谷邮报》上，多谢布罗克曼通过大卫·伍德鲁夫（David Woodruff）向我寄来资料，我才写成后记］。他们是这样写的：

没有任何证据表明，不同经济或教育水平的人多生或是少生，会使人口的遗传结构产生变化……新政策规定高学历的母亲孩子在选校时比别的孩子有优势，这只会事与愿违。这个政策只会导致教育程度低的家庭继续多生孩子、还是上不了好学校，而不会让受教育的人口增加。比较明智的做法，是让低学历的父母的孩子有选学校的权利，这样他们的社会等级将会提高，提高了以后，自然会少生。

在邻国马来西亚，马来大学的朱兴联（Chee Heng Leng）和陈志坤（Chan Chee Khoon）针对新加坡的优生学复兴运动发表了一本评论集（《设计师基因，IQ，意识形态和生物学》，INSAN杂志，马来西亚雪兰莪出版），书的封面是一张牛仔裤的照片——Lee牌的。里面收录了我的科普散文集《自达尔文以来》里的一篇文章，这让我很高兴。朱博士和陈博士指出，在马来西亚这种思想也蠢蠢欲动（但还没有转化为官方政策），马来西亚前总理马哈蒂尔（Mahathir Mohamad）说由于马来西亚环境温和、人种混杂，导致马来本土人继承了孱弱驯良的个性。朱和陈对新加坡的状况进行了极为精炼的总结：

新加坡现在的真实状况是：对“智商的可遗传性”理解得太粗了。此外，在十年前已经在科学界失去可信度的所谓“科学数据”，正为这些强词夺理的言论撑腰……新加坡的状况之所以让人惊讶，是因为这些“科学”言论迅速地转化为社会政策，明目张胆地有利于新加坡的上层阶级歧视大多数穷人。

注解：

[1] 　布尔斯廷（D. J. Boorstin）在其著《发现者》（The Discoverers，1983年）中不幸延续了吹捧泰森的传统，将他拔高为勇敢的现代派、演化论的先驱，丝毫未意识到泰森所说的“相似”无关理论革新，倒是弥补了当时“生物链”理论的漏洞。布尔斯廷写道：“就像哥白尼反对地心说，泰森将人类从高高在上的位置上拽下来……以前从未有人公开展示人与动物生理上的相似之处……启示意义相当明显：在人与‘低等’动物之间有一个‘缺失的环’。正如人们无法忘却日心说，读了泰森以后，谁还相信人是孤立存在于自然界其他生物中的呢？”

[2] 　译者注：2002年，她的遗骸从罗浮宫运回了家乡。

陆　达尔文派

22
汉娜·巴克的左肩和自然选择的起源

赫胥黎在1877年的文章《技术教育》（Technical Education ）中称：“人生的伟大目标不在于知，而在于行。”因为赫胥黎不是书呆子，所以我们可以相信，他不是鼓吹莽撞行事，而是强调：辛苦得来的知识要在运用中发挥最大作用，正如同马克思在最后一篇评论费尔巴哈的文章中写道：“到目前为止，哲学家仅在用各种方法来解释世界，但重要的是改变世界。”

没有真正的“创始人”。所有的伟大思想，不是被人创造出来的，而是被人发现的。并不是哥白尼只手改变天体运行的轨迹，演化也不是达尔文发明的。这些创始人之所以受人尊敬，是因为做好了准备并抓住了机会。有些观点，前人一带而过，而他们能掌握其更深的含义。

所有学者都知道，有几个著名的科学家——特别是拉马克——在达尔文之前就阐述了复杂的演化思想。但是，有些人还是以为达尔文才是演化论原理（自然选择）的真正创始人。直到《物种起源》再版多次后，达尔文才在前言中承认：在他之前，已有两个人构想出了自然选择原理。这是一个迟到的解释。他还说（至少是暗示说，我也极为赞同）：这些构想没有一个能够把他的演化论比下去，无论是在知名度上还是独创性上。他否认这些构想并不是出于恶意，而是因为他根本没有听说过，虽然他读书来者不拒、跟外界通信也很频繁。“没听说过”这几个字，不仅提高了达尔文的地位，而且让我们懂得“摆出观点”与“理解和运用观点”之间的区别。

达尔文的一位前辈，苏格兰博物学家、果农帕特利克·马修（Patrick Matthew）1831年发表了他的自然选择学说，不过是作为《脐木与树木栽培》（Naval Timber and Arboriculture ）一书的附录发表的，因为跟全书的背景很不搭调，慢慢地就销声匿迹了，直到1859年达尔文发表了《物种起源》，马修写了一封信给《园艺师编年史》杂志，声称他不仅比达尔文更早发现自然选择，而且：

是最早发明气夯的人（在他之后，有几个英国人、法国人、美国人都声称自己是发明气夯的人）；还发明了蒸汽炮舰，在日后的海战中必将发挥重要作用。这些和生命选择定理一样，现在正在进展中。

1860年4月21日，达尔文向《园艺师编年史》（Gardeners’ Chronicle ）写了回信（感谢德姆普斯特向我供稿，促使我关心马修的观点）：

我对帕特利克·马修先生4月7日发表在你们杂志上的文章很感兴趣。我坦率地承认，马修先生多年来一直致力于解释物种的起源，和我给出了同样的答案：自然选择。似乎我和其他博物学家从来没有听说过马修先生的观点，我认为没有人会感到奇怪，因为他的观点非常简短，而且出现在一本关于脐木和树木栽培的书的附录里。我完全不知道马修先生发表这样一篇文章，我除了抱歉，别无他法。如果我的作品要再版一次，我愿意插入一段说明，提到在我之前有人发表过同样的观点。

第二个人提出自然选择的时间更早，不过没有弯弯绕地写在书里面。1813年，另一位苏格兰科学家和医生威廉·查尔斯·威尔斯（虽然他是在北卡罗来纳州的查尔斯顿出生的），向英国最高学术机构——伦敦皇家协会递交了一篇文章。和当时大部分文章一样，题目长得惊人：《对于一名部分皮肤类似黑人的白人女性的描述，以及对于黑人和白人颜色和形态差异之原因的观察报告》。

这篇文章发表的时候，没有引起反响，威尔斯也没有将它翻印。5年后他躺在床上快要死于心脏病的时候，把比较重要的一些文章汇集成单独一卷重新出版。1818年出版的书中，包含了威尔斯1813年的一段言论，短得几乎像是临时抱佛脚、事后添上去的。威尔斯的这本书受到了不错的评价，因为里面有两篇主打文章，为他稍稍地争取到了一些名声——一篇是关于露珠的形成（这个问题绝对是威尔斯独立解决的，他证明了露珠既不是“隐形的雨水”也不是植物渗出的汁水，而是空气中水分凝结的产物），还有一篇是为什么人有两只眼睛，却只看到一个影像。具有讽刺意味的是，1864年休·福克纳为达尔文颁发皇家学会科普利勋章的时候，将达尔文的研究方法和威尔斯《露珠论》的相提并论：“同样具有独创性、透彻、完整——观察细致，具有普遍性。”福克纳似乎从没意识到，包含《露珠论》的那本书中还有一篇关于自然选择的文章，威尔斯可是很希望别人提到的。

威尔斯是一个朴素、极为孤独、特殊的人。用他自己的话来说，朋友很少、病人很少、钱也很少（因为纵其一生，大部分都花来贴补几个好朋友的贷款了）。他一个人在伦敦度过了一生，从未结婚、社交很少、发表文章也很少。他在自传的前言部分抱怨长期以来的财政困难，特别是供养不起马车，因此限制了大多数社交活动，也不能去看病人导致病人流失（在过去的美好岁月中，医生家访简直是义务性的）。

威尔斯虽然是在美国出生的，但是他父母是极端的亲英国分子。威尔斯记录下了父亲的焦虑：担心在革命前夕的美国，年轻的儿子可能会信奉共和思想：

他，由于害怕我被1763年后横扫美国的背叛思想所污染，所以强迫我穿苏格兰呢子大衣和戴蓝色苏格兰软帽，希望通过这些方式，让我觉得自己是一个苏格兰人。受到这样的压迫，我反倒产生了共和思想。

威尔斯也没有帮美国说什么好话，因为他认为，日后犯的所有错误都是因为在童年时在南卡罗莱纳受到压迫，纯洁的心灵受到了创伤，包括以下这件他很不愿意承认的事：

我下面要说的东西，别人肯定认为非常荒谬。我11岁之前，一直住在美国的一个大型海港的码头附近，经常和一帮不良水手打交道。所以我从儿时起，就养成了讲粗口的习惯，经常感到内疚，经常无理由地情绪冲动。

因此，威尔斯后来离开美国，到英国接受教育，他是很高兴的。1781年，他凭借亲英派的关系回到了卡罗莱纳，接手了父亲的事务；但是由于美国推翻了英国统治，他坐了牢、被永久遣送回英国（他再高兴不过了）。他搬到了伦敦，1788年获得皇家学院医师执照。1792年凭借一篇《两只眼睛为什么只看到一个影像》，他弄到了皇家学会的会员资格。1814年，凭借《露珠论》，他赢得了协会里令人垂涎的朗福德勋章。虽然这些作品质量很高也很有名，但除此之外他几乎没有发表作品。他在自传里甚至没有提到1813年那篇关于人类肤色的文章，这也表明他自己对这篇文章毫不重视，也不知道它今后会有多么深远的意义。

威尔斯1813年写的有关自然选择的文章，和其他医生写的概述文章一样，开头都是描述一个不寻常的医学案例。汉娜·韦斯特是英国苏塞克斯郡一个有钱人家的脚夫的女儿，找威尔斯看皮肤病。她的父母和亲戚都是普通的白人。她虽然全身其他部分都是正常的浅白色，但唯独从左肩直到左手，都是“和黑人一样黑”。按照当时流行（现在仍然流行）的“母体影响”（maternal impressions）观点（见《母鸡的牙和马的脚趾》最后一篇），韦斯特一家和邻居们认为下面一件事是苦难的起因：

她的母亲……怀她的时候，不小心踩烂了一只活的龙虾，受了惊吓，所以她生下来的时候，一部分皮肤是黑的。

威尔斯仔细地观察了汉娜，注意到黑白皮肤的分界线很明显，对她黑色的左臂感到惊奇——“比我见过的黑人的左臂还要黑，连手掌和手指内侧都是黑的，黑人的这些部分只是茶色。”但是事实上，威尔斯除了描述这个现象之外，没有提出什么创见，也没有写出什么大众感兴趣的东西。他论证的前提也是错误的：有大面积黑色素异常的白人，无论在遗传上，还是其他什么方面，都跟黑人是两回事。举完事例后，威尔斯又写了7页的“人类肤色的起源猜测”，使文章变得晦涩难懂（后来引发了人们的好奇心），要是不写这7页的话，这篇文章就埋进故纸堆里被人遗忘了。这7页纸是把人家提过的一个话题炒冷饭，其中2～3页讲到了自然选择，在达尔文之前第一次清楚地提出了这个伟大原理，而且获得了承认。

威尔斯一开始小心翼翼地落笔，大概是怕大段的猜测会减弱了观察报告的严肃性：

一想到欧洲人和非洲人肤色的区别，我心中就闪过一个念头，这个念头不是看书得来的。因此，我冒险在这里提一下，虽然可能有人认为它太过幻想而缺乏事实根据。

威尔斯用自然选择来解释黑人为什么在炎热环境中可以生存下去。他先发表了一通惯常的种族主义论调，说白皮肤是人类固有的，最初的人类是白人，非洲的原始人比现代人皮肤颜色浅。他用自然选择来解释这种改变，甚至援引了达尔文最喜欢引用的人工选育的例子：

从事家畜改良工作的人，如果发现某些个体比普通个体拥有更多优良性状，就对它们进行雌雄配对，再在后代中挑出最好的进行下一轮育种，如此反复，直到达到可行的、不违背常理的目标。人工可以选育，大自然也可以，效果是一样的，只是慢一点。大自然选育出了很多人种，适应各自国家的生活。

这段话，过去的几本书曾经也引用过（上面摘录的是最标准的“威尔斯引用版”），但是我认为以前的评论家没有充分认识到威尔斯论文中所弥漫的反传统气息。其实这篇论文非常特殊，非常有远见，它所提出的一些观点，和1960年前后，挑战传统演化论的观点不谋而合。

按照传统的、严格的达尔文演化论观点，肤色和演化上的变化是由生物个体竞争所驱动的。换句话说，黑皮肤的人在炎热环境中有直接的优势，活下来的后代更多，繁衍出了更多黑皮肤的后代。威尔斯否认了这个剧本。

讲到适应环境，威尔斯否认黑皮肤本身带来任何优势（他也许错了），并且宣称其他的一些因素导致了黑人在炎热环境中较少生病。威尔斯认为，这些因素比较微妙，肉眼是看不见的。由于一些未知的发育上的原因，黑皮肤可能跟这些因素有关，从而成为优势因素的路标，自身却不带来任何优势：

但是，我不认为人类抗病程度的强弱是由肤色决定的。相反，我认为有可能肤色显示了人内在的不同。这些内在的不同，虽然影响贯穿人的一生，但是太微妙了，就连死后解剖也看不出来。例如会患天花的人和不会患天花的人，外表上看不出区别，区别的只有内在的抗病因素。

达尔文苦苦思考这些发育上的关联，认识到虽然很多特征不能带来直接的益处，但是在一个人群中，有些特征是“集成”的：有其中一个特征，就必然有其他特征。比较极端的一派演化论者直接忽略掉了“微妙”的因素，试图找出每个普遍特征在适应环境上的优势，他们通常是空谈。

后来，有人又重新注意到发育模式和生物体的完整性（不能把动物拆解为简单的、独立的部件来分析）。在这种氛围中，威尔斯所说的“肤色是非适应性特征”很符合一些人的口味，所以又被重新包装上市。

自然选择一般是这样说的：黑人的祖先一开始有很多种肤色。黑皮肤的人一般更容易成功地养育后代，所以这个人群的总体肤色就逐渐变深。换句话说，演化是某个人群中个体竞争的结果（即“生存竞争”）。

威尔斯直截了当地否决了这种通常解释。他说有利变异不会在很大的人群中稳定地散播开来。他的论证是不正确的，而且是建立在对遗传的错误看法上——这个错误看法现在被称为“混合继承”，意为优势个体和普通个体交配以后，后代的优势就打了五折。由于优势个体非常少，所以五折的第一代跟普通个体交配以后，又产下了二五折的第二代。很快，稀有的优势变异就完全归零了。遗传不是这么回事（尽管威尔斯不可能预见到孟德尔50年后会做出什么发现）。优势基因经常都是变异得来的，和普通个体交配后也不会打折扣。隐形基因可能在下一代里不会表达出来，但也不会消失。由于威尔斯相信“混合继承”，所以他认为一个人群中不可能由于自然选择而产生缓慢转变：

这些变异（即，有利变异）大部分因杂交而很快消失了。因此，如果有一个很高的男人，他通常娶一个比他矮很多的妻子，他们的孩子多半与本国的其他人差不多高。

那么自然选择是怎么一回事呢？威尔斯说，有利变异可能能够传播开来，多半是凭运气，而不是自然选择（尽管他讲得不明确），人数少、流动性大的人口，跟其他族群的普通个体交配以后，变异也不会消失：

但是，范围很小的地区和其他国家很少有交往，外貌上的一个突变经常可以传给后代。

因此，威尔斯推测，非洲人一开始可能分成很多小群体，互相没有交往。偶然地，这些群体各自衍生出了不同的肤色和抗病水平。然后，自然选择不是发生在每个群体之内，而是发生在这些群体之间，抗病能力不强的种族就“群灭”了：

最早产生在非洲中部的少数零散族群存在一些偶然的差异，有些族群更能抵抗横行于全国的疾病。这个族群就能繁衍更多后代，而其他的灭亡了。不仅是因为无法抵挡疾病侵害，而且在跟更有力的邻居的竞赛中败下阵来。我认为，更有力的邻居的肤色当然是黑色的。

在今天，演化论的一个热门话题是：自然选择发生在哪里、什么层次上。虽然没人否认传统说法（自然选择发生在一个种群的不同个体之间），但是也可能有其他的模式。休厄尔·赖特（Sewall Wright）直到95岁还赞成这种观点：一个地区的不同种群之间也有可能发生自然选择（即所谓的种间选择）。赖特的光芒很久以来一直被传统的演化论所遮盖了，直到1980年前后，才受人重视、得以重放光彩。我发现他的观点跟威尔斯的种间选择理论倒是有异曲同工之妙。

虽然按照传统演化论的标准来看，威尔斯的理论是非正统的，但是它确实道出了自然选择的原理。所以，必须回到一开始的问题上来：为什么这些演化论的先驱完全被忽略掉了？为什么达尔文值得被后人尊敬（恐怕威尔斯和马修也应该受人尊敬）？

19世纪，劳伦·艾斯利（Loren Eiseley）做出了一个巧答：威尔斯的理论不能扩展、不能推及生命史上的普遍演化规律。人人都知道生物有变异，可以借此选育出优良后代（赛犬和赛鸽爱好者都知道，农民就更不用说了）。但是，就算知道了选育犬种的知识，也不能自然而然地推测出从鱼到人转化的原理。有可能上帝创造的物种是固定的，变异也有限度，人只可能在固定物种内培养出比较极端的个体，而不可能越界创造出新物种。威尔斯的理论没有普遍性、没有提到大规模演化的原理，所以后人看来，他只是演化论的先驱，而达尔文将生物学改朝换代。

但是，威尔斯不为人所知（顺便提一下，达尔文是从一个喜欢考证古籍的记者那里听说威尔斯的作品的），不仅是因为他的理论没有普遍性。主要的原因是：理论基础太简单易懂了。观点过于廉价；简单的陈述几乎没有任何意义。想要提出一个好观点的人，只有通过下面两种方法，才能获得学术名望：借助理论做出新发现；或者运用理论的启示改变大众的态度，这要花很长的时间。

威尔斯和马修写到自然选择理论，仅仅是一时机智，他们没有认识到这个理论背后有多大的革新力量。威尔斯仅仅在一篇文章的附加部分提到了自然选择，如果不是躺在床上等死，他都不会去发表这篇文章。马修把自然选择的种子埋在树林里，独木不能成林（但是他不像威尔斯，至少还宣称演化是生命发展的原因）。的确，1860年达尔文道歉之后，马修严厉谴责达尔文，少有赞扬之词（没想到也责备了他自己）。他说他没有因发现自然选择而成名，原因是：达尔文殚精竭虑地为自然选择构建起框架，而他自己从事物的本质中轻易地推断出了自然选择原理。他认为如此构建理论框架是鸡毛蒜皮的、没有价值的。因此，马修也就错过了最重要的部分：

我光凭直觉、几乎不用聚精会神地思考，就产生了这个自然法则的构想，它基本上是不言而喻的事实。但是现在看来，达尔文先生的功勋比我大——对我来说，它根本不算一个发现。他似乎靠逻辑归纳才了解它是怎么回事，他缓慢地、小心翼翼地综合了很多事实、探路前行；而我只是瞥了一眼大自然的构造，就判断出物种的自然选择是一个不争的事实——这是一个公理，只要一经指出，头脑公正的人就可以充分掌握它。

另一方面，达尔文利用自然选择作为全部事业的支点。他重新解释了人类演化，重新制定了心理学的原理，还解释了兰花和拟态昆虫的协同进化，生物地理分布，昆虫的习性和行为——一整套的问题，从最大的生命之谜，到最小的奇闻轶事。他为整个行业制定了一套可行的研究程序。

达尔文在小猎犬号上进行了5年的随行考察，二十几岁时在伦敦写下了一些笔记，我还没有发现比这些笔记更激动人心的、反映人类思想的文献。他找到了开启新的生命观的钥匙，而且他自己也清楚这一点。他的思维覆盖极广，从生物到心理、道德、哲学和文学。自然选择——演化之手伸到各个角落。威尔斯和马修陈述的是同一个原理，但是他们不是忘了挖掘它的隐含意义，就是根本挖不出什么隐含意义来。达尔文，一个年轻人，坐在伦敦，重建一个思想的世界。最后这一句话，既纪念他的成就，又圆满地给这篇文章画上句号。查尔斯·达尔文给自己写的一句警示语，穿过两千多年来西方哲学的传统，至今仍令人深思：

柏拉图在《斐多篇》里讲过，我们“想象的理念”来自前世的灵魂，而不是来自经验——然而我们的前世是猴子。

23
达尔文出海记

查尔斯·达尔文和亚伯拉罕·林肯是同年同月同日生的——1809年2月12日。除了生日以外，他们还有一点相同，就是都被神化了。美国太年轻，还出不了神话英雄，所以就造了一个有血有肉的英雄代替之。小学生在课本里学到：“诚实的亚伯”为了正义解放了黑奴；亚伯追了几里路，只是为了追上一位妇女，退还少找她的几分钱。神化了的林肯也许符合美国人的心理需求，但是历史学家必须努力澄清事实真相，并且为这位一言难尽的伟人重新定位。同样，在科学中没有神，古代的大贤人就那么几个。苹果砸中了牛顿，伽利略从斜塔上扔下两个铁球，达尔文独自一人在海上，改变了知识的世界。

达尔文随“小猎犬”号环游世界考察了5年，整个世界玉体横陈在他眼前，他不戴有色眼镜观察世界，终于成了演化论者。这个传奇般的神话是最符合我们的浪漫主义标准的了：一个年轻人，远离了英国社会的束缚和偏见，直面大自然，在全世界的动植物和岩石的挑战下，捍卫着自己清新而又令人畏惧的见解。达尔文1831年离开英国，准备回来当一个教区长。1836年归来，由于见识过了活生生的演化过程、理解了（一点点）演化的启示，从此走上了演化思想家之路，这一去就不返。加拉帕戈斯群岛是主要的催化剂。陆龟、知更鸟和13种地雀唱主角——大自然提供了最好的演化实验室。

教科书是一种独特的文学体裁，是由简单的英雄主义神话构成的。但是历史学家就要很费劲地把人类从科学神话中拯救出来——但愿这样人类就能正确理解科学思维的过程了。首先，达尔文回到伦敦几个月以后，才开始变成演化论者——大概直到1837年3月（“小猎犬”号1836年10月停靠码头）。他在加拉帕戈斯群岛的时候并没有意识到演化的重要性，而且他一开始完全没有弄清13种地雀的分化是怎么一回事，连笔记都没作全，差点不能自圆其说。虽然教科书上有关地雀的那部分是短时间删不掉了，但是最近历史学家弗兰克·苏洛威（Frank Sulloway）的两篇文章已经揭穿了真相。他的说法构成了本文的主题。

达尔文研究的13种地雀在系谱上很接近，生活习性却很多样——这是“适应性辐射”的经典案例。岛上地雀所占据的生态位在普通、拥挤的大陆环境下，要用几个科才能填满。这些地雀辐射主要的线索来自它们喙的形状。有三种地雀，分别长着大、中、小号的喙。第4种长着尖而锋利的喙。这4种鸟吃不同大小和硬度的种子。第5、6种吃仙人掌，第7种在红树林中生活，第8～11种在树上生活，其中一种吃植物，另外三种吃大、中、小的昆虫。第12种与莺的形态和习性相似。第13种最为奇特，用小树枝和仙人掌的刺把昆虫从树干的裂口中勾出来。

伟大的英国鸟类学家戴维·赖克（David Lack）在书里写道，13种地雀通过定居、隔离成种、再入侵、竞争适应这四个阶段完成了演化，区别拉大了。赖克还给这些地雀起了一个适当的名字：“达尔文雀”，并以此给1947年出版的书命名。但是，与这一传奇的时代存在时代上的错误相反， 达尔文自己并不知道物种形成的这一经典描述的过程。

1835年9～10月，达尔文开始在加拉帕戈斯群岛进行考察，但是只上了其中的4个岛。1836年中，他在海上写下了《鸟类学笔记》中著名的一段话，被后来的人篡改成了神话——加拉帕戈斯群岛的经历将他转变成为演化论者；地雀给了他灵感，悟出新的生命观。达尔文其实是这样写的：

当我凭回忆描述某种陆龟的体形、壳的形状和一般尺寸时，西班牙人能马上说出来，这种陆龟产于哪个岛。我发现，这些临近的岛屿上只有少量的动物，其中大部分是这些鸟，结构上没有多大区别，生活地点也很狭小，我不得不怀疑，它们是一个物种的不同变体。我只知道一个类似的例子：西福克兰群岛（马尔维纳斯群岛）狼一样的狐狸和东福克兰群岛的狐狸很相似。只要这些说法有一丁点的事实根据，群岛的动物学就得改写了，因为这些事实会动摇物种稳定性。

首先，这段里提到的“鸟”讲的是知更鸟，不是达尔文雀。达尔文注意到，他考察的四个岛中，有三个岛上的知更鸟非常不一样。表面上看，这段话显示出了演化论的苗头，但是只要对19世纪的动物学术语比较熟悉的人，就会得出不一样的解释。所有的创造论者都同意，在有些情况下，同一物种会有轻微分化，例如，同一物种分布在列岛和群岛上、不同的生态和气候环境中，就会产生多样性。这些多样性对于创造论所主张的“物种不变”丝毫没有影响。达尔文沿用了19世纪的术语，说这些陆龟和知更鸟要么仅仅是同一物种的变种（这样说对他的创造论观点不构成威胁），要么是不同的物种（其实就是不同的物种）。他考虑到了第二种可能性，稍稍地有了一些演化论的念头，但是在船上经历了一番思想斗争，很快就把这个念头打消了，认为岛上的物种只不过是同一物种的变种（至少在知更鸟的例子上是想错了）。达尔文老年时的回忆证实了这一点：他在“小猎犬”号上，只是蜻蜓点水似的想到了演化，很快就把它否决了。1877年，他在给德国博物学家奥图·扎卡里亚斯的信中写道：“我在‘小猎犬’号上的时候，相信物种永远不变，但是我记得，我脑中偶尔闪过轻微的疑虑。”

第二段话，跟上一段合起来看，倒是可以证明达尔文1836年在船上产生了演化论的思想。他在随身笔记本中写道：“7月，打开第一本《物种变异》的笔记，3月看到南美化石和加拉帕戈斯群岛上的物种，使我非常震惊。这些事实（特别是后者）构成了我的全部观点。”我们知道，1837年7月他开始写第一本《物种变异笔记》，因此可以认为“3月份”指的是1836年3月，大约是他写《鸟类学笔记》的时候。但是也有可能指的是1837年3月，一会儿会讲到，那时候他在伦敦，跟动物学会的专家一起研究加拉帕戈斯群岛生物到底有何特征——他在考察中忽略掉的一些现象。

那么，达尔文在加拉帕戈斯群岛考察的时候，看到了什么，又忽略掉什么呢？从历史记载来看，有三类动物是最著名的演化论研究对象：陆龟、知更鸟和地雀。其中，对知更鸟所做的观察才是关键，引发了后来的演化论（虽然我们刚才讲过，达尔文一开始明确地否决了演化论的解释，认为这些知更鸟是同一种）。简言之，他注意到他去过的岛上生活着不同形态的知更鸟（后来认识到是不同的物种）。第一个去的是恰塘岛（Catham）；第二个是查尔斯岛，认识到两个岛上的鸟的标本有显著区别。因此，他后来每去一个岛，都收集更多的标本，并且为它们贴上详细的标签。根据他原作里的解释，他分不清第三个岛上的雅宝知更鸟（Albemarle）和恰塘岛上知更鸟的区别，但是第四个岛（詹姆斯岛）上发现了与前两个岛完全不一样的知更鸟。

达尔文发现的加拉帕戈斯陆龟都属于同一物种，但是大多数岛屿上都有这种龟的一个亚种。这种龟的壳的形状各式各样，有的光滑、浑圆，有的不规则前凸（甲壳凸起，直达头上）。达尔文从来没有注意到甲壳前凸现象。此外，他对这些龟有成见，导致他不可能在龟的身上做出关键发现。

副总督尼古拉斯·劳森（Nicholas Lawson）告诉达尔文：“每个岛上的陆龟都不一样，你抓一只给我看，我肯定能告诉你它是哪个岛上捕获的。”（这句话虽然很著名，但还是夸张了，因为现代的专家有时都判断不出哪个龟是哪个岛的。）但是达尔文没把这句话放在眼里，在《乘小猎犬号环球旅行》（1845年版）中写道：

有段时间，我对这句话没太在意，而且已经把两个岛上的部分标本弄混了。我做梦都没有想到，相隔五六十英里的两个岛，互相都看得见，由同样的石头组成，气候相近，海拔一样，居然会栖息着不同的生物。

由于达尔文犯了一个常见的分类错误，所以他认为，岛之间的差异不具有演化上（和分类学上）的意义。达尔文人云亦云了一回，认为加拉帕戈斯陆龟不是一个独立的物种，而是属于印度龟（Testudo indicus），印度洋阿尔达布拉岛巨大的陆龟。加拉帕戈斯的海盗捕获陆龟是不久以前的事，所以错误观念才会有市场。因此，达尔文以为，就算岛上的生物有差别，也是昙花一现、不值一提——可能是恶劣的气候造成的影响。不仅如此，达尔文从来没有见过一只活的、有前凸甲壳的陆龟。他只看过詹姆斯岛和恰塘岛上的活的陆龟，都是有着同样的浑圆甲壳。

但是，还有其他原因导致了达尔文观察上的疏忽。他没有机会观察前凸甲壳，但是其实就算他看了，他也没印象。达尔文到查尔斯岛的时候，岛上的陆龟已经灭绝了，但是移民用剩下的甲壳做了很多花盆。此外，达尔文对保存和比较标本没兴趣，也正是因此，他才不把副总督劳森的话当回事（他后来很后悔）。不仅如此，菲茨罗伊船长从恰塘岛上抓了30头陆龟，给“小猎犬”号上的人改善伙食，达尔文也没利用这个机会。苏洛威评论道：

达尔文和其他船员一路吃了这么多龟，早该做出生物学大发现了。可惜的是，到了英国的时候，30只龟已经吃光了，甲壳等不能吃的部分全被扔进了海里。

达尔文对加拉帕戈斯群岛地雀所做的观察更是错误百出。首先，他毫不关心岛与岛之间的差别。实际上，他甚至没心思记录或标出哪个标本是哪个岛上采集到的，31只地雀标本中，只有3只标明了岛屿名，3只全部都是詹姆斯岛上的独特物种。他后来在《乘小猎犬号环球旅行》中后悔地写道：“不幸的是，大部分地雀标本混在一起了。”

其次，他在雅宝岛上根本没有收集地雀标本。的确，他在这个岛上待了不到一天，但是他的日记显示，这个岛的岸边有一处泉水，泉边地雀非常多，而且很容易捕捉：“砂石地上有些小坑，里面大约有不到1加仑的水，让人很失望。不过，这么多水也足够吸引小鸟了，水边云集了大量鸽子和地雀。”

第三，除了食仙人掌的地雀和像莺的地雀，达尔文没有观察到其他地雀吃什么。他错误地认为其他地雀都吃一种食物。因此，就算他坚持演化论观点，也改不了后人对他的看法了。

第四，达尔文收集加拉帕戈斯群岛标本的风格显示，他是怀有创造论的成见的。演化论者认为变异是演化的基本要素和原料。只有收集到了足够多的标本，界定出它们变异的区间，才能给一个物种清楚地下定义。创造论者认为每个物种都有固定的“本质”，变异是讨厌的、无足轻重的、环境导致的违背理想本性的东西。创造论者一般从每个物种中采集少数几个标本，然后一心一意地寻找最接近“本质形式”的个体。达尔文采集的标本也很少，基本上每个物种一雌一雄。他总共才在加拉帕戈斯群岛上采集到了31只地雀。相比之下，1905～1906年加利福尼亚科学院的一次以研究演化为目的的远征考察，采集回来8000多只标本。

第五，也是最重要的一点：13种地雀虽然外表和习性上千差万别，但在系谱上很接近。除非认识到这一点，否则再研究也想不出演化论来。而达尔文在加拉帕戈斯群岛上考察的时候，被这些地雀的外表弄花了眼睛，没有认识到它们在分类学上是同一种，他以为食仙人掌的地雀是白头翁或草地鹨一类的小鸟；他还误认为像莺的地雀是鹪鹩或莺。这13种地雀，被他划分为两个相距甚远的科。苏洛威评论道：“由于达尔文提出了这‘适应性辐射’进化的洞见，人们以为他在加拉帕戈斯群岛的时候就顿悟出了演化论。其实，地雀越是表现出多样性，达尔文越容易将它们误认为别的鸟。”

达尔文之所以出错，是因为他遵循了创造论的分类学方法。如果动物是神按照理性、全盘的方案创造的，那么每个分类级别内一定有一些“关键”的特征。例如，物种可以由形状和大小这些“肤浅”特征来划分，而科和属这些较大的级别就要由器官等“主要”特征来划分了。理想状态下，有界、门、纲、目、科、属、种这7个级别，就应该有7个关键特征，给每一级的生物归类。在乘“小猎犬”号环球旅行时，达尔文试图遵循这种旧系统来给生物归类：同属不同种的鸟类羽毛不一样；而同科不同属的鸟类喙不一样。达尔文地雀的羽毛是相似的，但是捕食习惯和喙的形状不一样。按照达尔文的创造论分级系统，它们应该属于不同科或不同属。

在演化论的框架下看，特征分级系统毫无意义。在某一个科里能区分不同属的特征，在另一个科里就完全没用。也许喙可以区分捕食类型，捕食类型通常又能区分同一大陆里的不同属。但是假设一种小鸟从别的地方飞到了群岛，然后产生了变异，在缺乏竞争者的环境下，可以分化出很多捕食类型，那么喙的形状就千差万别，不能再作为界定一个属的标准了。演化这样地冲突、无序，是跟造物主心中的“有序”背道而驰的。决定什么身体部位在什么条件下起变化的，是当地的环境，不是什么“变化律”。可能一处环境导致行为和羽毛起变化，另一处环境导致捕食类型和喙的形状起变化。没有什么“不变的、特定的、一般的”特征。

总之，达尔文考察加拉帕戈斯群岛期间，一直是个创造论者。他收集标本的方法反映了他的理论立场。几个月后，船横渡太平洋，他在船上开始编纂笔记，想到陆龟和知更鸟（不是地雀）的时候，偶尔会考虑一下演化。但是很快打消了这异端邪说的念头。1836年10月2日，达尔文打消了这种异端邪说的念头，依然作为一个创造论者回到了英国。

达尔文后来又把地雀的问题重新写了一遍，比第一遍写得令人满意多了。他在1837～1839年写的4本《物种变异笔记》是后来作品（《物种起源》）的雏形，里面从没提到过地雀。只有在《乘小猎犬号全球旅行》的第一版（1839年版）中一笔带过了地雀的问题。的确，1845年的第二版里加进了一段类似预言的话，是达尔文认识到13种地雀其实同属一个物种以后追补进去的：

看到这种小鸟能衍生出各式各样的形态，有人可能会猜测：一开始群岛上只有一种鸟，后来产生了不同的变种。

如果关于地雀的问题只是事后诸葛亮，那么影响也不会长久。1859年出版的《物种起源》里压根儿没有提到达尔文地雀，书中唱主角的鸟类是家鸽。苏洛威总结道（和我想的一样）：

跟传说相反，似乎并不是达尔文地雀促成了早期演化论观点的产生，甚至在1837年，达尔文成为演化论者以后，他也没有由地雀推导出演化论。相反，是演化的观点促使他理解了地雀这个复杂案例。

1836年，达尔文回到英国时，是个野心勃勃的年轻人，急于在科学界成名。后来，他老年时的谦虚回忆，也遮挡不了年轻时的锐气。他知道，他能有今天的地位，全靠随“小猎犬”号航行途中采集的珍贵标本，所以他决定把这些标本转租给最好的专家，以申请到基金，来发表研究结果，他成功了。1837年3月，他搬到伦敦，多半是因为想和很多研究标本的专家为邻。他开始跟这些人一个个地见面，终于知道了他的标本的真正独特之处，在一到两个月间成了演化论者。

他在那本著名的笔记里写到，南美的化石和加拉帕戈斯群岛生物的特征是促使他转而投靠演化论的主要催化剂。英国最著名的古脊椎动物学家理查德·欧文（Richard Owen）同意研究南美洲化石，并告诉达尔文它们代表了与南美现存的动物不同的种类，个体更大。达尔文因此认识到现代不同的动物是从远古祖先进化而来的，同样的古代物种会演化成很多不同的现代物种。

著名鸟类学家约翰·古尔德（John Gould，跟我无关）负责研究“小猎犬”号运回来的鸟类标本。临近3月中旬的时候，达尔文与他见了一次面，得知他所看见的3种知更鸟分属不同的物种，不仅仅是一个创造出来的物种的不同变种。达尔文这时已经把之前否认的演化论观点重新包装上阵了：“（演化论）将会动摇物种的稳定性。”此外，古尔德告诉他，他发现的26种中有25种是新物种，但与南美大陆上的相近类型陆生鸟类关系密切。达尔文把这个信息跟欧文提供的数据做了整合，离演化论更近了。加拉帕戈斯群岛上不同的鸟类一定是南美大陆移民去的后代。这下达尔文完全认识到，应该用演化论来解释地雀的问题了，古尔德纠正达尔文的错误，为他提供了最后一块拼图（尽管古尔德自己不采纳演化论观点）。

古尔德虽然持创造论分类学观点，但是他立刻认识到，再也不能凭喙的形状判断地雀是哪个属了。他明白了，这些鸟不是像达尔文以前认为的、起源于不同的鸟类祖先、中间又混杂进几只莺和白头翁，而是13个紧密相连而又独立的物种，他把它们放在一个属的三种亚属中。“喙只是第二关键特征”，古尔德宣布。达尔文终于有了一个例子，给演化论做基础。

达尔文皈依到演化的门下，感觉无比愉悦，准备用新的眼光重读他的所有旅行笔记。但是他意识到自己没能给地雀标本贴上岛屿的标签，虽然按创造论来看这没什么，但是他还是感到这是一个让人惋惜的失误，因此很尴尬。他自己采集的标本只有那么可怜的一点，什么也做不了，一旦时间长了，就什么都记不起来了，记得的也是错的。但幸运的是，和他同船的三个水手也采集了地雀标本——而且，因为他们脑中没有创造论的成见，所以标明了哪只鸟是哪个岛上的。更讽刺的是，其中有些标本是船长菲茨罗伊采集的，船长后来成了达尔文的宿敌，当赫胥黎辩论赢了威尔伯福斯主教（Wilberforce）时，他在英国皇家协会周围走来走去，高举着一本《圣经》挥舞着、大声叫着：“《圣经》！《圣经》！”（船长采集了21只地雀标本，都标上了岛屿出处。达尔文还跟他的仆人西姆斯·考文顿和哈瑞·福勒两人“共享”了一小批标本，他们两人跟达尔文在詹姆斯岛上花了一星期采集标本。）

因此，达尔文试图把他采集的地雀标本跟同船人采集的做比较，然后重新按岛屿归类。不幸的是，他以为地雀跟知更鸟的分类方法是一样的——一个岛上一种——但是因为大多数种类都散布在好几个岛上，这一分类过程产生了很多错误。苏洛威写道，达尔文采集的15个地雀类型的标本中，有8个还缺乏精确的地理分类信息。这也就难怪他未能写出一篇有关达尔文地雀的清晰连贯的文章了。同样也就对在《物种起源》一书中找不到它们的踪迹不足为怪了。

那么，本文纠正了“地雀传说”的错误，这有什么重要的呢？传说跟现实两个版本真的那么不一样吗？在两个版本里，达尔文的理论立场都深受加拉帕戈斯群岛标本的影响。在传说（错误）版本里，他是单枪匹马提出演化论的。在现实版本里，达尔文回到伦敦以后，是他的朋友推了他一把（还改正了一些关键的错误）。

我发现，两个版本在“创造力是什么”的问题上，给人的启示天壤之别。第一个（错误）版本维护了浪漫和经验主义的看法：天才之所以成功，是因为可以拨开文化偏见和哲学假设的迷雾，看见大自然的本相。这种又纯又蠢的观点不知道孕育了科学史上多少传奇、传播了多少错误的对科学思维的看法。人类不可能脱离成见、看见事物赤裸的本质。达尔文在随“小猎犬”号周游世界时，纯粹是一个创造论者。创造力不是脱离文化的产物，而是用独特的方法运用文化之长、避其所短。科学成就是一个社会的事情，不是隐士的杰作。如果1837年达尔文没有碰到古尔德、欧文，没有在伦敦和剑桥的科学界认识这么多人，那他能做出什么呢？

一旦放弃了“达尔文一个人出海、单打独斗、赢得了学术上的胜利”这样看上去很美，实则错得离谱的概念，就可以追问达尔文真正成为天才的原因。古尔德是专家，解决了细节问题。古尔德相信创造论分类学，但是也认识到必须停止用喙的形状作为区分不同属的标准。这些，达尔文一点也做不到。但是达尔文认识到必须为这些事实重新找一个合理的解释——演化——以自圆其说，而古尔德做不到。如果站得高、望得远，即使新手也能赢得胜利，相反，专家抓住了细节，却没能看到全貌。

在后来的事业生涯中，达尔文继续以这种方式工作着。不知怎么的，他超越了旧的思维模式，看到了用新方法解释旧事例的希望，这种新方法可以为专家们没能讲完的故事添上画龙点睛的一笔。但是达尔文毕竟生活在他的文化中，和同行们一起工作。科学是集体的努力，但是有的个人的眼光更广一点——这是为什么，又是怎么做到的，没有比这更难的问题了，也没有普适的解答。但是在走上科学道路之前，必须清除头脑里的一切英雄神话。

24
玉米和杂草本是同根生

我在英国的时候，有一次听说著名的蒂珀雷里郡（在爱尔兰，曾经是英国议会的一个选区）离我待的地方不远，只有几英里，我就绕道去这个郡游览了一趟。很快我就感到上当了，想到了一个关于歧义的古老笑话：有个人向一个足不出户的碟店老板问路：“老板，极乐谷（地名）在哪啊？”老板翻出一张《极乐谷》的碟递给他。

蒂珀雷里郡久负盛名，令我浮想联翩，结果一看，只有一条主干道、几家店、几间房，使得我后来游览爱尔兰——全欧洲最美丽岛国之一的时候，脑子里全是这个景象留下的阴影。和蒸蒸日上的欧洲国家不同，爱尔兰是个人口稀少的国家，现在拥有300万人口，大约是1840年人口总数的一半。荒野上遍布着废弃的民房、农场，甚至整个镇都是废弃的。

1845～1846年，爱尔兰发生了严重的“土豆饥荒”，大约50万人饿死，100万人成了难民，漂洋过海到了我出生的城市纽约，和我现在工作的城市波士顿。这就是史上著名的大移民。土豆是一种不寻常的食物，包含了均衡的营养。什么都不吃，只吃土豆，也能活很多年。光吃土豆当然能把人嘴里淡出个鸟来，但是却能保命。爱尔兰农民经常靠吃土豆撑过漫长的冬天。但是1845年，所有的土豆都患上了枯萎病，颗粒无收，引发了史无前例的大饥荒，人们开始经由利物浦乘船逃往各地。

爱尔兰土豆枯萎病展示了农业上的一个经典难题。为了得到最高产的植株，农民和科学家会通过多代选育，找出优良性状最多的品种作为亲本，然后用它繁育出一田的土豆。这一田的土豆，基因都是一样的，没有变异。换句话说，就是牺牲遗传多样性，将赌注压在适宜度最高的一支上。

这样做，一时半会儿是行得通的，但是清一色的大军，很容易被肆虐的疾病打倒。如果某种病毒、细菌、真菌成功侵袭了一株作物，就可以摧毁整个农田里的作物。相反，在自然状况下，植物之间是有基因差异的，这样就保证有些植物受感染的时候，另一些可以活下来，下一年，活下来的抗病植物可以产生更多后代。具有多样性的种群，可以避免全军覆没，这是大自然的保护机制。

爱尔兰的土豆几乎全是一个品种，所以1845年全部死光。有很多主要农作物也经历过这样的灾害。有些学者相信，玛雅文明的神秘灭绝是由于叶蝉携带的病毒通过高海拔气流传播，一夜之间摧毁了所有玉米。现在，玉米还是会受到病毒侵害。1970年夏天，南方玉米小斑病毒以一天五十英里（约80公里）的速度横扫了美国的玉米田，所有含有“德克萨斯细胞质雄性不育”基因的品种都未能幸免于难。

为了避免这个难题，育种专家试着增加多样性，用优良品种跟不同品种杂交。对于玉米而言，作为杂交的一个主要来源，是那些外观上具有很大差异的品种——新大陆的墨西哥类蜀黍（teosinte）。例如，二倍体多年生类大刍草（Zea diploperennis），是新近发现的一个品种，是目前所知唯一对三种主要玉米病毒免疫的品种。（这个物种是多年生的，不像玉米是一年生的，因此使育种专家产生了一个美好设想：杂交以后的品种，不用每年整株收割、再播种。把玉米棒子掰下来，下一个季度还会长。）

跟玉米这么不一样的一种植物，基因结构却与玉米类似，足以杂交，这似乎有点奇怪。的确，玉米和类蜀黍刚发芽的时候是差不多的，但是开花以后区别就大了。玉米穗轴粗大，上面有多列（一排排）的玉米粒。穗轴和玉米粒属于雌性花序，生在侧枝顶端（注意，这一点很关键）。很多人以为穗轴是直接从主干上长出来的，因为侧枝很短，又完全被苞叶包住了。雄性花序长在主干顶端，产生花粉。玉米是雌雄同株异花的植物：主干上是雄性花序，侧枝上是雌性花序。

而类蜀黍有一个主干，还有很多跟主干一样长、一样粗的侧枝。雄性花序长在每根主干和侧枝的顶端，而穗轴长在侧枝的叶腋里。其实跟正宗的玉米比起来，类蜀黍的穗轴只能算是小把戏。每个穗轴有6～12颗（品种不同数目会有差别）三角形的“玉米粒”，分成两排，但乍看只有一排，因为两排三角形像牙一样互相咬合。种皮跟石头一样硬，所以没有什么食用价值，用爆米花机爆一下或者磨掉种皮，倒是还能入口。（玉米粒的种皮是很柔软的，只有靠近胚芽那部分种皮比较硬，所以玉米可以生吃。）

现代玉米（左）的雌性花序长在侧枝顶端。类蜀黍（右）的雄性花序长在侧枝顶端，雌性花序长在侧枝叶腋内。因此，现代玉米的耳穗与类蜀黍的穗雄花序是同源的。翻印自《自然史》

除了这些区别，玉米和类蜀黍杂交起来没有任何困难，产生出植株大小中等的后代。它们能杂交，看似很矛盾。其中两个基本原因，构成了本文的主题——关于玉米的祖先和起源。第一，类蜀黍可能是现代玉米的直系祖先（虽然没人否认它们的亲缘关系，但有些专家不同意）；第二，虽然类蜀黍和玉米的染色体相差不大，但是单个基因之间相差悬殊，没有一贯性。这是当然，如果基因一样，那两种植株的外观就一模一样了，所以它们肯定有些不一样。但是到底不一样在哪儿，至今还没有发现，所以就算有也是很细微的基因差异。也难怪植物学家把玉米和一年生类蜀黍都定为一个种。

玉米起源于类蜀黍理论一直有一个内在矛盾：瘦小、不能食用的类蜀黍，是怎么变成现代玉米的呢？玉米和其他粮食作物一样，都是草本植物。其他主要作物，例如小麦的起源，问题就比玉米少得多。麦穗上的种子和野草穗上的种子数目是基本一样的，只是前者种子更大更饱满。我们可以轻易理解野草是怎样通过一代代选育变成小麦的。但是类蜀黍和玉米无论是穗轴还是种子结构都相差太大了，怎能选育出来呢？

玉米的类蜀黍起源理论的标准说法是：“类蜀黍渐变成玉米。”类蜀黍穗轴渐变成现代玉米的穗轴，种子序列一排排地增加，种子坚硬的外皮渐渐变软退化。这种假设情景看上去十分眼熟，跟演化变异观点不谋而合。最早持这种说法的是卢瑟·伯班克（Luther Burbank），他是20世纪植物育种专家，巫师般的人物，他声称经过18代的选育，把类蜀黍变成了玉米。他错了。他开始使用的试验品不是类蜀黍，而是类蜀黍和玉米的杂交产物，他通过选育，只是把玉米的基因分离并聚集起来。但是，“类蜀黍渐变成玉米”这一说法却流传了下来。1980年1月的《科学美国人》杂志上，20世纪伟大的玉米专家之一乔治·比德尔（George Beadle）仍然宣称“从类蜀黍到玉米，中间是一个连续渐进的过程”。

但是这种渐变理论遇到了三大致命问题。首先，从考古记录看来，玉米是7000年前突然出现的，最早的玉米穗并不像今天的这样饱满，但是至少已经是玉米了，而不是类蜀黍和玉米的过渡形态。其次，前面已经提到过，选育专家发现玉米和类蜀黍的基因并不连贯。如果玉米是由类蜀黍渐变而成，那么从古到今，应该积累了大量的遗传变异。这两点都是消极否定渐变理论，但不能完全推翻它。它们的突然出现可能说明我们没有发现过渡类型，缺乏遗传差异可能只是意味着我们没有在正确的染色体上找到正确的基因。

第三点对渐变理论起了积极否决作用。记得前面提过，雌性花序的位置不同。类蜀黍的长在侧枝的叶腋中，玉米长在主干叶腋内。类蜀黍侧枝顶端是雄性花序，不是雌性花序。因此，从花序位置来看——我一会儿会讲到为什么位置是很重要的一个标准——如果现代玉米是从类蜀黍渐变而来，那么玉米的雌性花序就等于雄性花序。

很多玉米专家很早以前就意识到了这种雌雄同源问题，但是没有人以此为基础完善玉米起源假说。雌雄同源初听上去荒谬，但是只要解决了，就能三下五除二地连带解决渐变假说的其他问题。新的假设是：类蜀黍的侧枝变短、雄性花序变成雌性花序，而原来的雌性花序退化消失。和“雌性花序缓慢变大”假说相反，新假设强调雄性花序的突变——这就是后面将要提到的“有希望的怪物”的来历。（绝大多数大规模的变异会产生不能够适应、无希望的怪物。但在极罕有的情况之下，或许其中有一个幸运的意外机会，产生了一个“有希望的怪物”成了新种的一员，可以生存并繁殖下去。）

这种非正统的理论是植物学教授、威斯康星大学麦迪逊分校植物标本馆主任休.H. 伊尔提斯（Hugh H. Iltis）提出的。文章发表在美国一流的刊物《科学》杂志上。 [1]

我没有种玉米的执照，不能贸然判断伊尔提斯的理论是对是错。可我还是想证明，他的理论是可信的。传统达尔文主义者嘲笑一切异己解释、攻击他的理论，是因为他们急于理解演化过程，欲速则不达。

“同源”是指两个结构是从共同的祖先演化而来。同源是理清演化历程最为重要的一个概念，如果同源结构弄错了，演化之树也就绘制错了。

同源结构不一定看起来一样。有一些标准的、经典的例子，有助于人们理解功能相似并不代表同源。例如，哺乳动物中耳的听小骨和砧骨与爬行动物的下颌关节是同源的，陆地脊椎动物的肺和硬骨鱼的鳔是同源的。

那么，怎样才能识别同源、重新绘制演化历程呢？这是演化论里最难的一个问题，也没有明确的答案。没有一条普适的标准，所有规则都有例外。必须使用所有标准，逐个地筛选目前认为是“同源”的那些结构，逐个地否认或确定。相似的胚胎，会发育为不同的成体。化石记录显示，在早期哺乳动物的胚胎中，耳骨长在下颌边缘，后来耳骨越变越小，最后缩进中耳。但是，胚胎的变化可能比不上演化的改变。按照胚胎的标准来判断同源器官，还是迷雾重重。

一个貌似微不足道的细节——简单的空间结构关系，一般可以用来判断两个结构是否同源。就像儿歌唱的：“脚骨连着踝骨。”这种连接关系一般不会在演化中改变。因此，通常所说的“位置标准”可能是人们考虑最多、使用最频繁的标准。按照这个标准，现代玉米的雌性花序一定是类蜀黍的雄性花序演化来的（因为两者都长在侧枝顶端），而不是类蜀黍的雌性花序演化而成的。

为防止有些读者认为“由雄变雌”很荒谬，我提示一下：植物的胚芽和动物的胚胎通常是不分雄雌的，在不同的激素的刺激下，才会分化。例如，在胚胎阶段，所有哺乳动物都是雌性。在雄性激素作用下，阴蒂变大、卷成一个中空的圆柱体，成为雄性的阴茎。大阴唇扩张、中间接合、成为阴囊。我在《母鸡的牙和马的脚趾》第11篇里引用了雌性斑鬣狗在生长过程中体内睾丸激素值很高、使得它们的外生殖器和体型都比雄性更大、雌性统治族群的例子，说明哺乳动物性发育经历的这一共同过程。

雄性花序和雌性花序也是一个道理，所以由雄变雌很容易理解。现代玉米有时候生长变异或畸形也会出现由雄变雌的现象：由于基因突变、疾病等原因，主干变得很短；本该是雄性花序的位置上，长出一个穗轴，或者既有穗轴，又有雄性花序。伊尔提斯寄给我一张这种雌化了的雄性花序照片，是他花了31美分在威斯康星麦迪逊的超市里买到的，跟普通的玉米一个价。中间的穗轴已经完全长出了种子，旁边的三个枝上，底部是穗轴，顶部是雄性花序。伊尔提斯告诉我，“这些雄性花序跟普通玉米和类蜀黍的雄性花序一个样。”当然，这种畸形现象只能说明，花序的雌雄是可以转换的，但并不能证明玉米的穗轴是类蜀黍的雄性花序变成的。不管怎样，这个例子都有力地证明了：突变理论不管初听起来多么荒谬，还是很有道理的。

伊尔提斯把他的理论称为“灾难性性别转变”，提出了两点不同寻常的内容：第一，运用同源现象“位置标准”为指引，现代玉米的雌性花序是类蜀黍的雄性花序突变而来，不是类蜀黍的雌性花序渐变而来。第二，虽然形态改变非常突然而且显著，但是基因没有大的变化。我试着概括一下伊尔提斯所描述的8个变化阶段：

1.玉米和类蜀黍的雌雄激素随枝干传递，枝干上某处有一个临界点。从临界点上一直到枝干顶端是雄激素区，临界点下到枝干基部是雌激素区。

2.生长过程中，分化在时间上的梯度也与激素分布密切相关联。枝干顶端的部分比枝干中间的部分长得快。侧枝顶端的雄性花序比侧枝叶腋内的雌性花序分化得早。

3.枝干顶端雄性花序所需的营养比雌性花序少得多，将大部分营养留给雌性结种子用。

4.如果顶端的雄性花序突变成雌性花序，它将立刻吸收这根枝条上所有的营养，并且抑制下面所有雌性花序的生长。

5.以上步骤1～4标志着灾难性性别转变的开端，由此导致的后果是侧枝显著变短，这样枝条顶端从雄激素区移到了雌激素区，顶端的花序也变成了雌性花序。这个突变的花序会吸收所有营养，抑制下面所有正常的雌性花序的生长。

伊尔提斯在威斯康星麦迪逊的超市里买到的“玉米怪兽”。照片由他本人友情提供

6.虽然枝条变短本身后果很严重，但是使得枝条变短的触发因素一点也不严重，也许只要一个基因变异就可以点燃导火索，甚至都不涉及基因变异，因为一些黑粉菌、病毒、夜晚温度降低或者白天缩短都可以引发雌化。

7.当然，最早的类蜀黍的侧枝变短和雌化并不会一下子产生现代玉米。第一步变异有可能产生只有几排玉米粒的不完全雌性穗轴、顶端是雄性结构。多排穗轴是怎么产生的，还是问题重重。有一个假说认为，几个穗轴合并在一起并且扭转并拢，形成了多排的穗轴。但是记住，证明几个穗轴合并，几乎和证明传统的“渐变说”一样难。正如伊尔提斯指出的，类蜀黍的雄性花序比雌性花序更有可能突变增大。生物学家说，类蜀黍的雌性花序，即穗轴，是一个“长僵了的”结构——所有植株的穗轴都是一样的，没有什么多样性，永远是两排，种子很少。而雄性花序变化余地大得多，含有很多排、很多单位，提升起来快得多。

8.经过灾难性性别转变的雄性花序可以食用。因此农民用变异的植株育种并改良，由矮小的变异植株培养出更大更饱满的玉米棒子。

伊尔提斯设想，一个微小的基因突变（侧枝变短），利用植物本身性别发育的规律（激素调节、顶端优势），牵一发而动全身，导致了主要结构的改变。这个理论因此成了传统演化专家嘲笑的靶子，但是在我看来，有些地方还是非常可信的——“有希望的怪物”的观点；以及突变的观点（演化是跳跃性前进）。伟大的德国遗传学家理查德·戈尔德施米特（Richard Goldschmidt）在一系列书中提到这个观点，其中登峰造极的是他1940年的书《演化的物质基础》（The Material Basis of Evolution ）（最近由在下作序、耶鲁大学出版社再版）。可惜，戈尔德施米特提出的“有希望的怪物”理论，此后便成了喜欢强调渐变，又喜欢排除异己的正统达尔文主义者极尽讥讽的对象。戈尔德施米特受到最不公平的待遇：他的书没有人读，他的理论被人丑化挖苦。

极端达尔文主义者对“有希望的怪物”提出了三点讽刺性的否定意见。伊尔提斯关于玉米起源的理论以正确和灵巧的形式很好地阐明了“有希望的怪物”理论。对所有三种观点提供了明确的矫正。

第一，他们谴责戈尔德施米特的理论表现出“对无知的盲从”——完全依赖一些变化无常的随机事件。难道我们不知道几乎所有主要突变都是有害的吗？戈尔德施米特自己都承认大多数肉眼可见的变异会导致生物死亡——用他自己的话来说，大多数变异生物都是“无希望的怪物”。少数有希望的怪物活了下去，只是因为遗传底子厚，还撑得住。有希望的怪物不是个别、微小变异，而是大规模的变异，包括群体的性别和胚胎。在伊尔提斯的理论中，类蜀黍之所以能够成功地突变，是遵循了植物性别发育和激素分布的规律。这样的大规模变异和生命规律是不矛盾的，也没有突破基本机体结构的极限，所以可以成功存活。

第二，极端达尔文主义者否认“有希望的怪物”理论，是因为他们认为遗传系统不可能包含有未知的、大规模的不协调因素，不可能有大规模的基因突变。的确，戈尔德施米特快退休的时候不幸地将“跳跃性形态突变”跟“重要的基因突变”（系统突变）搞混了。但是，在他最初的版本里，有希望的怪物是由微小的基因突变导致的连锁形态突变，和伊尔提斯所说的“侧枝变短”基因突变导致性别转变一样，都是可信的，且与正统演化论不矛盾。

第三，有希望的怪物就算活下来，找谁做配偶呢？独木不成林，而演化需要一个种群的改变。一个变异个体和一个普通个体一般不可能有后代。但是伊尔提斯的理论避免了这个问题，因为人类可以帮助类蜀黍改良育种。变异的类蜀黍完全可以有后代：主干顶端是雄性花序，侧枝顶端是由雄变雌的花序。

伊尔提斯的理论有一个有趣且不寻常的特征：类蜀黍的演化夹杂进了人类的干涉因素，不仅通过选育提高了种子质量，也使得变异能够一代代传下来——在自然界中，两个不同的物种也可以相互作用。如果完全放在自然界中，由雄变雌的类蜀黍可能是没有后代的——种皮将种子包得牢牢的，侧枝又非常短，种子不能繁殖。没有人的帮助，种子就会烂在地里。但是农民可以剥去种皮、种下种子——将最没希望的怪物变成最有希望的、最有用的怪物。

玉米是世界第三大粮食作物，产量比小麦和大米少不了多少。起源于新大陆，养活了半个地球。今天，人类每年种植2.7亿英亩玉米，产出大约90亿蒲式耳（斗）粮食。大多数并不是用来做了墨西哥卷或者洋芋片，而是喂了牲口——以满足人类对肉类的需求。人类需要玉米过上舒服的日子，但玉米也需要人类，只是为了生存。

注解：

[1] 　正如所料，伊尔提斯的理论很快引发了传统捍卫者的齐声攻击。读者们若想更深入了解这场舌战，可查阅两位研究玉米的“开山老怪”：伽里纳特（Walton C. Galinat）和曼格尔斯多夫（Paul C. Mangelsdorf）的评论文章，还有伊尔提斯对此的回复，均出版在1984年9月14日的《科学》杂志上，第1093—1096页。伊尔提斯的文章发表后不久，曼格尔斯多夫的书《玉米》（哈佛大学出版社）就出版了，书中详细地介绍了这种造福人类的庄稼的方方面面。

染　地球和地外生命

25
左右受气

最有力地指出生物是一个不可分的有机整体的，不是生物学家，是一位诗人。威廉·华兹华斯（Willam Wordsworth）在浪漫诗歌《书桌，走开！》（The Tables Turned ）中写道：

甜美是大自然带来的熏陶；

我们爱干涉的才智

总错误地扭曲事物美丽的形式：

谋杀似的分辨一切。

尽管我很赞赏大自然是一个整体的观点，但这首诗里弥漫的反智主义气息总是让我心神不宁。因为它暗示着：任何分析事物、努力理解事物的企图，都会破坏一个复杂的系统，将其碎解成组成成分，不仅是无用功，而且不道德。

但是持反面观点的人，对整体论也进行了同样的丑化和反驳，不过言辞没有诗人这么尖锐就是了。研究生物系统的科学家，总是把生物一分再分，直到分子水平，他们也经常嘲笑那些坚持“生物是一个有机整体”的生物学家。在这种过分简单化的二分法中，两派甚至还互相起了绰号。无限细分的那一派叫“机械论者”，认为生命只不过是组件之间相互的物理化学作用。不可分那一派叫“活力论者”，坚持认为生命本身就是一种“特别的东西”，凌驾于物理化学之上，甚至跟“基础”科学不搭界。这样看来，一个人要么是一个没心没肺的机械论者，要么是一个虚无缥缈的活力论者。

我经常对人类通常具有的倾向感到有趣，对于那些问题的答案并不在可能性的两个极端的复杂问题，人们通常喜欢对它们进行两分，让一类处于一个极端，而让另一类处于另一个极端，并且毫不顾及其中的精妙之处和中间状态，而且总是互相进行人身攻击。就像吉尔伯特和沙利文的歌剧《伊奥兰瑟》（Iolanthe）中，聪明的海盗威利斯有这样一段唱词：

我经常觉得，大自然很有喜剧感。

它怎么总能把每个刚出生的男孩和女孩，

分成小自由，和小保守！哗啦啦！

今天，分类有所改变，但是我们还是分成左派右派，要么赞成核能要么赞成太阳能；不是支持就是反对堕胎。在错综复杂的问题上，由不得你立场模糊（但我以为，唯一不能立场模糊的，就是棒球比赛规则）。

因此人们有了成见：生物学家不是机械论者就是活力论者，前者主张把生物无限细分、分到物理化学能解释的程度，一点也不顾及有机体的完整性；后者提倡一种特殊的力量赋予生命意义，现代神秘主义会殃及科学的完整性。来看个例子：1983年9～10月的《哈佛杂志》刊登了伍兹荷（Woods Hole）海洋生物学实验室的一篇著名论文，谈到一个科学家用物理学的方法来研究神经科学的问题：

按照科学家中的哲学家们的说法，可以认为（他）是一个“还原论者”或“机械论者”。他相信机械定理和电磁力原理就足以解释神经范畴的所有现象。相反，活力论者坚持认为某些维持生命所必需的原理、某些“生命的闪光”，将生物和非生物区分开来。顽固的活力论者托马斯·亨特·摩根（Thomas Hunt Morgan）曾经尖酸地指责那些把生物比做机器的科学家，说他们就像“野蛮的印第安人，把火车弄出轨，在火车头里面找马”。大多数机械论者反唇相讥，说对手的活力论就是黑魔法。

这种二分法是大多数生物学家所持观点的荒谬说法。尽管现实中我知道的本文定义的机械论者寥寥，而且从来也没有遇到过一个活力论者（19世纪的时候他们还争得你死我活）。大多数生物学家，包括伟大的遗传学家摩根（跟20世纪的所有科学家一样，他也是反对活力论的），采取的是一种中立的态度。极端情况可能是新闻报道的好材料，而且讨论起来很简单很方便，但是在真正科学研究中采取极端立场的科学家还是没几个。如果能理解为什么大多数科学家采取中间立场，大概就能评判为什么以前人喜欢一分为二地看待复杂问题了。因此，我写这篇文章主要是展示一位美国生物学家，欧内斯特·艾弗瑞特·贾斯特（Ernest Everett Just），是怎么样通过自己的生物学研究，确立并捍卫这种中间立场的。

中间立场的观点是：由于生命从结构到功能都很复杂，所以不能被拆解到分子水平，用物理化学定理来解释，微观的规律不适用于整体。中间立场不是折中，而是两种极端观点都反对：既不认为还原论能记录生命的奥秘，也不认为生命本身有什么独特的“闪光之处”。生命的规律是有级别的：从原子、分子、基因、细胞、组织、有机体到群体，复杂性不断增加；原子和原子、个体和个体之间，每个层级都有它自己的交互作用规律，跟其他层级的都是不同的。高层级的规律不能用低层级的来解释，因为它们的交互作用是不同的。所以，我们需要一些新的原理，不仅能完全解释生命的复杂性，而且还能跟物理化学规律互不冲突、相互补充。

这种中间立场可以命名为“组织论”或“整体观”；代表了大多数生物学家以及那些体会过生物学复杂性、对生物学苦思冥想的物理学家所持的观点。1944年，20世纪伟大的量子物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schrodinger）退休前不久，转而思索生物学问题。他写了一本著名的书《生命是什么》，很好地支撑了这种中立观点：

就我们学过的所有生物结构知识而言，生命不可能按照普通的物理规律来运作，我们必须预料到这一点。而且，也没有什么“新的力量”引导着生物体内原子的运行，因为生物的构造，跟物理实验室里的所有试验品都是不一样的。

薛定谔接着打了一个醒目的比方。他把普通物理学家比做只懂蒸汽机原理的工程师。当这个工程师第一次看见更为复杂的电气引擎时，虽然他不懂其中的原理，也不能用蒸汽机原理来解释，但他并不会认为是某种内在的神秘力量在驱动引擎：“他不会因为看到引擎没有锅炉和蒸汽、只要按下按钮就可以转动，而怀疑电气引擎是一个鬼在操作。”

贾斯特是一位爱思考的胚胎学家。经过研究实践，他也产生了一套相似的整体观。贾斯特1883年出生在南卡罗莱纳州的查尔斯顿 [1] ，1907年从达特茅斯学院毕业，在毕业典礼上作为学生代表讲话。他大部分的研究都是20世纪20年代在伍兹荷海洋生物学实验室完成的。30年代，他又在欧洲的很多生物实验室访问、做研究，1940年纳粹占领法国的时候还被短暂拘禁。被遣返回美国之后，他身心疲惫，1941年58岁的时候死于胰腺癌。

贾斯特一开始是个高级实验员，在细胞水平上研究受精问题，秉承了伍兹荷实验室一贯的细心、描述性研究的传统。自从到了欧洲以后，他的事业进入了一个新的阶段：他对细胞膜的生命现象非常着迷。研究方向的转变直接来源于他对受精问题的研究和对一个旧问题的思考：精子是怎样穿过卵子表面的薄膜、卵子其后又发生了什么物理化学反应呢？同时，贾斯特的研究越来越有哲学气息（但他从没放弃试验），慢慢地，在极端的机械论和活力论之间产生了一种整体论（或称组织论）的观点。1939年，贾斯特发表了论文《细胞膜的生物学》（The Biology of the Cell Surface ），详细解释了这种生物哲学，这背后的直接原因是他越来越渴望知道，细胞膜是不是一个整体。

贾斯特这篇作品只是个开端，后续作品接二连三地问世。他不仅对精子卵子遗传物质如何结合、胚胎如何构建（还原论者感兴趣的经典话题，因为他们总想用细胞核基因展开来解释胚胎发育）感兴趣，他思考得更多的是：受精对整个细胞（特别是细胞膜）的作用、细胞核和细胞质的相互作用以及这种相互作用对细胞分裂与胚胎分化的影响。

贾斯特具有非凡的试验技巧，可以围绕着他那个时代主要的理论问题设计简单精巧的实验。他的第一篇论文展示了：精子进入卵子的那一点的位置决定了卵裂的位置（受精卵第一次分裂，叫作卵裂），至少某些种类的海洋无脊椎动物的受精卵是如此。他还证明了卵细胞膜是“等位面”，也就是说，精子从卵子表面任何一点上进入的概率是一样的。与此同时，生物学家还在进行着激烈的辩论（又分成两派啦）：预成论者认为精卵结合之前，卵子中就有未成形的器官了；后成论者认为胚胎是从一片混沌中逐渐长出分化的器官（详见本书第9篇）。

贾斯特的这两条试验结果支持了后成论的观点。这篇论文也构成了贾斯特后来整体观的基础——他总是把生物当作整体来考虑，例如完整的卵细胞膜以及生物和环境的相互作用（预成论和后成论是矛盾的，前者认为个体的命运由生殖细胞决定）。

我认为贾斯特早期的受精卵试验使得他产生了比较成熟的整体论观点。第一，在伍兹荷实验室的时候，他的技能就是同辈人中出了名的。他坚持规范操作流程，保持实验室整洁。他与水族箱里的海洋无脊椎动物具有一种超凡的默契。他知道它们一般呆在哪里，还了解它们的生活习性。他可以在实验室条件下从动物体内抽取卵子、保持它们正常健康。他还为那些掌握了最新实验技术、对自然史却了解甚少的年轻研究者提供技术上的指导意见。

因此，贾斯特比任何人都了解，健康正常的卵子在受精卵试验中是多么重要——要成长为正常的个体，卵子的完整性可不能打折扣。他一次次地证明了，有些著名的科学家所做的著名试验是无效的，因为他们技术不到家，用了将死的或异常的细胞，得到的非正常结果，是由于试验品本身干扰，而不是试验干预的结果。例如，有人做了一套关于发育异常的试验，卵子和其他物种的精子结合后，胚胎产生了异常。而贾斯特否决了这套试验，他证明了胚胎发育异常不是其他物种精子的杰作，而是试验者使用了垂死的卵子（试验条件下的温度和水质不达标），使得受精过程异常、卵子回天乏力。

贾斯特也嘲笑很多试验者缺乏自然史常识、知道物理学和化学最新最花里胡哨的信息，却对有机体很不了解。他们认为精子和卵子是“材料”（我也有相同的感觉，现代的还原论者把试验用到的活细胞和组织叫作“制备剂”），而且不考虑试验物体的健康状况，看不出它们是正常还是非正常。贾斯特写道：“如果不把卵子的健康程度考虑在内，使用亚健康的卵子，那么试验结果可能完全会被卵子的健康程度所左右。”

其次，更重要的是，贾斯特经过20年的受精卵研究，不可避免地对细胞膜产生了兴趣并且产生了整体观的哲学思想。因为他的工作主要是关于细胞受精过程中膜的变化，他很快意识到细胞膜并不是平板一块、被动接收，而是一个复杂系统、细胞组织必需的一部分：

不能把细胞膜和细胞质当成是被动的、与活细胞物质分离的结构。外质（指细胞基质外部的胶化区）不仅是一道遏制细胞质流动的屏障、一道将细胞质与外界隔离的水坝，而且是细胞活动的一部分。

后来，在追寻整体论哲学思想的过程中，贾斯特再次强调，细胞膜是细胞与环境产生交互作用的场所——“交互作用”是一个不可能被细分成化学单位的复杂生物因素：

细胞里没有一个部分能像它（细胞膜）一样与外界产生紧密联系：维系活细胞的体积、缓冲四周的攻击，而且还是细胞与外界交流的途径。

此外，贾斯特通过卵裂试验证明，细胞膜在受精过程中是一个连续不可分割的整体，即使精子只进入某一点，也会引发细胞的整体反应。既然细胞膜可以牵一发而动全身，还有什么理由把细胞细分到分子水平、用化学原理解释细胞功能呢？

在精子的作用下，卵细胞膜先让路，然后恢复原来形状；随着精子主动钻入，卵细胞膜凹陷进去然后又弹回来，大约用了一两秒钟的时间。接着，精子突然不动了，顶端埋进卵细胞膜的凹陷里，这时候原本透明的外质变得稠密了。之后20秒，从结合处开始，整个外质都变稠密了。然后，从结合处产生了一道波，横扫卵细胞整个表面，像一道闪电般，把外质又变回原来清澈透明的样子。

随着工作的进展，贾斯特越来越频繁地提到细胞膜的重要性，终于到了不可收拾的地步。他很聪明地反驳了还原论的“细胞的所有特点都是由基因决定的、细胞器是被动产物”假设，但是他提出的相反观点“外质调控细胞核的运动”也站不住脚。此外，他提出“生命史就是一部外质逐渐占有控制优势的历史”，由于神经细胞的表面积大、现代动物比过去动物的脑容量大、人们又普遍认为演化就是智力上的进步，所以贾斯特也受到了影响。下面的一段话，显示了贾斯特的出色文笔，但是除了将人搞晕之外，没有启示意义：

我们的头脑能够容纳星球的运动、地理位置、电子的知识，因为我们的思想是细胞外质和非生命世界成千上万年交互作用的产物。

贾斯特不幸就不幸在：他的书出版后不久，电子显微镜就问世了。贾斯特借助传统的光学显微镜无法看到细胞膜的微观结构，只有从外质透明度的变化来推测发生了什么反应——虽然条件有限，但是他还是成功了。然而，他死后不到十年，大部分心血都过时、废弃了。

于是，贾斯特也沦落到了无人知晓的地步。部分是因为他发表太多反对大家的意见、把自己孤立了起来；部分是因为他的技术有限，自己又不知道技术落后的不良后果。但是，现在的人对贾斯特的作品视而不见，是不公平的。

第一，细胞膜是一个整体，而且具有重要的作用，这一点他基本说对了。有了电子显微镜以后，就能看清细胞膜的结构了——这个话题本身很复杂、很迷人，值得写一篇文章来探讨。此外，人们也接受了贾斯特所说的“细胞膜不是被动的屏障，而是细胞中起主动作用的一个必要组成部分”。最受欢迎的大学生物教科书（《生物科学》，Keeton著）里面有这样一段：

细胞膜不仅有维持细胞形状、保护细胞的作用。它还是活细胞中起主动作用的一个部分，阻止某些物质进到细胞里面去，阻止某些物质外泄。它调节着物质在细胞内部井然有序的与无序的外界环境之间传输。所有物质，只要出入细胞，都要通过细胞膜这一屏障。

第二，也是更重要的一点，无论贾斯特实际上看到的细胞膜是怎样的，他都用自己的观点来建立一套整体观的哲学思想，体现了一种理智的中间立场，在机械论和活力论之间保持平衡——这种明智的哲学思想今天仍具有启发性。

我们可以通过总结它的三个主要前提，对贾斯特的整体观哲学思想进行概括，视之为对机械论活力论之争的一个调解。其一，生物规律和物理化学规律不矛盾；只有符合“基础”科学的才能称得上是生物学。贾斯特书的开头是这么写的：

生命都是物质组成的。和非生命物质一样，终究都含有分子、原子、电子。就像自然界的其他物质一样，它们都有化学结构和物理性质，都是物化系统。因此物理和化学规律也适用于生物。如果有人否定这个事实，便是否认对生物进行的任何科学研究的可能性。

其二，物理化学定理不足以解释复杂的生物体，因为由于组织和相互作用的结果，它们具有新突现的特征。只能通过直接研究完整的、正常状况下的生命系统，才能理解生物的这些特性。贾斯特在1933年的文章里写道：

我们经常努力证明生命完全是机械化的，并且竟然以“生物体是机器”作为出发点！于是我们忽略了原生质的动态机理，生物有能力进行自我调节。生物之所以是生物，是因为能够自我组织，而不仅仅是把每个部件叠加起来。原生质的这种自组织特性……是生物的首要特性，将生物学和物理化学分家……生物学也不是空洞的活力论，鼓吹什么原生质里有一些物理学化学不能解释的东西。这种“东西”，就是原生质特殊的自组织特性。

贾斯特也用了一个醒目的比喻，说明机械式研究方法的不足：

活体消失了，只剩一些零部件堆在一起。按照这种方法，分析越精确，研究对象的生命消失得越无影无踪。就像雪花落在窗玻璃上，好奇的孩子用温暖的手指一碰，雪花就融化了。我想，现在的研究者大概很少会赞成下面一个既天真又严肃的比喻，是从前一位著名生物学权威提出的：研究火车的人把火车拆了理解它运转的机理，研究鸡蛋的人打破鸡蛋来理解它的发育规律……我们希望，实验胚胎学把卵作为研究对象的日子一去不复返。

其三，即使物理化学规律不足以解释生物现象，也不能表示有什么神秘的、与基础科学矛盾的东西在后面作祟，而只能说明科学有层次、术业有专攻，生物是一种更高级的组织形式，当然有不一样的特性：

研究生命，必须以活体单位的组合体为研究对象，绝对不能盯着更低等的东西，而忽略了生物赖以存在的组织规律。永远不要降格研究单个的化合物，更不要研究比化合物更加低级的物质……物理学家盯着最小、不可见、不可分的粒子。研究生命，就要研究它独特的东西。

最后，我必须重申，贾斯特的这些说法并不是他个人独创的，而且很常见。大多数生物学家都以此为行事标准，因此也就反对机械论活力论二分法的存在。中间立场既切合实际，又很受欢迎。我选择贾斯特做例子，是因为纵观他的事业，他是慎思、独立探索复杂现象的生物学家的典型。还有，贾斯特让人敬佩的一点是：别人都是在脑子里想想，只有他清楚地表明自己的中立观点。

如果写文章仅仅是为了快刀斩乱麻，那本文到此也应该结束了。但是不行。贾斯特一生自发地为生物学正名，而我在他死了以后，才不痛不痒地说上这几句。他从没有得到后人承认，这可能因为他自己的一项生物学特征——可能无关紧要，但确实是事实——贾斯特是黑人。

今天，在常春藤院校做毕业演讲的黑人学生代表已经不在少数，而1907年的时候，贾斯特可没有多少选择余地。给贾斯特写传记的麻省理工学院科学史专家曼宁（Kenneth R. Manning）写道：“受过教育的黑人只有两条路，都不很宽：要么做教师，要么做牧师——而且只能给黑人布道。”［《科学家中的黑人太阳神：欧内斯特·艾弗瑞特·贾斯特的一生》（Black Apollo of Science: The Life of Ernest Everett Just ），曼宁著，1983年牛津大学出版社出版，是一本极好的传记书，也是近年来我读过的最好的人物传记。曼宁的书讨论了贾斯特一生无休止地争取资金、与教育机构和研究机构之间的复杂关系，但是对于他的生物学事业讲得很少——所以我想用本文来补充。］

所以贾斯特去了霍华德大学，几乎一辈子都在那儿做研究。霍华德是一所声望很高的学校，但是没有研究生部，无论是教学还是管理人手都很紧，搞得贾斯特没有时间做他热衷的事业。但贾斯特是打不倒的。他勤勉地、孜孜不倦地提高自己，从每个对黑人科学家友好的慈善组织寻求资助——还是比较成功的。他筹集到足够资金后，每个夏天都在伍兹荷做实验，发表了7篇以上的论文、出版了2本书。这些都只是他“业余”的研究成果，他克服了无数的外在障碍和心理上的困难。

但是，怀有种族歧视的人诋毁他，赞助者一直又以家长作风压他，终于将他压垮了。他甚至不能奢望在白人占多数的院校里顺利地搞研究，伍兹荷实验室里的闲言碎语积少成多，最终使贾斯特这样高傲的人不能忍受。如果他做一个“温良谦恭让”的黑人科学家，至少在那个虚伪的世界里还能生存下去。例如，乔治·华盛顿·卡佛（George Washington Carver），他谨记了布克·华盛顿（Booker T. Washington）的“黑人应当迟钝而谦卑”教条，穿得跟农民一样，用毕生精力帮助黑人农民将花生“物尽其用”，就被当作黑人科学家的楷模。但是贾斯特喜欢好衣服、好酒、古典音乐、各种肤色的女人。他希望追寻最高境界的理论研究，而且的确也出人头地了。他说，他预料到自己的理论跟著名的白人科学家唱反调，而且说话时态度很强硬（尽管他一般表现得比较谦逊）。

贾斯特拼命去追求的一样东西，不是名望，而是让别人只按照他的研究的好坏来评判他，但他永远没有得到。他最大的赞助者只是以家长对小孩的态度来要求他，说：忘了你的研究吧，别把它太当回事，慢下来，回霍华德去吧，学卡佛，做“你们种族的榜样”吧；放弃个人目标，把你的一生用来培养黑人医生吧。如果贾斯特是一个同样有才的白人，会碰上这样的遭遇吗？

最后，跟所有其他黑人知识分子一样，贾斯特一个人流亡到欧洲去了。20世纪30年代，他在那里终于找到了他所想要的——欧洲人允许他做一名优秀的科学家。但是他的快乐和成果是短暂的，随之纳粹终于变成了现实，他被赶回了老家霍华德学院，使他中年早夭。

贾斯特是一个聪明人，他的一生充满了强烈的悲剧色彩，但是不能将他描绘成一个平面化的英雄。他太迷人、复杂、令人捉摸不透，不能用一句话来概括。骨子里是保守的，但又有一些精英思想，他从来不把自己当作弱势群体看待，每一次粗暴冷淡的拒绝对他来说，都是微不足道的。他的愤怒是深沉的，他被欧洲接受时的喜悦是崇高的，以至于在20世纪30年代完全误解了意大利的政治局势成了墨索里尼的支持者，甚至直接从杜切利诺（Il Duce）那里要资助。

但是这样一个连祖国都不能接纳他的人，我们怎么忍心评判呢？贾斯特的遭遇的确是比大多数黑人好得多，有个比较好的工作，经济上较为稳定。但是，人活着不只是为了吃饭。作为一名知识分子，渴望自己的观点和成就能被严肃接纳的人来说，他与生俱来的权利被剥夺了。我自己是搞研究的，有亲身经历，知道研究是我的乐趣和需要。科学是我的灵魂之火，其他有成就的科学家也是同样的感觉。（有一位著名的同行，曾经告诉我，他把研究当作最有乐趣的事，因为它是“接连不断的高潮”。）贾斯特的痛苦，跟美国黑人所受的苦比起来可能算是小的，但是却更深、渗入骨髓、折磨灵魂的。最能理解生物整体观的人，自己的生活却是不完整的。至少，我们应该在他百年诞辰的时候，想一想他花了大力气建立并展示的那些观点。

26
意识和超意识

哈里·胡迪尼（Harry Houdini）是位技艺高超的魔术师和逃脱大师，揭开了很多假装能通灵的劣等魔术师的幌子。他写过两本书，《奇迹贩子和他们的手段》（Miracle Mongers and Their Methods ，1920）以及《灵魂中的魔术师》（A Magician Among the Spirits ，1924）。曾经信奉唯灵论的阿瑟·柯南·道尔（Arthur Conan Doyle）也许正是看了他的书，才把福尔摩斯写成充满怀疑精神的理性主义者。但是胡迪尼还是晚出生了几十年，没来得及帮助一些已经皈依唯灵论的维多利亚时代晚期的知识分子——一批杰出的科学家，包括达尔文探索自然选择的搭档、哲学家亨利·西奇威克（Henry Sidgwick）和阿尔弗勒德·拉塞尔·华莱士（Alfred Russel Wallace）。

华莱士（1823—1913）从未对自然史失去兴趣，但是他晚年醉心于一系列今天看来是怪癖（或至少异乎寻常）的活动，他自己认为这些活动是有一条共同主线的——反对注射预防针、崇尚唯灵论，企图证明：即使宇宙中存在意识，但是地球才是宇宙中唯一产生意识生物的地方；人类的躯体是分开的、精神是相通的——演化论者里第一位著名的外星生物学家是这样说的（见华莱士的书《人在宇宙中的位置：对一元或多元世界科学研究结果的研究》，1903年出版）。

华莱士的第一个论证“宇宙是有意识的”并不复杂。我认为它明显缺乏证据，而且离奇有趣。因为它未能免俗、跌入了西方思想长久以来就有的一个陷阱——将希望粉饰、合理化，当成现实。简言之（具体过后再讲），华莱士考察了一下地球、太阳系、宇宙的物理结构，就下结论说“如果任何部分在刚形成的时候有一点点不一样，就不可能出现有意识的生命。因此，宇宙一定是智能设计的，至少产生生命的那一部分是。”他做出结论：

为了造出一个每个方面都适合进化出人类的生命世界，必须先要造一个广大而复杂的宇宙，环绕在人类周围，就像我们今天所知的宇宙那样。

如果有证据表明，宇宙有意识而且意识是可以脱离实体存在的，那么还会有人怀疑灵媒师能不能与亲爱的死去的乔治叔叔对话吗？

华莱士的论证是有些古怪，但是有一点让我尤为吃惊。过去十年间，就像俗语所说的旧瓶装新酒，华莱士的理论又披上新的外衣包装上市了——脱去了原来忧郁的传统科学外衣，换而主张古老的真理，再加上一点儿灵性的力量，为它在宇宙中找了个合适的位置。对于我来说，他的论证还是同样的烂，只不过这次，华莱士的理论被加入了一些微妙的调料，运用了非正统的方法来演绎。

另外一些科学家把这个理论叫作“人择原理”（anthropic principle），意思是在自然定律和宇宙结构出现之前，智能生物就存在了。物理学家弗里曼·戴森曾经骄傲地提出一个词：“泛灵论”（animism，又译万物有灵论），这个词不是指生物或有机体，而是源于拉丁词根anima，就是“灵魂”的意思。［戴森自传《宇宙波澜》里的一篇文章《设计论证》（The Argument from Design ），对人择原理进行了很好的阐释。］

戴森一开始先给读者一点希望：

在这个宇宙中，我不想做一个局外人。我越是对宇宙进行研究，越是研究宇宙结构的细节，我越觉得宇宙知道我们在研究它。

他的论证基本上就是罗列智能生命产生所必需的物理规律，只要当中的物理常数有一丁点的不同，物质状况就会毁灭，人类就不会产生。他写道：存在数字上的巧合，意外地导致了宇宙可供栖居。

戴森指出：想想把质子和中子结合为原子核的作用力吧。这个作用力强度刚好把带正电荷的质子结合在一起，但是假如再强一点，就会形成“双质子”（实际上不存在）。他提醒我们：也许生命演化必须由恒星，例如太阳，以恒定速率提供能量，持续几十亿年。假如核力再弱一点的话，氢气就不会燃烧，重元素就不会存在。如果核力强一点形成双质子，那么几乎所有氢原子都会以双质子的形式存在，恒星的核心内就不能留有足够的燃料，持续燃烧几十亿年。由于每个星系需要一颗能够燃烧几十亿年的恒星，他说，那么核力必须在一个非常小的范围中，生命才有可能产生。

戴森又举了另一个例子，这次是从宇宙的物质形态来论证，而不是从物理定律来论证。我们的宇宙有一个尺度，在银河系这样典型的星系中，恒星和恒星之间的距离平均是200万亿英里。假如平均距离是20万亿，那么宇宙变得更拥挤了，其结果就是：大约每隔35亿年，另一颗恒星会靠近太阳系，把地球拉出轨道，所有生命都将毁灭。

然后，戴森得出一个不正确的结论，构成了泛灵论（人择原理）的基础：

宇宙结构与生命和智慧的需求之间奇妙的和谐，表明了是一个伟大的头脑在进行布局谋篇。

这篇外表光鲜、骨子里腐朽的论证，最核心的谬误，还是在于对历史的看法有偏差。任何复杂的历史结果——例如，地球上有智慧生命——都是经历了千万次“不可能”以后产生的，因此变得十分不可能。但总会有些事情发生，即使是任何特别的事情都会让我们觉得不可思议。我们可以指着任何结果说：“它是多么奇妙啊！如果自然规律有一点点的偏差，今天根本就看不到这种世界了。”

有了这么多的“不可能”，我们是不是能总结出万物起源、解开谜中之谜呢？假如宇宙是由双质子的原子构成的，难道宇宙就会变糟、不合理、就没有可能产生生命了吗？难道可以下结论说，某种神只偏爱现在这种氢原子吗？这样的神存在吗？同样的，两个宇宙不一样，就是因为我们的宇宙里有偏袒我们的神、另一个宇宙里没有吗？如果有这种无实体的意识存在（反正现在不管我有没有科学根据，我都死定了），他一定会偏袒地球这种生命方式，而厌恶遗弃双质子宇宙的生命方式吗？在双质子的宇宙里，没有成型的物质，除了这点以外，还有什么能证明意识可以脱离实体存在呢？是不是所有宇宙意识，都要强行命令它选定的宇宙感觉到它的存在呢？

假如现在回过头来看华莱士版的人择原理，就更能理解为什么这是美好的空想，没有理性作依据。首先，得提一下戴森版和华莱士版的一个显著区别：戴森不反对宇宙中存在多种智慧生命。华莱士坚持认为人类是独一无二的，只存在于银河系这块有限的空间里，他给出了很多复杂的证据，杜绝了其他星系产生生命的可能性，目的就是证明只有地球上才能演化出智能生物。我不知道华莱士的信念来自什么更深的东西，我也不喜欢通过心理传记来研究人，但是下面这段话（摘自他的《人在宇宙中的位置》）明白无误地表明了华莱士追求个人需求胜于探索科学事实。他写道，宇宙中预先存在的、超越一切的意识，只会允许一种形式的智慧生物存在：

它只会在广漠无垠、变幻无穷的宇宙中放入一种生物。它会在人类精巧的身体里注入活的灵魂——和它具有一样的才能、雄心、善与恶的能力——它在任何地方，任何世界都会这样做的，这很容易。它还会让人类知道自己仅仅是一种动物，是宇宙中的沧海一粟，对自己的出生完全没有准备，也许还会认为自己是二等恶魔、三等或四等的泥土。

华莱士和戴森的观点的第二个区别是：华莱士认为，不管宇宙中只有一处还是多处智慧生命存在，只要宇宙结构有一点点不同，就不可能演化出生命。因此，宇宙一定是智能设计的。这一点，充分暴露了华莱士以及现代人择原理支持者真实的身份（创造论者）。华莱士提到他的支持者（包括戴森）时这么说：“他们相信，宇宙中有很多复杂的力量，似乎能控制物质，如果它们不是由物质构成的，那就一定是智能的产物。”

但是华莱士用人择原理支撑起来的宇宙和戴森所设想的没有太大差别。如果同样的观点可以应用于物质如此不同的安排中，那么，我们没有理由怀疑：人择原理到底是感情用事的产物，还是逻辑产物呢？戴森头脑中的宇宙就是我们大家今天所熟悉的宇宙：体积无比巨大、星系众多，一个星系在宇宙中只不过是沙滩上的一粒沙。而华莱士心目中的宇宙错误百出，是昙花一现的“新天文学”（他同时代的人自豪的称呼）的产物，是根据恒星光谱分析推导出的最早的、错误的结果。

华莱士版的宇宙是有边界的。其中，银河系的直径是3600光年，而根据开尔文爵士的计算，宇宙的直径不超过银河系直径的两倍（银河系之外的空间里只有稀少的恒星）。一个很小的“太阳系恒星群”坐落在宇宙的中央；我们的太阳位于恒星群的边缘，大约离中心300光年。恒星群中间有一个较密的“内环”，还有其他宇宙物质。在恒星“内环”外面，是恒星“二环”，即银河系，宽度约600光年，离中心1200～1800光年。

按照华莱士版的人择原理，宇宙中的任何一个部分都是为了地球生命而搭建的，而且生命只可能碰巧从恒星群边上、我们这个太阳系中产生。所有的这些环啊，群啊，空间啊，一定都反映了预先存在的智能的计划。

华莱士论证说，遥远的恒星对地球上的生命有直接和持续的影响。他借用了宇宙射线有益于植物的观点，拼命地用当时的一条算式说事，说织女星传播到地球的热量，相当于一支普通蜡烛一米之外热量的两亿分之一。他还改进了一种似是而非的说法：既然恒星在光谱胶片上能留下影像，那么这些光能也可以提供植物晚间活动必需的能量——从胶片记录了影像，到植物需要能量——敏捷地一蹴而就。

华莱士倒也没有逼迫人接受这种虚弱无力、主观臆断的论证。相反，他用戴森做挡箭牌，说戴森使用的两个例子，也可以作为宇宙结构决定生命存在的原因。戴森强调说，要演化出复杂的智能生命，一个星系需要有一个太阳，稳定地发光发热，持续几十亿年，而且这种太阳只有在严格的物理定律和条件下才会产生。戴森还强调了恒星密度和双质子的问题。华莱士就借花献佛，说只有在我们太阳系这种条件下、只有在我们这个宇宙的这个恒星群边缘，才会产生这种太阳。

华莱士设想的宇宙中，恒星密度较大的有三个区域：二环（即银河系），内环，还有恒星群。外环太挤、太乱，产生不了稳定的太阳。恒星运动太快、离得太近，碰撞和挤压是难免，足以摧毁一切行星系统，生命演化不了。

华莱士设想的宇宙，是精心搭建的，使人类的产生成为可能。华莱士，1903年作。翻印自《自然史》

华莱士接着宣称，如果只靠太阳自身的光和热，太阳系不可能像今天这么稳定（其实他对放射和核聚变知之甚少）。他认为恒星之所以能稳定燃烧，是因为外界有燃料源源不断地补充进来。这些物质在引力的作用下，从宇宙的外层空间（特别是银河系二环）向宇宙中心、太阳的位置移动。由于这些外来物质狂轰滥炸，内环也不可能产生稳定的太阳。恒星群的核心也不可能产生太阳，因为被包裹在中间得不到燃料供应。只有在恒星群的外围、我们今天太阳的位置，恒星才能在燃料和安全之间找到平衡，而这一定是智能设计的结果。

宇宙里的每一个细节都是设计好的，为的是一颗环绕太阳旋转的幸运行星上面产生生命。银河是用来提供燃料做炮灰的。内环是用来做筛子挡刀的。恒星群是为了保持稳定互不冲撞的。如果不是由一个智能统一安排，会是这个样子吗？华莱士的书问世80年后，世界变了样，但是还是有人老调重弹。

最后，华莱士和戴森及其拥护者有一个最大的区别。现在，人择原理的拥护者们先论证，后下结论——因为智能设计了宇宙，所以宇宙中产生了智能生命——这非常符合逻辑推理。而华莱士不愧为一个具有历史意义的科学家，沉湎于愚蠢的自信。他太清楚秩序和复杂性是从无数的“不可能”中来的了。他直接抛出了这样的论证：

有一大批人，包括大多数科学家，都会承认这个结论是有证据的，但是还是会将它解释为巧合。如果宇宙演化的方式有一点点不同的话，过去可能有成百上千个星球有过生命，不过也有可能没有。

这位优秀的科学家，虽然上了岁数，又总是为了一些自恋的理由孤军奋战，但还保留有敏锐的自我批评精神。他总算诚恳地认识到：他的理论基础（戴森），只是自欺欺人，是不能被证明的：

还有另一批人，而且数量可能更多，成员主要是那些认为意识高于物质、两者可以分离的人。他们不相信生命、意识、思维，都是物质的产物。他们坚持认为，宇宙中有很多复杂的力量，似乎能控制物质，如果他们不是物质构成的，那就一定是智能的产物。

虽然我更喜欢第一个观点，但是我否定不了第二个。（不要自欺欺人，但是要遵循西方思想传统，让自己好过一点。）如果只是讲着玩而已，不拿逻辑说事，那我是不会反对的——华莱士80年前就做到了，而戴森的拥护者直到今天都学不会。我还是到别处寻找希望吧。说起来也奇怪，如果华莱士和戴森是对的，我不会惊讶，也不会有丝毫的愤怒。

后记

几名读者告诉我，马克·吐温有篇著名的文章《倒霉的人类》（我应该知道这篇文章，这是常识），是讽刺华莱士的人择原理的。这篇文章的第一部分，小标题是“世界是为人而造的吗”开门见山地写道：“华莱士复兴了地球中心理论，激起了世人强烈的兴趣。”马克·吐温用他无可模仿的反讽笔法，花了5页纸讲述生命史，让我们确信世上万物只不过是人类登场的漫长前奏。——非常拥护华莱士的智能设计理念。

我很有兴趣地阅读下去，想看看马克·吐温这篇文章里还有多少类似的反讽。例如，他指名道姓地引用了开尔文关于地球年龄的计算——和本书第8篇我的手段一样——不过不是用他做反例、讽刺他计算错误的，而是证明地球年龄很久：“根据（开尔文）的数据，由于造物者迫不及待地想看到自己亲手制作的人偶、拿来玩赏一番，所以他花了99968000年来为人类准备家园。但是运营这样大一个帝国，是多么劳心、劳力、需要逻辑性啊。”

马克·吐温用一个精彩的比喻来结尾（文学和通俗科学总是包含很多比喻），把地球的岁数和人类出现的时间做比较。我认为约翰·麦克菲（John Mcphee）的科普文章《盆地和山脉》当中借鉴了这个比喻——如果把漫长的地质时间比做旧式计量单位“英码”（相当于国王的鼻子到前伸的手指的距离），那么只要国王挫了指甲，就等于把整个人类历史抹去了。马克·吐温的原文是：

这就是历史。人类登场已有32000年了，但是为了这一次登场，造物者足足准备了几亿年，证明造人类是物超所值。我猜是的吧，我就不知道了。如果埃菲尔铁塔的高度代表世界的年龄的话，塔尖上的油漆的厚度就代表人类存在的时间，而且任何人都会认为：塔就是为了涂油漆而造的。我想人们会这么认为的吧，我就不知道了。

27
搜索地外文明工程、棒球经理的智慧

由于到现在为止人类都没能抓住一个活的外星生物，所以整天只看到科学家在那儿杞人忧天地瞎猜外星人长什么样、多少年来拜访一次。例如阿尔弗勒德·拉塞尔·华莱士（Alfred Russel Wallace），他与达尔文同时提出了自然选择原理，也是第一个想到外星生物学的伟大的演化论者。他坚持认为人类在宇宙中是孤独的——因为一想到人类可能不是上帝独一无二的礼物、地球不是唯一适合居住的理想星球，他就受不了。1903年他写道，如果有证据显示有大量的、有智慧的外星生物存在，则会显得人类“仅仅是一种动物，是宇宙中的沧海一粟，对自己的出生完全没有准备，也许还会认为自己是二等恶魔、三等或四等的泥土。”（具体见前篇）

关于外星生命的无尽辩论都集中在概率计算上——有多少颗恒星、多少颗环境适宜的行星，生命从环境适宜的行星上产生的概率有多大，最后，生物产生智慧的概率有多大。我得承认，我看文献的时候总是昏昏欲睡毫无结果，我认为文献总是夹杂着期望和不确定性，以至于不能得出任何像样的结论。

最近，几个天文学家和天体物理学家采用了一种不同的手法——用射电望远镜系统地扫描天空，探索其他文明发出的信号，直接搜寻智慧生物留下的技术副产品。这就是所谓的“搜索地外文明工程”（SETI），引发了火热的辩论。拥护者称，只需要NASA从每年开支中分出一个零头来支持这个工程，不管成功的希望有多小，都至少可以把这个话题从纸上谈兵变为现实，用手头仅有的工具来探索实现的可能性。反对者称，这个工程太过琐碎无用，注定失败，用辛苦筹集来的成千上万科研经费打水漂，最后得不到一分钱的好处。

作为一名演化生物学家，我对这场辩论涉及的专业知识缺乏了解。我写评论也是迫不得已，因为反对SETI的人利用我专业领域的东西作为他们最强有力的武器。他们说，所有一流的演化生物学家都声称地外生命是匪夷所思的事，而有些物理学家太过乐观，不懂得演化的基本道理就不要瞎吹。但这些反对者说错了，我想解释一下：至少有一个演化生物学家认为SETI是一个值得尝试的长远工程。

弗兰克·蒂普勒（Frank J. Tipler）是图兰大学的数学物理学家，也是最为不屈不挠地反对SETI的批评家。他在专业杂志和大众杂志上（《新科学家》《水星》《今日物理学》和《皇家天文学会季刊》等）刊登过一系列言辞激烈的文章，“我怀疑外星智慧生物存在，有两条基本理由。”（这句话出自他1982年的文章。他所有关于SETI的文章都是这个主题）

他提出的第二个理由超出了我的领域，我对此不多做评论了，但还是要提一提：蒂普勒说：“如果‘它们’存在的话，它们早就来了……但是它们没来，所以这种生物不存在。”简言之，他认为任何真正智慧的生物都会用一种装置搜寻宇宙以开拓殖民地，他把这种装置叫作冯·诺依曼机——“一台拥有接近人类智慧的电脑，可以自我复制，可以使用太阳系里的原材料建造它设想的任何东西。”智慧生物“只需一台冯·诺依曼机”就可探索整个星系，因为这台电脑会开采小行星和彗星上的矿物来自我复制和制造更多的探测器。复制了的新探测器就会赶到其他适合的星球上，进行下一轮自我复制。只用2亿年，一台冯·诺依曼机的复制品就会遍布整个银河系。

这种机器甚至还能通过运行存储在记忆体里的基因程序，开采所需矿物，制造出和它的创造者一样的有血有肉的外星人：

原则上，冯·诺依曼机的记忆体可以存储信息，指示机器合成一个卵、把“受精卵”放在一个人造子宫里……经过9个月，就可以长出一个婴儿，由冯·诺依曼机制造的代理父母培养成人。

我不是庸人，但必须承认，我对这样的说法不知如何反应是好。我连身边的人先干什么后干什么都无法预测，而且通常不能理解其他文化的人是怎么想的、怎么做出成就的。如果现在我能信心百倍地预测外星智慧生物会怎么做，那我肯定是白日飞仙了。由此看来，蒂普勒认为：SETI既然要寻找冯·诺依曼机这样的东西，必须要比冯·诺依曼机更厉害才行。

他的第一条理由，是借用我的领域的知识隔山打牛。他这样写：

首先，当代所有演化论的杰出专家——佛朗西斯科·阿亚拉（Francisco Ayala）、西奥多休斯·杜布赞斯基（Theodosius Dobzhansky）、恩斯特·迈尔（Ernst Mayr）和乔治·辛普森（George Simpson）——一致同意：从单细胞生物不可能演化成智慧物种，所以我们有可能是至今为止唯一的智慧物种。

蒂普勒犯了一个最没有技术含量的错误。我算了一下，参加卡尔·萨根（Carl Sagen）国际支持SETI请愿书的演化生物学家至少有4个：康奈尔大学的汤姆·艾斯纳（Tom Eisner）、芝加哥大学的戴夫·劳普（Dave Raup）、哈佛的艾德·威尔森（Ed Wilson）以及我本人。演化生物学家发扬了大自然多样性的一贯传统，对SETI的看法也是多样的。

我认为蒂普勒犯的更大的错误是：混淆问题、以偏概全，把一些演化生物学家的观点，当作“演化论”的观点。所有思考过“是否有外星人”的演化生物学家都可以清楚地界定出狭义问题和广义问题。

狭义的“是否有外星人”问题是指：如果地球生物可以从头再来一遍的话，智慧生物还会是今天的人类这样两侧对称、感觉器官长在脸上、两只眼睛、一只鼻子、一张嘴、一个脑子吗？如果其他星球的物理化学状况跟我们一样，会演化出我们这样的“人形生物”吗？

广义问题是指：我们称之为“智能”的属性，是否能存在于其他形态的生物身上——水滴形、薄片形、脉冲球形、离散型，或者比现有的科幻小说更加稀奇古怪的形态。

演化生物学家否定的是存在外星“人”和“条件相似的星球产生人形生物”。的确，有人也怀疑过外星“智慧生物”是否存在——但没有肯定地说不，纯属保留个人意见，不会打出“演化论”官方旗号。我也是他们其中的一员，但是我觉得就算否定有外星“智慧生物”、跟SETI作对，也没什么意思。SETI的目的是为了找寻外星智慧生物，所以只需要大部分人还存有“是否有外星生物”的疑问，他们就可以申请到资助了。

最近去世的科学大师葛雷格里·贝特森（Gregory Bateson）是研究复杂物件和交互系统的，他经常强调说，人类经常犯的一个严重的逻辑错误，是弄不清层次关系、以偏概全［见他的书《心智和自然》（Mind and Nature ）］，例如，用一个人代表一个种族（或者反过来，用一个种族概括一个人）。

卡西·史丹格尔（Casey Stengel，1890—1975，美国著名的棒球队经理）是我们这个时代的大师。他巧妙地运用了以偏概全的逻辑陷阱，化解了尴尬。在一次扩张选秀中，他执导的纽约大都会棒球队接受了一位名不见经传的接球手（Hobie Landrith），被媒体骂。卡西幽默地回了一句：“一个队伍总要有个接球手，不然，会漏接很多球的。”他说的是大白话，却化解了尖刻的批评。不是所有人都像他这样善于驾驭逻辑漏洞，人们有时不知不觉地踏入了逻辑陷阱却还以为自己是对的。

不管是因为几个演化生物学家说“让地球重来一遍，不一定能演化出人类”，而搬起“演化论”这块大牌子作为外星智慧生物不存在的证据，还是用我们两只眼睛一个鼻子的狭义上的“人”来规定所有外星智慧生物长什么样，都是犯了以偏概全的错误。虽然我可以用演化论来证明，别的地方可能会演化出跟人类外表不一样的智慧生物，但是我不能证明这种生物遍布整个宇宙。

物理学家有个职业病，把科学作为预测一切、决定一切的工具，经常从“地球上出现人类”推导出“物理化学条件跟地球类似的星球上一定会产生类似人类的生物”。有可能想象力丰富的电影制作者和科幻小说家对此应该负责，他们总是创造出一种固定模式的外星人，无论形状再古怪，总是有两只眼睛、一个鼻子、一张嘴、两只手臂、两只脚（《亲密接触》《ET》，甚至是最有想象力的《星球大战》）。如果仅仅是因为外星人都由人来扮演、挑不出三头六臂的群众演员，倒还可以原谅。但是随着电影技术发展，可以借助塑料模型等材料创作出新的形象，而外星人的样子还是大同小异，这就说不通了。

每种学科研究的对象不同，所以研究的方法也不一样。如果仅仅是研究一些受力物体的运动轨迹（就像高中物理题，球滚下斜面），那么结果都是可决定、可预测的。但是不能用这种方法来研究复杂的历史轨迹。在生命史上，所有生命现象都是一连串事件的产物，每一个都跟特定的环境和过去影响密不可分，而且也不可能精确地预测它们未来的发展轨迹。演化生物学，就像历史一样，研究的对象不会简单地重复，也不可能通过控制试验条件来得到想要的结果（如果人类倒退到南方古猿，从头再来一遍的话，还会有恺撒、他还会死在罗马吗）。演化生物学家把人类的起源（或者换成蝴蝶的起源、蟑螂的起源、海星的起源）看成是复杂的历史和千万个概率事件的产物，所以认为不可能有狭义上的外星“人”。生命史上有很多的事件都能证明，人类出现是个偶然，看看下面两个例子：

1.生物大灭绝对地球生命史造成了关键性的影响（见第8部分的文章）。恐龙灭绝的时间是6500万年前的白垩纪末，同时灭绝的还有约一半的浅海无脊椎动物。它们统治地球已有1亿年，如果没有经历那场大灾难，可能今天还活着。恐龙灭绝同时，哺乳动物兴起，最初1亿年的时候，哺乳动物都还是一些小型生物，在恐龙世界的夹缝中生存。如果不是赶上了恐龙灭绝这个好机会，哺乳动物可能还是猥琐地活着，就不会出现人类这样有意识的高等生物。20世纪80年代以来，有证据表明（见下一篇）是天体引发了这场灾难。有什么比小行星或彗星从天而降更加不可预测和出人意料呢？但是，如果没有这场灾难，地球可能就不会出现有意识的高等生物。生命史上出现过很多次大灭绝（有的比白垩纪大灭绝还要影响深远），人类的出现确实是个偶然。

2.每个物种都是一连串巧合的产物。任何动物——人、鱿鱼、珊瑚——都有成千上万年的历史，一直可以追溯到生命诞生之初。如果这些物种中的任何一个灭绝了或者朝着不同的方向演化，最终的结果就会不同。每一连串的巧合，都是朝着适应环境的方向发展，中间夹杂偶然事件。我们水里的祖先演化出一副背鳍，还有一条强壮的、居于身体中轴的脊椎。如果没有脊椎，陆地上的后代就不可能轻松地行走（很多鱼没有这样的背鳍和脊椎，所以不会演化出陆地后代）。但是鱼并不是因为将来需要爬上岸才演化出鳍和脊椎的。它们仅仅就是适应水中的环境，幸运地获得了一个机会，得以向陆地继续演化。所有演化序列都包含了一连串偶然因素，没有什么必然的成功因素。人类的脑子和身体并不是生物的最终发展方向，也不是不可避免的结果；人类演化经过了曲折漫长的道路，中间的适应过程不尽相同，最终幸运地适应了现在这样的环境。

由于历史充满了这样的概率事件，所以每一种生物都是独一无二的、不可重复的。演化论作为一种研究过去的学问，否定了其他世界中出现“人形生物”的可能性。所有一流的演化生物学家，在谈到外星生物时都是这样说的，而且是拍胸脯保证。我也同意。华莱士在1903年写过下面一段话：

大致上说，人类的最终产生，是基于100万次特殊的变化。每次变化都是独一无二的，都是基于有机和无机环境的变化。而阻碍这种变化的力量，几乎是双倍。

近年来，辛普森在他的著名文章《论人形生物的不普遍》里这样写道：

地球上的演化是不可重复的，但是天文学家、物理学家和一些生物化学家以为别的星球上存在着相似的演化过程，以为一旦生命诞生，最终不可避免地都会演化出人类形态，这完全是错的……就算赋予数以亿计的星球以适宜生命诞生的条件，产生同样结果的可能性还是微乎其微。

但是所有这些演化论者都清楚地区分了“人形生物”和“其他形态的智慧生物”两个概念。总的说来，他们的观点各式各样——“演化论”对外星生物存在与否的问题没有统一明确的答案。华莱士和辛普森都对外星“人”的存在表示了质疑，但是只是个人意见。例如，辛普森是这样写的：

跟地球不一样的星球，难道就不会演化出智慧生物了吗？明显，这个问题不能一概而论。我只能表达一个观点……我认为在我们的宇宙中，绝对不可能出现跟人类很相像、思维交流方式也一样的任何生物。

其他演化论者，包括蒂普勒指名道姓用来反对SETI的两位（杜布赞斯基和阿亚拉），都可以分清外星“人”和外星“智慧生物”的区别，对“智慧生物”的存在还是抱有相对乐观态度的。他们俩与斯泰宾斯（G.L.Stebbings）和瓦伦丁（J.W.Valentine）合写了一本一流的教科书：

就算演化的次数是天文数字，出现人形生物的概率还是近乎没有……但还有一丝可能性：可能出现其他具有科技文明的智慧物种。

我不相信概率这么低。

演化论能证明外星智慧生物存在吗？我们看到有一些基本的特征是反复出现的，这种现象叫作“趋同演化”：昆虫、鸟、翼龙、蝙蝠身上都演化出了翅膀。空气动力学原理并没有改变，但是翅膀的形态千变万化（鸟的翅膀上有羽毛；蝙蝠和翼龙是指间薄膜，但是蝙蝠的几个指间都有薄膜，翼龙只有一个指尖）。袋鼹鼠和袋狼（已灭绝）都是澳大利亚特有的哺乳动物，澳大利亚和其他大陆隔绝，所以不同的物种为了适应相同的环境，都演化出了同一个特征（但细节不尽相同）。有些特征较能适应环境，所以一再地演化出来，每次都是独立的。越是复杂、不是适应环境必需的特征，就越不可能重复地演化出来。智能在地球上只出现过一次，如果人类自己把自己毁灭了的话，说不定就不会再次出现有智能的生物。但是智能是一种复杂的、可重复的特征吗？我认为光看人类就下结论为时尚早。也许在另一个世界，另一种形态下，智力就像翅膀一样，很容易地就能演化出来。

蒂普勒否认了趋同演化，他借用生物学家利奥纳德·欧恩斯坦的原话（支持他的一篇文章里面的），说“上下颠倒的眼睛”不是趋同演化的产物。脊椎动物和头足纲动物（章鱼、乌贼）的视物都是上下颠倒的，通过大脑后期处理才正过来，这个例子是最常用的一个“趋同演化”的例子。欧恩斯坦说，脊椎动物和头足纲动物有相同的祖先，所以“上下颠倒的眼睛”不是它们各自独立演化出来的。即使欧恩斯坦说的是对的，也不能以偏概全，说其他特征也不是趋同演化出来的。更何况欧恩斯坦的说法有很大的漏洞：他忘了眼睛（包括复眼等不上下颠倒的眼睛）这个最经典、最有力的协同演化的例子。眼睛的形态和功能不同，而且是由胚胎的不同部分变来（鱿鱼的眼睛是一部分皮肤细胞变来；脊椎动物的眼睛除水晶体以外都是大脑的一部分）。此外，“脊椎动物和头足纲动物来源于同一祖先”这个说法的生物学原理，50年前就被否定了。他借用的是海克尔（Haeckel）废弃的“重演律”理论——个体器官发育过程重演物种进化史。因为眼睛是胚胎中较早发育的一部分，欧恩斯坦以为远古的祖先身上就有眼睛——在脊椎动物和鱿鱼分家之前。事实上，不仅海克尔的理论被否决了（个体器官发育过程跟物种进化史并没有平行关系），甚至海克尔本人，也很少用胚胎里器官出现的顺序来界定一个物种的演化来源——他自己曾经用这个方法判断过不少物种的来源，可惜都错了。

即使我们听蒂普勒的，认为冯·诺依曼机是唯一合适的出路，他自己也承认人类在一个世纪之内是造不出这样的机器的。我没什么耐心，寿命也有限。我觉得，“慢慢地”进行弱势群体的政治改革、把本该他们享受的权利留给他们子孙的子孙，是很残酷的，我恨不得有翻天覆地的变化。同样，我也有个自私的愿望，希望我活着的时候，能够知道有没有外星人。我们现在只有SETI这么一个工程，它的花费还是比较少的，在我看来，演化论是不反对SETI的。坦白地说，我认为成功的概率比那些物理学家设想的要低。但是最后，我必须说明，这个长远工程如果有了结果，将是我们整个智慧史上最惊天动地的事件。好奇心催人进步，而且是好奇心让我们成为人类。其他的物种也会有好奇心吗？

注解：

[1] 　作者注：本文写于1983年，贾斯特100周年诞辰。

捌　灭绝和延续

28
性、毒品、灾难和恐龙的灭绝

“科学”最基本的定义是“一种富有成效的追寻过程”，不是“一串诱人的结论”。结论是结果，不是实质。

让我感到最不快的，是大多数流行作品里对科学的解读，都把诱人的结论和科学家探求事实的方法剥离开来。新闻工作者和大众喜欢看那些有争议的、令人震惊的说法。但是科学本质上是一种获取知识的方法——梅达沃（P.B.Medawar）曾巧妙地把科学描述为“探索可解决的问题的艺术”。如果不断增多的流行科学作者能够多关心一点科学家是怎么做出那些诱人结论的，对公众理解科学的贡献就大得多了。

恐龙灭绝是令人兴奋的一个谜题。性、毒品和灾难是我们文化中让人最感兴趣的三个话题。现在看看，如果把这三个话题跟恐龙灭绝扯上关系，为什么其中两个是无用的猜测，另一个却闪现着科学的苗头。

科学包含了一连串可验证的假说。如果经过大量数据的检验，假说还能站得住脚，那么人们就可以暂时接受这个假说，而且随着发现越来越多的证据，假说得以增强。永远都不能肯定一个假说是完全正确的，但是可以证明它是错的。最好的科学假说是内涵丰富的、可扩展的：对邻近的问题甚至遥远的学科，都有迁移和启发作用。只要想想演化论是怎么影响到整个知识界的就能略知一二了。

相反，无用的猜测是有限制性的。首先，没有可验证的假说，而且也没有办法找寻证据去反驳。请注意，我不是简单地谈论对错。猜测本身有可能是正确的，但是如果无从验证，这个猜测就没有实际用途，永远停留在一个“吸引人的想法”上，无始也无终。好的科学，既包含了可供反驳的根基，又会产生更多不同的、可供测试的知识，不断向外延伸。行了不说教了，我们回到恐龙灭绝的问题上，看看下面三种假设：

性：爬行动物的精巢只有在适宜的温度下才能产生精子（因为爬行动物体温随外界温度变化，而哺乳动物身体内部温度恒定较高，所以哺乳动物的睾丸生在体外以保持正常功能）。白垩纪晚期地球温度突然上升，恐龙的精巢停止产生精子，导致不育。

毒品：被子植物（开花植物）产生于白垩纪晚期。很多被子植物含有刺激神经的化学成分，由于味苦，今天的哺乳动物不会食用。但是恐龙既没有味觉，肝脏也没有解毒功能，所以“嗑药”太多中毒死了。

灾难：6500万年前，一颗大彗星或小行星撞到了地球，扬起了遮天蔽日的尘埃，阻碍了光合作用，全球温度急剧降低，恐龙和其他主要生物就灭绝了。

在分析这三个相似的说法之前，必须建立一条基本规则，有很多恐龙灭绝假说违反了这条规则：恐龙灭绝不是个别现象。特殊事件不能脱离大环境与因果系统。和恐龙同时灭绝的还有其他很多种生物，生活在不同环境中，包括陆地和海洋。

生命史上几次短暂的大灭绝打断了生命历史的进程。20世纪80年代，芝加哥古生物学家杰克·塞普科斯基（Jack Sepkoski）和戴夫·劳普（Dave Raup）收集了大量翔实的数据，分析显示，物种至少经历了五次大灭绝（如果不管大小，我们将所有大灭绝都考虑在内，那么大约都是以2600万年为一个周期，见第30篇）。白垩纪末大灭绝发生在6500万年前，中生代与新生代的分界线上，是五次大灭绝中最著名的一次。从地质学角度来看，几乎所有海洋单细胞浮游生物在极短的时间内灭绝了。海洋无脊椎动物中，大约15％的科灭绝了，包括很多之前占统治优势的类群，特别是菊石（鱿鱼的近亲，有螺旋形的壳）。存在了1亿年的陆地霸主恐龙也灭绝了。

在这种大环境下，性和毒品这两种假设只能解释恐龙为什么灭绝，不能解释其他生物为什么灭绝。我们需要的是一种能够解释系统事件的理论，恐龙灭绝仅仅是里面的一小部分。因此，恐龙灭绝是因为哺乳动物吃了它们的蛋（一个常见的不可验证假设）这样的猜测是无意义的，只不过是人类这种哺乳动物一厢情愿。灾难不可能单单降临到恐龙头上——白垩纪大灭绝是五次大灭绝中的一个，每次大灭绝的原因都不一样。恐龙灭绝，只是因为碰巧遇到了2600万年这个坎。

“精巢”理论是自1940年开始流行的一种说法，来源于一项有趣且体面的研究——美洲鳄对温度的耐受性。1946年，三位爬行动物专家——我的第一位古生物学老师科尔伯特（E.H.Colbert），考尔斯（R.B.Cowles）和鲍格特（C.M.Bogert）一本正经地将这项研究的结果发表在《美国自然史博物馆通报》上。

摘要的第一句话就显示，他们的目的远远不止于研究美洲鳄：“这份报告的目的是根据观测到的现代鳄鱼对温度的反应，推测已灭绝爬行动物，特别是恐龙，对高温的反应。”他们通过温度测量法，研究鳄鱼的体温在冷热条件下的变化。（嗯，是怎么样测的呢？不会胆大到让鳄鱼含着温度计吧。）他们根据伽利略在17世纪30年代的“表面积和体积增加比率不均”理论预测结果——随着生物长大，皮肤表面积以二次方增加，而体积以三次方增加，因此体积增加得总是比表面积要快，小动物的表面积：体积比率较大；大动物的表面积：体积比率较小。

由于冷血动物没有调节体温的生理机制，所以体温是随环境温度变化的。较小的爬行动物吃得少，但散热面积相对大，因此散热快，保持恒定体温很难。而大型爬行动物皮肤散热较慢，一旦暖和起来，体温变化范围不大，较不容易受外界影响。（用20世纪70年代盛行的“温血恐龙”理论也可以解释。虽然大型恐龙缺乏温度调节机制，从定义上讲不是温血动物，但是较大的体型和较小的散热面积使得它们体温相对恒定。）

科尔伯特、考尔斯和鲍格特三人测量了小型和大型鳄鱼体温变化速度。不出所料，小家伙们热得快也冷得快。当暴露在阳光下时，一条50克重的小鳄鱼每一分半钟增加1摄氏度，而比它大260倍的、13千克重的大鳄鱼，需要七分半钟增加1摄氏度。这样推算，一头10吨重的恐龙体温每增加1摄氏度，需要86个小时。如果大动物吸热如此慢的话，它们散热也很慢，当体温过高时，很难降温。

三位作者接着猜测道，大型恐龙生活在适宜的温度中。考尔斯说，白垩纪大灭绝前，全球温度升高，恐龙体温过高，受不了了。（稀奇的是，这篇文章的三位作者意见不统一，科尔伯特和鲍格特不赞成考尔斯的这条推测。）考尔斯做出了让步，说高温虽然不足以杀死或削弱这巨兽，但由于爬行动物的精巢只能在很小的温度范围内产生精子，所以全球温度升高，恐龙就不育了。大灭绝其实是自然界给恐龙做的避孕手术。

20世纪80年代提出“嗑药致死”理论的是加州大学洛杉矶分校的精神科专家，罗纳德·西格尔（Ronald K. Siegel）。他自称收集了2000例动物自行“服药”的记录——从一时贪杯到豪饮（大象一次约能喝20桶啤酒，但不喜欢酒精度高于7％的酒）。西格尔说：“大象大概是借酒消愁……忘掉草场减少和生存竞争所带来的烦恼”——把动物当人看，有点傻。

人类想象力很丰富，可以想出很多恐龙灭绝的绝妙理由。西格尔的说法是：白垩纪晚期产生的开花植物含有一种芳香的氨基酸碱基——一种神经活动递质。大多数哺乳动物足够“聪明”，对可能有毒的植物避而不食，因为植物碱是苦的。而且，哺乳动物的肝可以解毒。西格尔猜测，也许恐龙尝不出苦味，肝也不能解毒。他还告诉美国心理学协会的会员们：“我不是说所有恐龙都吸毒过量，但是吃有毒植物确实是恐龙灭绝的因素。”他还说，很多的恐龙化石都是一副扭曲的样子，多半是嗑药过量而死的症状吧。（多么美妙的狂欢夜啊！）

通俗文学中很早就有“从天而降的灾难导致大灭绝”的描写，但是经过了长时间的平静，直到1979年这个话题才再度复兴。一对父子，父亲是物理学家路易斯·阿瓦雷兹（Luis Alvarez），儿子是地质学家瓦尔特·阿瓦雷兹（Walter Alvarez），提出：6500万年前，大约直径10千米的一颗小行星撞上地球（在第30篇将会提到，后来他们说是彗星而不是小行星。好的科学总是有自我修复能力的）。

这次撞击的力量巨大，比世界上的百万吨级核武器加起来还要厉害（见第29篇）。为了解释为什么和恐龙同时代的很多海洋动物也灭绝了，阿瓦雷兹父子构想了一幅画面：撞击激起的尘埃被气流带到高空，形成了漫天的尘埃云，一片昏暗，光合作用停止了（怒斥，怒斥光明的消逝吧），气温急剧下降。单细胞的海洋浮游植物，寿命只有几周，很快地灭绝了，但是陆地植物可以靠种子休眠度过这段时期（白垩纪大灭绝对陆地植物影响不大，只有能解释这种差异的理论才能成立）。恐龙冻饿而死，而哺乳动物体型较小、体温恒定、食物需求量少，才勉强生存了下来。这让我想到20世纪70年代美国东北部石油危机，那些阳光充足的州的居民竟在保险杠上贴上“让那些混蛋在黑暗中冻死吧”这样的标签。

三种猜测——不孕不育、吸毒过量、小行星撞地球——主观上看，都同样地吸引眼球。但是一个是有延展性的科学假设，而另两个有局限性且不可验证。只有以证据和方法论为标准衡量了。必须透过表面的迷人假象，看到实质。

怎样能判断“精巢过热”假设是对是错呢？既然没有化石记录可以参考，就必须要寻找化石以外的证据。恐龙在什么温度下生活最合适？它们能不能在树荫下或洞里躲避高温呢？它们的精巢在什么温度下停止产生精子？白垩纪晚期的气候能够使它们的体温达到这个极限吗？就算精巢会变成化石，怎样判断它们对温度的耐受性呢？简单说来，考尔斯的假设只是一个迷人的猜测，但没有出路。唯一反驳它的言论，就是科尔伯特、考尔斯、鲍格特三人的结论：“很难对这个假说进行明确的反驳。”——不能反驳的假说难道不好吗？恰恰相反，不能反驳、不能证伪的假说就不可用。

西格尔的“嗑药”假说甚至更为不如。考尔斯至少从鳄鱼身上收集了翔实的试验数据，而且他也没有忘了大环境——全球温度变暖也有可能通过其他途径影响其他生物。而西格尔的猜测完全没有考虑到菊石和海洋浮游植物（单细胞植物靠太阳光和水就可以生存，它们可不吃陆地植物），完全就是哗众取宠，因为无从知晓恐龙有没有味觉，以及它们的肝脏有什么功能。肝脏和精巢一样，死后即腐烂，不会石化。

就算是放在小环境里来看，这个假设也不能自圆其说。恐龙灭绝之前1000万年，被子植物就已经存在了，为什么用了这么久才把恐龙毒死？至于“尸体扭曲的样子”，我只能遗憾地说西格尔缺乏地质学的常识：死后肌肉收缩，而且地壳运动、地层升降，扭曲了化石原来的样子，这不就够了吗。

另一方面，撞击理论有证据、可测试、可扩展、可完善，如果错了，也可否定。阿瓦雷兹父子并不是构造出一幅骇人的画面吸引大众的注意。他们和另两位科学家弗兰克·阿萨罗（Frank Asaro）和海伦·米歇尔（Helen Michel）一起做了大量艰苦的地球化学研究，发现大灭绝的岩层中铱的含量骤然增多。铱是一种稀有金属，在原有的地壳中含量几乎为零；地球上大部分的铱都来自撞击地球的外太空物体。

阿瓦雷兹父子的假说很快就产生了硕果。由于他们挖掘了欧洲的两处地层，很快全世界的地球科学家都开始考察同时代的其他岩层，发现大灭绝时期各地岩层中的铱的含量都高得惊人——从美国西部的大陆岩层，到南大西洋的深海岩层。

考尔斯是在20世纪40年代中期提出精巢假说的。后来怎么样了呢？显然是没有结果，因为科学家们对这个假设无从下手。只有在提到鳄鱼的时候，才附带提到它一点点。西格尔的嗑药假说引起了一些新手记者的注意，然后就被人遗忘了。阿瓦雷兹父子的小行星假说则不同，但是后来人多半关注的是他们的结论，而不是过程，忘记了什么对科学家来说是最重要的——铱。如果你只谈论小行星、尘埃、黑暗，那么你所了解的，不比精巢或毒药多多少。只有铱这个证据是可测的——构成了猜测和科学之间的关键区别。

证据不是说出来的，是做出来的。考尔斯的假说在35年间没有人引用，没有产出任何结果。阿瓦雷兹父子的假说自从1979年问世以来，引发了几百次研究、一次重大会议，还有无数论文发表。地质学家的热情被点燃了，开始寻找其他几次大灭绝时期的地层中有没有铱。每个星期，科学杂志上都有新的结果发表。越来越多的证据表明白垩纪晚期地层中的铱来自外太空而不是火山喷发。1984年，在我修改这篇文章的时候（到这本书出版的时候，数据就过期了），又有新的数据表明，在白垩纪晚期地层中发现了外太空的同位素、由于撞击时的高温高压形成的二氧化硅小球，这些都只有用撞击来解释。

我的观点很简单：阿瓦雷兹父子的假说，无论最后结果怎样（我怀疑它是正确的），都是既有花，又有果的科学假说，因为它可供检验、让人有事可做，可以扩展，可以一直朝着结论进发，可以迁移到其他学科（见第30篇）。

这个假说还有了一个意想不到的果实——所谓的“核冬季”（见下篇）。1982年4月，路易斯·阿瓦雷兹计算了直径10千米的小行星撞击会产生多大的能量。他把这次撞击比做全球性核战争，暗示着核战争会产生大灭绝一般的后果。

卡尔·萨根和一帮同事建立了核战争对气候影响的模型。全球核战争可能会产生和恐龙灭绝时期一样的遮天蔽日的尘埃云。温度会急剧下降，农业全面崩溃。只有靠伦理和政治的推动来避免核战争，但是人们必须清楚地知道后果，才能坚决地抵制核战争。我为科学对社会做的这种跨学科贡献感到欢欣鼓舞 [1] ：认识到是什么灭绝了全球称霸的恐龙、使哺乳动物得到演化优势、繁衍至今、产生人类，可能真的能够让我们自己避免跟这些史前巨兽“扭曲地埋在岩层中”一样的命运。

29
延续性

梵蒂冈圣彼得大教堂的穹顶上是米开朗琪罗的壁画，壁画四周有一圈金色的边，上面铭刻着“称彼得是岩石后，该教堂是建”（马太福音 16：18），意思是基督将授予彼得世上第一个教皇职位，并赠予他一座教堂。在拉丁文以及其他古老语言中，“彼得”是岩石的意思——基督赐名，不乏幽默感。（当然，这跟我的领域无关，但是我认为彼得如此位高权重的人，在尼禄火烧罗马的时候出逃，路上碰到基督，问“主，你往哪里去？”显示他是一个性格很弱的人，跟“岩石”的本意相反。）不管怎样，这圈金边上的字都象征着人类短暂无常历史中为数不多的悠久传统——一种叫教会的机构，起源于2000年前，一直到今天都有。

没有和罗马相似的城市，也没有和天主教会差不多的机构。在我这个古生物学家看来，具有这样悠久传统的城市和机构都是无价之宝。这些悠久传统得以保留下来，是因为满足了普通人细微的情感需求，让外行觉得它们有保留价值。傍晚，罗马西南方特拉斯特维雷区（Trastevere）美丽的圣玛丽亚教堂门前，孩子们在广场上踢球。天黑了以后，孩子们就转移到明亮的廊柱下，在圣母的镶嵌画前、在那些圣徒的墓前继续踢。神圣和世俗交织的画面。

1984年1月（奥威尔《1984》开始的年代），我在比奥四世教堂与其他8国来的20名科学家一起起草一篇关于“核冬季”的演讲稿，供教皇在他的反核战争演讲中读。比奥四世是16世纪有权有势的梅第奇家族的一位教皇。他的家是罗马式的乐园，四周有假山，露台上有各式各样嬉戏的罗马男女青年雕像。天花板上画着奇幻生物还有一些赤裸裸的“造人运动”。小天使举着梅第奇家族的盾牌，徽章图案是6个球，象征着俗世的权力，标题是“比奥四世万岁，万岁，万万岁”（Pius Ⅳ Pontifex Optimus Maximus），完全是写给皇帝的口号。我们再次看到神圣与世俗、精神与肉体、享乐与沉思——杂烩成一件艺术作品，一件悠久历史的象征，涵盖了过去和现实。

我在罗马讨论的是人类的延续性问题。不同学科、不同国度的科学家做了一系列的研究，通过各学科的权威检验，虽然有些地方还不是很确定，但都得出一个不太乐观的结论。以前人们对核战争后果的预测，只包括短期后果，例如爆炸和辐射，漏掉了一个很重要的方面——对气候长期的影响。因为大爆炸产生的尘埃进入大气层，各种微粒形成一层厚重的云层，地球一片黑暗，即使是盛夏温度也是零下，农业完全瘫痪。“核冬季”一旦降临，不仅会消灭大量的人类，带来巨大的苦难，而且会带来不可逆转的动植物灭亡。我们人类非常顽强、分布甚广，但是如果情况最糟的话，人类全部灭绝也不是没有可能。

为什么我们要这么关注灭绝呢？就算不灭绝，核战争的可怕后果已经足够值得沉思了。我不能给出一系列“客观”的原因。有一些是实际原因。例如，如果类蜀黍灭绝了，玉米这种最重要的作物也会处于灭绝边缘。类蜀黍是玉米的祖先，在中美和南美都有少量分布。类蜀黍和玉米杂交的后代具有遗传多样性，可以抵挡枯萎病。所有物种都需要一定的多样性。还有一些审美上的原因，如果到处都是人、老鼠和蟑螂，那么世界看上去是多么贫瘠凄凉。但是，在这篇文章里，我只想谈谈我对核冬季的感悟，不想谈太多技术层面上的东西。我希望重谈一些个人的、道德上的想法（不可验证，只是因为感受很深，想说出来），是我作为一名古生物学家的自发观点。我研究的是自然界中最悠久的——地球上生命的传承。

现在我们有了简单细胞化石和这些细胞的沉积物，可以推算出地球上最早的生命至少是35亿年前产生的。从那时开始，生命不间断地一直发展到今天。可以从苔藓、蜉蝣到河马，一路追溯我们的祖先的起源。“生命之树”是对生命史的一个精确比喻。每根树梢（人类算其中一根）都长在更粗的树枝上，树枝又连着同一个树干，树干所代表的是大约40亿年前的原始细胞。

每次大灭绝都是一次“败家”；每个物种的灭绝都是不可逆的，擦除了40亿年来的独特轨迹。每次灭绝都打破了生命的延续性。当然，从单位为百万年的地质学角度来看，灭绝是不可避免的，甚至对维持生命之树长青是必要的。无论从抽象还是具体的角度来看，大灭绝清空了拥挤的世界，为新物种的演化腾出了生态空间。

但是用地质学的单位来衡量人类自身的生命和意义是不合适的。如果有下一次大灭绝，那也是发生在1000万年之后，对于人类这根树梢的影响无法预测——人类并不应该唯我独尊，应该谨慎地为自己谋福利、细心地养育并保护这根独特的树梢。

我们这一根树梢是很细小，但是别忘了，它连接着千千万万根树枝，一直连到40亿年前的树干上。我们的起源在非洲，逐渐遍布世界，具有悠久的历史，过程可写成一部复杂的成功故事。如果一场核冬季将这根树梢摧毁，或者摧毁其他相连的树梢直到我们自己也枯萎，那么我们就是永远抹去了一次独特、未经准备、排除千难万险脱颖而出的实验——本来这根树梢已经产生了意识，可以回溯自身的发展，赞叹自己的历史是多么悠久。

有些人抱住错误的“生命之链”理论不放（见第17～19篇），认为生命史是一部线性前进、可预测的历史，不可避免地会演化出意识。这些人就不会感到人类自寻毁灭的后果有多么严重。毕竟，生命是朝着越来越复杂、有意识的方向演化。如果人类灭亡了，其他物种可能就会接过人类的班，再次演化成智能生物。如果地球上演化不了，那么就在宇宙的其他角落，因为各个星球的自然规律变化不大。

作为一个研究生命史的人，作为一个努力把文化偏见和心理期望从化石包含的信息中剔除出去的人，我得出一个十分不同的结论，我想大多数同行都跟我有一样的想法：意识只是演化中的一次偶然产物；有一支演化枝原本的目标不一定是智能，但是在演化过程中，兼容并蓄了智能的大部分组件（见第27篇）。如果人类灭绝、这根树梢没有了，可能50亿年内或直到太阳爆炸，其他演化枝上都不会长出同样的树梢。人类产生智能不是自身的原因，也不是设计者有意为之。只因为演化当中一次辉煌的意外，有了我们这种足以影响生命史延续性的生物。这个角色不是我们索取来的，但也摆脱不了。人类可能不能承担如此大的责任，但是甩也甩不掉。如果我们演砸了这个角色，人类短暂的历史就会永远地从40亿年历史的长河里消失，而本来是有可能防止演砸的。我想不出什么比一根树梢毁掉一棵大树更可恨的了。这棵大树比它早40亿年存在，枝枝杈杈都跟它血脉相连。

核冬季一说有很多来源，但是直到1983年，一支姓名首字母缩写为TTAPS（R. P. Turco, O. B. Toon, T. P. Ackerman, J. B. Pollack, Carl Sagan）的队伍的作品发表，核冬季一说才为人所知。气候模型在以往科学研究中很少见，跟中学里那种结果明了的简单实验不一样。核战争后的气候模型涉及很多没有精确值的变量、各个变量之间的关系也未知，因为，谢天谢地，没有人试过。有多少灰尘扬起；形成的云会不会密不透光；尘埃云会散布到南半球吗，如果会，那有多密呢；尘埃会进入平流层吗；尘埃会停留多久，才会被雨水冲刷干净呢；气温会有多冷；持续的时间有多长？我可以一直讲下去，不过现在得停了。此外，这些只是与核反应短期结果相关的最浅的问题。核反应的各种不良影响，之间有没有协同反应呢？几个不良反应的协同作用，不是相加，而是相乘。例如，放射线使人类免疫力下降，还能使物种产生变异，因此可能出现非常致命的疾病。新的疾病与缺乏免疫力的人体相互作用，又会产生更大范围的影响。把每种反应分开来看，是无法预测实际后果的。

面对着这些困难和不确定性，TTAPS小组使用的方法是：先确定每种反应的值域，然后建立几百种可能的交互模型，最终估算出总的变化程度。变化程度跟尘埃的量与运动方式有关。简单说来，如果核武器在城市上空爆炸，就会有大量的细小尘埃卷入大气层；城市和森林上空的爆炸会引起大火，使得较大的灰尘沉积在低空。高空和低空的尘埃遮住了阳光，引发核冬季。（还没提到其他重大的负面影响，比如辐射和臭氧层消失。）

由于这篇文章很短，我就不从头开始讲技术细节了。［TTAPS的报告和其他生物学家的评论写入了两篇文章，初次发表在1983年12月23日的《科学》杂志上。由诺顿（W. W. Norton）转载在欧利希（Paul R. Ehrlich）等人编写的《寒冷和黑暗》上。卡尔·萨根在《外交》杂志1983/84冬季刊上也发表了一篇技术性不太强、但很完整的报道。］但我提两点一般性的结论。第一，有很多条件都可以引发核冬季，例如全世界储备的一部分百万吨级炸药在城市和军事目标上空爆炸。第二点有些令人惊讶：就算是一次“小规模”的核战争，只要条件符合，都可以引发核冬季（例如，世界核储备的百分之一——100个百万吨级的核武器，如果在城市上空爆炸，产生的火灾和烟雾足够多，也足以引发核冬季）。

我不是敏锐的国际政治观察家，我很惊讶（但很高兴）很多人通过聆听核冬季报告，认识到了报告中描述的后果。我以前一直以为，人们被原子弹爆炸场景吓得够可以、不能接受更可怕的后果了。但是现在我意识到，人类还是有希望的，以前很多人希望住在烟雾缭绕的城市里，现在人们住得比较分散，这样，只要他们躲在地下掩体里一段日子，出来的时候就可以重见天日、重建世界了。我原来以为其他国家的人，特别是南半球的人，比较不关心未来的安全，但是现在他们也开始搬到大城市以外居住，因为知道北半球的人太疯狂。核冬季的报告还帮助我消除了头脑中一个陈旧观念：我曾坚定地认为核战争可以冻死一切侵略者，让我们取得胜利。

还有，核冬季一说，就像尘埃一样，传遍了全球，让全人类更加团结了一些、共同对抗危机——因为地球，就像一个有机体，有它自己的延续性，可以把受到的毁损分担给各个部分。宗座科学院（Pontifical Academy of Science）是一所世界性的机构，将我们8个国家、不同宗教信仰的20名科学家聚到一起，在梵蒂冈会见教皇约翰·保罗二世，起草一篇演讲稿作为共同抵御核战争的武器。教皇作了一番简短的讲话，说应该将我们的科学武器和他们的道德武器结合起来。我又想到了灵魂和肉体、沉思和感官、物质力量和道德劝诫，所有这些都在我们的会议室——16世纪的屋顶壁画上体现出来。

科学的延续需要灵活性。核冬季这一结论，是物理学家、气象学家、化学家、生物学家，还有漂浮粒子运动轨迹专家共同努力的结果。我很高兴，TTAPS小组从我的领域得到了两个灵感。古生物学经常被看作一门神秘的学科，尽研究那些遥远过去，跟人类现实生活没有直接关系。我写了好几篇关于撞击导致白垩纪大灭绝的文章——已经有好几个年头了，但是影响依旧。（彗星或小行星撞击地球，留下了地壳中少有的元素——铱。详见第28篇和第30篇）

伯克利分校的物理学家路易斯·阿瓦雷兹是撞击理论的创建者，一开始就提出彗星撞击后烟尘笼罩导致大灭绝这样一幅景象，提出光合作用停止、温度降低这一系列后果。他还清楚地认识到彗星撞击和核战争的相似性（事实上彗星撞击远比全世界储备的核武器还要厉害）。卡尔·萨根和他的同事们读到了这则信息，直接就用上了。好的科学研究总是有延续性，可以在表面看起来无关的学科中发挥作用。

撞击使得人类演化成为可能；没有这场撞击，我怀疑我们会不会在这儿反思核冬季。哺乳动物和恐龙几乎同时演化，头1亿年是小型动物，生活在大型爬行动物统治的世界边缘。如果恐龙没有在白垩纪撞击中灭亡，它们可能还会继续统治地球（它们已经存在1亿年了，为什么不再活6500万年呢），哺乳动物可能还是只有老鼠那么大的小动物，也不会演化出足以用核武器毁灭自身的智慧物种。一想到恐龙灭绝的双重意义——既产生了人类，又使人类反思自己的生存问题、限制核武器的使用、杜绝自生命之树产生以来最大的威胁，就令人觉得充满希望。

后记

下面是我们20位科学家起草，在梵蒂冈发表的反核宣言的全文：

核冬季：一个警告

核战争的直接后果是导致参战国的大批人口死亡。这样的战争是人类史无前例的大灾难。接踵而来的放射性泄漏，会削弱人体的免疫系统，导致疾病，使得医疗和其他公共服务系统瘫痪，威胁到大量幸存者的生存。

现在我们必须再发布一个警告：最近发现，核战争对全球气候有长期影响，可能比直接影响更为严重。

核战争中，靠近地面引爆的核武器将大量灰尘带入大气，在城市和森林上空引爆的核武器会瞬间产生火灾和大量的烟雾。微粒形成的云雾很快将散布至整个北半球，吸收并分散阳光，使地球表面变得黑暗和寒冷。陆地温度会迅速下降——几个月内保持在冰点以下，即便是夏季也是如此——造成了“核冬季”。自然状况多种多样，核战争规模有大有小，但是后果没有区别。

我们最近才意识到核战争造成的黑暗和寒冷有多么极端——尤其是经历了爆炸引燃的大火和大气环流的改变。这会给幸存下来的动植物和人类雪上加霜。至少在一年之内，农业将受到严重打击，造成大范围的饥荒。

计算结果显示，烟雾也会扩散到热带，直至南半球的大部分地区。非参战国，包括那些远离冲突的地区，都会受到严重影响。诸如印度、巴西、尼日利亚、印度尼西亚之类国家都会受到前所未有的灾难，即使境内没有核武器爆炸。

此外，较小规模的核战争，虽然只用到全球核储备的一小部分，但是，只要核武器袭击的是城市，也会引发核冬季。宗座科学院在早先的《反核战争宣言》（1982）中强调，即使是惧怕影响而打小规模的核战争，也会逐渐扩大到大规模核战争。

在一系列不同的自然条件和不同规模的核战争中，结果均是如此。但是，目前的评估仍有不确定之处，还有一些影响没有研究过。因此，需要更多的科学研究和持续的审查。没有预料到的危险不能排除在外。

核战争会增加人类的苦难，不直接参战国也不能幸免。从核战争中侥幸活下来的人大部分会死于寒冷、饥饿、疾病和放射线。可以预料到，很多动植物种类会灭绝，在极端情况下，大多数陆地物种将会灭绝。因此，核战争一旦引爆，将会是人类产生以来最大的一次灾难，并因此危及人类的未来。20位科学家中的18位：

Carlos Chagas，巴西，会议主席 | Vladimir Alexandrov，苏联
Edoardo Amaldi，意大利 | Dan Beninson，阿根廷
Paul J. Crutzen，西德 | Lars Ernster，瑞典
Giorgio Fiocco，意大利 | Stephen J. Gould，美国
Jose Goldemberg，巴西 | S.N.Isaev，苏联
Raymond Latarjet，法国 | Louis Leprince-Ringuet，法国
Carl Sagan，美国 | Carlo Schaerf，意大利
Eugene M. Shoemaker，美国 | Charles Townes，美国
Eugene P. Velikhov，苏联 | Victor Weisskopf，美国

30
湿婆之舞

19世纪时，罗马神话中的火神（Vulcan，在希腊神话中叫赫淮斯托斯）将自己的名字借给一颗行星用了几年。这颗行星位于太阳系最热的一点，水星和太阳之间。由于单靠经典牛顿力学的重力定理无法解释水星轨道的不规则波动，所以有人猜测有一颗“火神星”存在。因为人们认为它一定存在，又因为人们认定理论能带来新发现，所以居然有几个人真的“观测”到了火神星。现在人们不光靠牛顿经典力学，而且靠爱因斯坦相对论体系来解释重力现象，就能解释水星为什么在没有其他天体干扰的情况下发生轨道波动了。由于理论不再需要火神星了，所以它就悄悄地消失了。

由于理论的需要，而“看到”实际上不存在的物体，这样的勇敢和愚蠢只有一步之遥。有冒险精神的人，替假象中的天体命名，名垂青史和遗臭万年也只有一步之遥。作为一个友善的旁观者，对这样的冒险精神说什么好呢？成功没有一般的规律，正如同施蒂芬·马库斯（Stephen Marcus，外号Nick the Greek）所说，“有得必有失。”火神星的支持者败得很惨，但是反对者取得了成功。

在达尔文时代，德国一流的演化论生物学家欧内斯特·海克尔（Ernest Haeckel）在荷兰医生尤金·杜布瓦（Eugene Dubois）发现第一具猿人过渡化石的30年前提出了一种人类演化体系。在海克尔的演化之树上，智人（Homo sapiens ）的祖先是“愚人”（Homo stupidus ）——作为猿和人之间过渡物种的假想生物。海克尔没有化石证据，但是他已经有了一个假想的名字，叫作“没有语言的猿人”（Pithecanthropus alalus ）。然而，海克尔赢了，火神星的支持者却输了。海克尔的主要预测很明确——人类的直接祖先可以完全直立行走，但是头脑比我们小得多——所以杜布瓦心甘情愿地接受了海克尔的方案，将自己发现的化石命名为“直立猿人”（Pithecanthropus erectus ）。［爪哇岛发现的标本叫作“直立人”（Homo erectus ）。］

1984年4月，在一种新的大灭绝理论的推动下，几名科学家为太阳系内尚未发现的一名成员命了名。他们认为，太阳有一颗从未发现的伴星，沿偏心轨道公转，现在正处在远日点，距太阳至少2光年。（由于它质量小、亮度低，所以就算用最好的天文望远镜都很难分辨，如果不在理论指导下直接跟踪，而是随便搜索，可能永远都搜不到）。这些科学家一不做二不休，给这颗星起了名字，叫作“复仇女神”涅墨西斯（Nemesis，我一会儿解释它的来历）。他们写道：“我们担心，如果没能找到这颗伴星，这篇论文将对我们展开复仇。”［丹尼尔·威特米尔（Daniel Whitmire）和阿尔伯特·杰克逊（Albert A. Jackson Ⅳ）在同一期《自然》杂志上分别发表了有关伴星存在的文章。马克·戴维斯（Mark Davis）、皮埃特·哈特（Piet Hut）和理查德·缪勒（Richard Muller）后来在《自然》杂志上发表有关彗星雨的文章，也提到了这颗伴星。］

“复仇女神”的预测，是长期酝酿的结果。经过一个多世纪的零散发现和猜测，终于在1984年达到了顶点。我在以前的文章提到过这些内容，经常提到不止一次。他们这次的合作，要么是我从事古生物学以来最让人兴奋的大事，要么只是一群叫作“科学家”的容易犯错的凡人的又一次错误。 [2] 从写这篇文章到出书相隔一年半，在这期间，报纸和杂志肯定会抢先发表很多文章，我这篇文章如果就事论事，就派不上用场了。所以我会换个角度，解释为什么这种新的大灭绝理论能够彻底改变我们的基本概念，是什么改变了生命的历史。我还想稍微注解一下——有一些人也发现了这颗伴星，但他们给它起名“湿婆”，不是“复仇女神”——认识到科学成果与东方宗教殊途同归，可以增进科学与宗教的和谐友好。但首先，让我列举与新的大灭绝理论相关的一些主要事件：

1.大约两个世纪前，地质学家就知道有大灭绝这回事，知道它影响大范围的生命活动，在过去的6亿年之中零星、迅速地发生。地质年代中的“纪”（从白垩纪到更新世，大量的古怪名词让学生背诵起来叫苦不迭）就是以大灭绝为界限区分的。记这些古怪的名词并不是便于把时间截成一段段的，而是便于记住生命史上主要事件发生的时间。

2.有关大灭绝的理论可以写成一个成人身高那么厚的一本书。但是20世纪70年代末，在侏罗纪和第三纪之间（恐龙的末日）的地层中发现了大量的铱，突破了瓶颈，第一次为撞击理论提供了可靠证据（见《母鸡的牙和马的脚趾》第25篇）。铱是一种质量很大的非放射性元素，地球上仅有的铱在地球形成时就已经融入地核。地壳中的铱大部分来自地外（小行星、陨石、彗星），除非火山爆发让地球深处的铱重见天日——这是唯一能挑战撞击理论的假设。

3.路易斯·阿瓦雷兹（Luis Alvarez）、瓦尔特·阿瓦雷兹（Walter Alvarez）、弗兰克·阿萨罗（Frank Asaro）和海伦·米歇尔（Helen Michel）提出，6500万年前，一颗大约直径为10千米的小行星撞上了地球，带来了大量的铱。他们提出这个假设的依据是：在三处白垩纪大灭绝时期的地层中发现了大量的铱。古生物学界一开始对此充满了怀疑和讥讽（我真为我的事业自豪，我充满了打破偶像的热情），接下来，全球各地的50余处白垩纪第三纪地层中，从沉积岩到深海，都发现了大量的铱。有了这么多证据，撞击理论就让人更加信服了。另外，在前面四、五次大灭绝的地层中也发现了含量不一的铱。

4.大卫·劳普（David Raup）和杰克·塞普科斯基（Jack Sepkoski）分析了大量的化石，发现过去的2亿2500万年中，每2600万年就发生一次大灭绝（见第15篇）。（塞普科斯基以前收集的化石标本不能作为划分“正常时期”和“灭绝时期”的依据，直到后来采集到了更多更精确的数据，才最终得出这个结论。）

5.瓦尔特·阿瓦雷兹和理查德·缪勒（Richard Muller）在超过10千米厚度的地层中也发现了周期规律（2840万年），跟劳普塞普科斯基的结论类似。由于这么厚的地层为数不多（不到20处），这个结论中假设的成分比较大，但是前面一个结论非常巧合——两组研究人员既没有对过口供，用的证据也不一样——似乎是在暗示什么。

6.以上都是比较可靠的。接下来的就是猜测了：周期说和小行星一说是抵触的，因为小行星的撞击是偶然的、无规律可循的，只有所谓的“阿波罗天体”（以偏心圆轨道运行的、和地球轨道有汇合点的小行星）离地球足够近时，才会被地球引力拉过来。有什么天体既含有铱又能按照一定的周期与地球碰面呢？思路从小行星转到了彗星上。

7.第二阶段猜测：有一圈数以亿计的、围绕太阳公转、在木星和火星轨道之间的小行星带，名叫“奥尔特云”。如果奥尔特云的引力起了变化，则会影响彗星运行轨道，将大量彗星投向离太阳较近的几颗行星，有一些会撞上地球。

8.第三阶段猜测：是什么使得奥尔特云的引力以2600万年为周期波动呢？有很多提议。有人提出太阳系在银河系平面上下摆动，使奥尔特云在星际尘埃间穿行，但是穿行一次的周期是3300万年，与大灭绝的2600万年周期相差甚远。有人提出，太阳系内部有一颗太阳伴星，以偏心圆轨迹绕太阳公转，靠近奥尔特云的时候产生扰动，这样的解释似乎能解决问题。我承认，这样的观点听起来像是三流科幻小说，但是必须得认真对待它，因为它符合有成果的科学假设的核心标准。理论上可信，实际中可检验（见第28篇）。可以扫描天空，希望可以找到这颗伴星——这是一场划算的赌博（即使概率很低），因为一旦成功了，回报将是丰硕的。皮埃特·哈特告诉我，这颗伴星如果存在，将有50％的把握在3年内找到。还有，哦，别担心，这颗伴星现在在远日点，下一次与奥尔特云会面是1300万年以后。

彗星雨和星际尘埃确实让人浮想联翩，但是对于古生物学家来说，它们的吸引力可不止西方电影中“大冲撞”场景那么多。伴星理论是一个必须直面的问题，可能能够彻底地改观我们信奉的生命史原理。有两个极端的、相互抵触的理论，可以用来解释生命的发展轨迹。（所有狡猾的古生物学家都认识到，这两个极端理论都不是真理；真理在中间的某一处。我想说的是，第一个理论至今为止占统治地位，然而新的大灭绝观点更加支持第二个理论。）

第一个理论认为物种之间互相竞争，推动着生命的变迁。即使环境始终如一，生物体也会竞争、演化也会继续下去。赢了也不会怎么样，因为大家都在竞争，但是最后结果就是保持了竞争者之间的动态平衡。古生物学家凡·威伦（Leigh Van Valen）把这比做《爱丽丝镜中世界奇遇记》（Through the Looking Glass ）里的“红桃皇后”：一直跑，但总停留在一个地方。

“红桃皇后模式”是主导性的生命史理论。达尔文本人做了一个比喻，生命就像楔子在任何时候都塞得满满的：

大自然可以比做一个平面，上面排列着成千上万个尖利的楔子……代表的是不同的物种。每个楔子都贴得紧紧的，随时会互相撞击……有时两个楔子撞到了一起，一个挤到了另一个下面，把那一个挤掉了。撞击还会传播到隔得很远的其他行、其他方向的楔子上。

换句话说，自然界永远是满满当当的（或者用术语来说，是“接近平衡”）。一种生物只有挤掉了其他的，才能找到自己的位置（达尔文称之为“楔入”）。传统的对生命秩序的看法就是这么来的：生物努力提高自己，生命稳步前进，没有谁能永远得第一，个体竞争导致生物越来越复杂多样。马克思评论道，达尔文提出的这套系统，跟霍布斯所说的“一切人反对一切人的战争”（bellum omnium contra omnes）的自然状态很类似。他说的没错。

第二个理论，代表了小部分人的观点，认为生命前进的动力并不来自内部。如果环境不变，演化就会停滞。聚焦到个体上来看（就差聚焦到我花园里的鸟和虫了），每个物种都相对独立，就像朗费罗的诗句：“很多船在黑夜里驶过……只看得到信号，在黑暗中听到遥远的声音。”生物主要是与变化的环境、地质情况和地理条件竞争，而不是互相竞争。（这样，竞争就成了零星的、局部的交互事件，作用是使生命秩序平缓下来，而不是推动它前进。）

按这种观点，一定是外界多变的环境决定了生命变迁的方向。但是这个方向跟传统认为的不同：如果生命是随着反复无常的环境而演化的，那什么是前进呢？人类站在万物的顶端，还有什么好奋斗的呢？如果几千万年一次的彗星雨是影响环境的主要因素，我们还预测什么生命秩序呢？

为了找一个恰当的例子来说明两种观点的差别和它们不同的含意，我和卡洛维（C. Brad Calloway）再次研究了课本上楔子理论的标准案例：蛤和腕足动物长期的相互影响。它们是两类看上去很相似的海洋无脊椎动物：都有两片壳，大部分种类要么吸附在海底，要么在海底沉积物上挖洞，活动范围有限。但是蛤的解剖结构更复杂，如果按照过去那种单线性的排序方法，蛤的级别应更高。今天的蛤在海洋中分布很广，但腕足动物就比较少见。但是早期的化石记录中，腕足动物非常丰富，而蛤很少见。因此，利用这些有限的证据，人们编了一个经典的竞争淘汰的故事——蛤逐渐地将腕足动物挤出了它们共同的领地。卡洛维和我搜集了一个世纪以来的论述概要，都引用了这个经典案例，说生命是通过竞争排挤而前进的。

但是我们发现，事实上这个肤浅的故事并不成立。蛤和腕足动物之间并不具备恶性竞争关系。实际上，它们是共同进退的：在大部分时候，蛤的数量多，腕足动物也多；反之亦然。此外，在正常时期，两种动物都遵循了独立的演化道路：随着时间推移，蛤的数量慢慢增加，而腕足动物数目保持恒定。

传统的“楔入”理论是对一个基本事实的错误解释：远古的腕足动物是很多，今天的蛤多得能养活一个国家。但是蛤的数目超过腕足动物，并不是因为人们所想象的“竞争淘汰”，而仅仅是因为大灭绝对它们的影响不同——二叠纪大灭绝造成约90％的物种消失，腕足动物元气大伤，而蛤却毫发未损，然后就鸠占鹊巢了。化石显示的是两个物种对大灭绝的不同反应，而不是一个物种打倒了另一个。蛤和腕足动物就像黑夜中驶过的两艘船，碰巧遇上了暴风雨，一艘翻了，另一艘则没有。

简言之，如果大灭绝如此频繁、影响如此之大、是地外撞击引起的、生物预料不到也不能控制的话，那生命变迁就充满了随机性，或者受到新的、未发现的规律扰动，不像我们想的那样，完全受正常时期的可预测的竞争调控。

这条异端邪说可能会让我们失望，找不到自然的“标准程序”，得不到慰藉，但是它为古生物学提供了最为丰饶的思想和行动的土壤。因为我们研究生命史的人持有这些能够解决基本问题的数据。看似愤世嫉俗的大灾难理论，让古生物学家坐到了司机的座位上，准备再充满激情地工作10年。科学家很少有这样的特权，能够在这种基本问题上讲得上话，采取新的途径，而且还有丰厚的回报。

在这种大背景下，我不能仅仅提出古生物学工作的一个技术方案。我只想让大家考虑三个值得注意的问题，从化石记录中可以找到答案。

1.大灾难之间的2600万年，生物要花多久才能恢复到跟原来一样丰富（物种数量和生态复杂性）？如果大部分时间是用来恢复，那么竞争模型一定是错的（因为它假定世界是很挤的），一定是外部因素引发了生命的变迁。

2.大灾难降临时，谁灭绝谁生存完全是随机的吗？如果不是，那么大灾难时期生物按照什么规律灭绝，跟平常时期的规律又有什么不同呢？如果规律不是没有就是不一样，那么达尔文所期盼的小规模事件（可直接研究）、平缓过渡就是不成立的。我们必须认识到大灾难对生命变迁的影响与演化不可同日而语。

3.为什么大灭绝每次的规模都不同呢？其中一场灭绝了90％的物种，而另外几场的影响几乎看不出来，要靠塞普科斯基的详细数据才能辨认出来呢？有些热衷于彗星撞击理论的人，喜欢“过分归因”，就是什么东西都用彗星撞击来解释。如果奥尔特云的扰动，使几十亿颗彗星偏离轨道，那么只有屈指可数的几颗会撞向地球——有时多，有时少。彗星多了造成大灭绝，少了造成小灭绝。但是事情没有这么机械这么简单。我们已经花了一个世纪积累天体运动和大灭绝关系的数据（有一些天体落在海洋里）；我们还知道有几次大灭绝之前，很多物种同时、缓慢地灭亡。我认为我们应该反过来看，关注地球本身原因和大灭绝的关系。也许灾难不是出自地球本身，但是地球环境有调节灾难大小的作用。如果彗星撞击之前，生态环境就已经很差了，那就会雪上加霜、引起大灭绝。最大的一次灭绝发生在地球所有陆地都连在一起的时候，我以前认为陆地连在一起就是大灭绝的主要原因（见《达尔文以后》的第16篇），但是我现在认为连在一起的大陆只是为大灭绝提供了一个更好发挥的舞台。

最后，我诚惶诚恐地为那些寻找伴星的天文学家同事提一个小小建议。如果塔利亚（美丽三女神之一）向你们微笑，你们找到了那颗伴星，请不要用她隔壁的“复仇女神”给那颗星命名。因为涅墨西斯是正义之怒的化身，锄强铲恶，而且她报复的都是活该受罪的人（例如惩罚自恋的那西塞斯）。她所代表的，正是我们的新理论所要取代的——大灭绝是可预测的、宿命的、活该的。而且，天空是大家的，没必要再挤进一位西方的神。难道不能用其他文化的神为我们太阳系中的星球命名吗？

大灭绝不仅仅是毁灭，它也孕育了新生。如果新理论成立，红桃皇后就不能永远地将生物放在竞技场里。也许是大灭绝在生命史上埋下了不可或缺的转折之种。毁灭和创造是辩证交互的关系。此外，生物对原来的环境适应不适应，大灭绝根本不理会。它随兴而来，或者运用受害者无法预见的方法来进行破坏。难道不应该用一位既毁灭又创造、对演化中的万物持“中立”态度的神的名字，来给那颗伴星命名吗？

湿婆（Siva）是印度教的毁灭之神，与创造之神梵天和保护之神毗湿奴构成了密不可分的三位一体。跟基督教的三位一体不一样，因为所有活动都体现在三者的相互作用中。帕萨拉西（A. Parthasarathy）在《印度教的神和仪式的符号主义》（Symbolism of Hindu Gods and Rituals ）一书中写道：“三种力量永远一样明显。它们不可分割。创造和毁灭就像一枚硬币的两个面早晨逝去，则白日新生。白日逝去，则夜晚新生。在生死的链条中，日子得以继续。”如同此理，大灭绝之后紧跟着的是创造性的恢复，这构成了生命历史的平衡。

湿婆经常被描绘成美丽的“舞王相”（Nataraja）。一手持毁灭之火，一手持象征创造和节律的达莫加（Damaru）鼓（他共有4只手）。他的身旁有一圈火环——宇宙之环——由毁灭和创造相互维系着，依照节律跳动着。帕萨拉西写道：“在这永恒的创造毁灭重复的过程中，宇宙得以维系。”湿婆和复仇女神不一样，他不因为要惩罚而主动袭击某个目标。相反，他温和的面相显示，毁灭是一种绝对安静、中立的过程，不是针对某人，而是为维护世界秩序而负责。

印度教的湿婆神，呈舞王相。一手拿着毁灭之火，一手有节奏地敲鼓给舞蹈伴奏（也象征创造）。他身边有一圈火环——由创造和毁灭两种力量维系着。纽约亚洲协会，洛克菲勒夫妇捐赠，第三批藏品。照片由奥图·尼尔森提供

有很多热门的观点最后被证明是错的。我只希望后代不要认为我就是“那个做无用功的人”。有些事情确实是值得一试的。如果塔利亚微笑、湿婆存在，请你想起我钟爱的古生物学。我们古生物学家被责任拖累太久了。我们是生命史的守护者，但是经常被描绘成无脑的收集石头的人，在时间与空间和分类学的某一个角落钻牛角尖的专家，发明Pharkidonotus percarinatus 之类神秘古老名称的烦人的家伙。1969年，英国一流科学杂志的编辑给我们写信：“一般的科学家总把地质学家和古生物学家弄混淆，还以为大多数古生物学家一辈子能把一平方英里的土地翻个遍，这是可以原谅的。”

十多年来，情况一直都在变化，但是湿婆应该为我们古生物学家加冕。自从发现了2600万年的规律以后，古生物学从过去令人崇拜的一门“枯燥”学问，变成了今天宇宙学的理论来源和推动力。而且，在伽利略之后第一次对宇宙观进行了大的修改（至少在宇宙中的小小角落）。

注解：

[1] 　作者注：科学对社会的作用太让我陶醉了，搞得我忘了自己的简洁原则，这一篇和下一篇的结尾都写得太长了。

[2] 　我和一名好怀疑的英国同行打了10英镑的赌。

我们身处的宇宙究竟有多古怪？

［美］伊拉·马克·爱格多尔　著
杨立汝　译

海南出版社
·海口·

目录

序 踏光而行

第一部分 时间变古怪了，空间也变古怪了

第1章 一切从那个高中辍学生开始说起

一个古怪的理论

光荣的联邦雇员

1900年，一套全新自然法则的诞生

奇迹在一支铅笔、一沓白纸之间

第2章 伟大的分歧

两艘穿过暗夜的太空飞船

冰上的牛顿

电与磁——一枚硬币的两面

19世纪物理学皇冠上的明珠

让光芒普照大地

麦克斯韦的困境

进退维谷的专利审查员

第3章 两个基本公设对传统科学的颠覆

乘着光波前行

光速不变，这个大胆的论断的根据在哪

星之舞

光波所揭示的全新变换

一个具有宇宙普适性的法则

深远内涵

第4章 古怪而又充满魅力的诡秘世界

将世界搅得天翻地覆

速度究竟是如何合成的

下一章节

第5章 时间的收缩

光钟与时间收缩

如雨的μ介子

火箭上的时间与地球上的时间

第6章 过去、现在与未来的错觉

“向前国”与“向后国”的和平协议

速度越快，长度越短

撑杆缩短了

“时间”和“空间”究竟是什么

第7章 史上最著名的科学方程式

太空货运者的苦恼

厚冰之上的车祸

牛顿犯了个错误

终于发现了

当光速为1

超越光速

每一步运动，每一次呼吸

物质与能量的相互转化

夸克的重量

E =mc 2 的证据

早晨的星光

空间与时间的衔接

第8章 时空

漫长的等待

时空之父

你是在何时何地出生的

宇宙的度规

爱因斯坦上课没认真听讲

腕表上流过的时间

岁数相差很大的双生子

谁变老了？为什么

时空与万有引力

第二部分 宇宙的奇迹

第9章 我想知道上帝是如何创造这个世界的

始于一个冲突

牛顿的困惑

下一章节

第10章 人生中最美妙的一次顿悟

锤子与羽毛

倒霉的油漆工

外星人绑架测试

电梯冒险

旋转的圆盘

第11章 空间与时间弯曲后会发生什么

爱因斯坦的预言

与高度有关的时间旅行

欧几里得已经不住在这里了

下一章节

第12章 缝合时空

怎样分辨我们所处的是地球还是火箭飞船

把它缝起来

把你的公式拿出来我看看

第13章 宇宙的“背景”

如何建构一个不断变化的时空坐标

格罗斯曼，你得帮帮我

绘制土豆

像绘制土豆一样绘制时空

我们为什么不会掉下去

当保龄球落到蹦床表面

最省力的曲线

全新的万有引力模型

第14章 爱因斯坦的惊世杰作

消失的43角秒

消失的年月

黎明前的黑暗

这个理论处处透着无与伦比的美感

宇宙的方程

问题解决

爱因斯坦的宇宙

第15章 展现真容的宇宙

艾萨克爵士，请原谅我们吧

旋转之感

更多宇宙奇迹

时间静止的地方

创造

第16章 起初

宇宙有多大

宇宙蛋

宇宙的几何形状与未来

神秘的能量

附录A 洛伦兹变换

附录B 时空间隔分类

附录C 能量-动量

附录D 建构测地线

附录E 爱因斯坦引力场方程

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序　踏光而行

1995年，上初中二年级的我偶然间从市图书馆借到了一本爱因斯坦的传记。那是一本改革开放前出版的古董书，书皮已残破得不像样子，定价只有7毛钱。然而我却被书中叙述的爱因斯坦生平深深地吸引，从此一发不可收拾，一步步踏上了物理学这条充满理想主义色彩的求学“不归路”。

2000年我上大学，中国已进入互联网时代。随着获取信息的途径的越来越多样化，我渐渐发现那本传记里讲述的故事未必都是事实。但爱因斯坦的形象却深深地印在了我脑海中，成为我求知求学道路上的偶像和榜样。一转眼二十年过去，我拿到了理论物理学专业的博士学位，走上了工作岗位，但那些年少时就深深印刻于脑海中的爱因斯坦的逸事与名言、思想和模型、疑问和解答始终都没有被生活的琐事磨蚀，成为我心中一片永存的绿洲。我谨慎怀疑，爱因斯坦“有毒”。这位物理学大师在我的心中是一种象征热爱的图腾，它一经确立，就永远不会消退，不能被忘怀。

这些年，市面上的科普图书数量在飞速增长，爱因斯坦的传记和译著也层出不穷，我经常会买一些，却都因为书太厚、故事太熟、语句太生硬而没有读完，放在书架上仅做收藏之用。直到拿到这本海南出版社出版的《我们身处的宇宙究竟有多古怪？》，我的双眼终于被点亮，似乎看到了多年前的那个下午，一个少年在书本上第一次认识自己日后多年的偶像时的欣喜和激动。

我必须公开赞扬这部书的文字，译者杨立汝老师的翻译如行云流水，让人完全看不出这是一部翻译的作品。作为一个同样爱好翻译的科普作家，面对杨老师的译文我自叹不如。

在内容方面，这本书并非简单的人物传记。书中将爱因斯坦的生平与相对论的理论叠加在一起，读者可以清晰地看到，当爱因斯坦走在他人生的道路上时，他的生活给了理论什么样的灵感，他的理论又给了他的生活怎样的支撑。这本书既讲故事又做科普，在历史的背景中探究物理学的奥妙，使读者的时间凝固，专注于伟大的思想实验。即使是阅读过多种类型的科普书的我，也不得不感慨阅读这本书实在是一段宁静而奇妙的旅程。

除了赞扬，我还有些许补充，本书聚焦于爱因斯坦的相对论以及由相对论衍生出的诸多物理学概念，但爱因斯坦一生中的伟大工作远不止于此。比如，爱因斯坦1905年发表的《关于光的产生和转化的一个启发性观点》论文，提出了光量子说，解释了光电效应（一定频率的光照射到某种金属表面会产生电流），使爱因斯坦获得了1921年度的诺贝尔物理学奖（1922年补发）。我们今天使用的绝大多数太阳能电池，就是利用光电效应制造的。而人的眼睛之所以能看到物体，也是因为视细胞底层发生的光电效应将可见光转化为电信号，再通过神经元告诉大脑，大脑才知道它看到了东西。又比如，爱因斯坦在1917年左右提出了光的受激辐射理论，而在43年之后的1960年，才由物理学家梅曼做出了世界上第一台红宝石激光器，亦即我们今天家喻户晓的激光（镭射），这也算是爱因斯坦的伟大杰作。虽然本书忽略了一些爱因斯坦的重要理论，但总体来说，这还是一本非常优秀的科普和传记著作。

爱因斯坦的一生充满传奇色彩，了解他的故事，可以让我们看到一个伟大的科学家如何在人生道路上走过坎坷与辉煌，在科研道路上攀登最高最远的山峰，用思想和智慧开辟出物理学，甚至是人类如何看待世界的新纪元。

人类踏光前行，一代又一代的人追寻着自己内心的光明与火种、好奇与渴望，认识世界，发现世界，也改变着世界。懵懵懂懂的少年走向科学的道路，也许有某个风华正茂的青年在未来遥远的一天站在天文台上找到了暗物质存在的迹象，也许有某个在黑夜的灯火下冥思苦想的中年人用新的数学工具实现了引力与电磁相互作用的真正统一……我想他们都不会忘记，在多年前的一天下午，那个少年从图书馆的缝隙中找出一本介绍物理学大师或物理学理论的科普著作，从此点燃他心中追寻真理的火。他抬起头来，看得见的物理学世界的漫天星光，照亮着他前行的路。

吴宝俊

2019年11月11日于北京

第一部分
时间变古怪了，空间也变古怪了

——

爱因斯坦所发现的：

狭义相对论、E =mc 2 与时空

第1章
一切从那个高中辍学生开始说起

人类最美妙的体验均源自那些神秘未知的事物，它们是一切真正的艺术和一切科学的源泉。

——阿尔伯特·爱因斯坦

那是1905年。位于伯尔尼粮食仓储处与日内瓦街交接拐角处的瑞士专利局里，一个对物理学怀有满腔热忱的年轻人正埋首于案前，苦心钻研。不过，此刻的他正深陷困境，在过去的近10年间，他断断续续地在努力攻克这个纠缠他已久的难题。

他对物理学的喜爱早已升华为难以自拔的迷恋。他利用在专利局工作的间隙，争分夺秒地进行研究；甚至在步行回家的这段时间里，也常和朋友热烈地讨论问题；回到居住的小公寓后，伴着妻子忙碌的身影和摇篮中儿子的啼哭，他更是将身心全情地投入科研之中。

5月的某一天，那一刻终于来临。他告诉他的朋友：“我已经将那个问题彻底解决了。”“我的解决方法就是对时间这一概念进行再剖析。”在四轮马车“嗒嗒嗒嗒”的马蹄声与新近流行的汽车的轰隆声中，他如是宣布道。凭借着这一领悟，问题的答案开始渐次浮出水面。

在那个灵感迸发的瞬间，伯尔尼的大街上车水马龙，人来人往，而26岁的阿尔伯特·爱因斯坦则永久地改变了我们对于“现实”的看法。爱因斯坦开始带头发起一场“相对论革命”——一个看待时间与空间本质的全新惊人的视角。

一个古怪的理论

爱因斯坦提出的古怪理论之所以被称为“狭义相对论”，其原因在于它只针对一种特殊运动情况，即匀速直线运动。什么是匀速直线运动呢？若一个物体正以恒定的速率沿着某个不变的方向运动，那么它就是在做匀速直线运动。

假设你正驾驶一辆朝北行驶、车速为每小时90千米的汽车，只要你不加速或不减速，并且不掉转车头行进的方向，那么，这辆车就是在做匀速直线运动。（因为在物理学中，速度是由速率与方向两者共同决定的，所以我们也可将匀速直线运动理解为速度恒定的运动。）

狭义相对论完全不涉及非匀速运动（即速率或方向有所变化的运动），同时，它也不考虑重力的影响。尽管有诸多限制条件，但爱因斯坦依然成功地揭露了一个事实，即那个已被众多物理学家和外行广泛认可了数个世纪的基础科学体系，其实是谬误百出的。时间与空间并不是绝对的，在不同的人眼中，它们可以有差异——它们是相对的。

这又意味着什么呢？下面就让我们来仔细了解一番。不过，诸位读者可要坐稳了——这可真的是怪异至极！

时间是相对的

狭义相对论认为，时钟穿越空间进行运动时，会出现慢走的现象。

假设你正在参加我的一个十分吸引人的讲座，我们两人所戴的手表毫无二致且具有超高的精确度。此时我正以稳定不变的步速自教室的前部朝你走去，而你则坐在座位上保持不动。

根据爱因斯坦的理论，你将会看到，我的手表比你的手表走得慢了一些。为什么呢？因为相对于你，我正处于运动的状态。

以我的步速来说，我所戴的手表相对于坐着的你所戴的手表，其延缓的时间是微乎其微的——小于十亿分之一秒，这就是它未曾引起我们的注意的原因。不过，它确实是真实存在的。

当运动速度趋近光速时，时间的减慢就会变得十分明显了。假设我走向你的速度为光速的87％或者每小时约9.3亿千米，由于我的速度极快，你将看到，我的手表指针转动的速度只有你的一半，即是说，你的手表走过一秒时，我的手表只走了半秒。这是你双眼所见的情况。

下一个问题是——我所见的又是何种情形呢？我看见的是完全相反的情况——你的手表走得比我的慢！乍听之下，不免觉得十分诡异，但这正是爱因斯坦创立的狭义相对论所预言的内容。

那么，究竟谁的看法是正确的呢？——都正确，因为时间是相对的。如果此时的你已经伤透了脑筋，那么恭喜你，因为这意味着你已然开始领会相对论中那些有违直觉的论断。

依据爱因斯坦理论的主张，空间也会受到运动的影响。

空间是相对的

假设我还是在这间教室里走动，不过这一次我的手中多了一支钢笔，笔尖指向我前进的方向。此时的你又会看见什么呢？依据你的目测，你会觉得我的钢笔缩短了——因为相对你，我是运动的。根据狭义相对论，物体的长度会沿其运动的方向缩短。

同样，在人类步行速度下，这一效应极小，而这也是我们忽略它的原因所在。然而，假如我是以相当于光速的87％的速度飞驰过教室的，那么你将会观察到，我手中钢笔的长度足足缩短了一半！

站在我的角度看，又是怎样一番景象呢？我所见到的依然是完全相反的状况。如果你也握着一支钢笔（笔尖朝向相同），在我眼中，它也缩短了一半。

也就说是，当我相对于你进行运动时，你会观察到我的钢笔变短了——同时，从我的角度目测，你的钢笔也变短了。谁的视角是正确的呢？都正确，因为空间是相对的。

在爱因斯坦横空出世之前，为什么从未有人注意到这些效应呢？那是因为，正如前文所指出的，它们只有在“相对论性速度”下才有意义。所谓“相对论性速度”，指的是达到可观察的部分光速的速度。

相对论性速度

光的传播速度可达惊人的每小时10.8亿千米（近似值）。按照爱因斯坦提出的计算公式，我们只有在速度高达每小时几亿千米的运动中方可感知上述提及的这些相对论效应，但是在日常生活中，我们是不可能体验到这样的速度的。以商用喷气式飞机为例，相对于地面，其飞行速度约为每小时966千米，仅为光速的百万分之一。

狭义相对论预言了牛顿经典物理学所没有论及的一系列新效应（即相对论效应），如上文描述的时间膨胀、长度收缩等等。但就日常生活中可能接触的速度而言，这些效应都极其微弱，因而难以引起人们的注意，但它们的确是真实存在的。正如我们即将看到的，截至今日，已有大量证据——从飞机、火箭和卫星上装载的原子钟，到已经测量证实的亚原子微粒的生命周期，再到数不清的实验室实验数据——证明了爱因斯坦所提出的一系列惊人预言的准确性。

证实了相对论效应的种种证据数量庞大，时间前后跨越了一个世纪，那么，从中我们又能得出一个什么样的结论呢？阿尔伯特·爱因斯坦设想中的古怪宇宙便是我们身处的真实宇宙！

爱因斯坦是如何创立狭义相对论的？他又是如何从一个无名小卒脱颖而出成为令同时期的杰出物理学家皆黯然失色的一代宗师的？为了更深刻地理解这些问题，首先我们必须对爱因斯坦本人有所了解，包括其早年生活经历、所受的（包括正式和非正式的）教育以及最重要的——其性格、品质的形成。接下来，就让我们对这些内容进行一番简要回顾。

光荣的联邦雇员

1879年3月14日，星期五。这一天，爱因斯坦在德国城市乌尔姆出生了。这座小城位于与巴伐利亚州相邻的巴登-符腾堡州，坐落于多瑙河畔，其人口构成中仅有2％为犹太人，爱因斯坦就是其中一员。不过，爱因斯坦的父母都不是十分狂热的宗教信徒。

爱因斯坦出生时，他的父亲赫尔曼32岁，母亲玻琳则正值21岁的美好年华。玻琳出生在一个富裕的家庭，她的父亲是一名粮食批发商。赫尔曼则称得上是一名自由思想家，他对此亦十分自豪。爱因斯坦在后来的回忆中称，父亲是一位“十分温和且充满智慧的人”。

随和的赫尔曼是一名电气工程师，“对数学有着浓厚的兴趣”，玻琳是一位琴艺精湛的钢琴家，且个性鲜明。爱因斯坦似乎是从父亲那儿继承了技术能力，又在母亲的言传身教下，培养了不屈不挠的坚韧品格。

据说爱因斯坦直到三岁才学会说话，之后他有了一个古怪的爱好，喜欢自言自语。“他所讲的每一个句子……他都会轻声地对自己重复一遍。”他的妹妹玛娅（图1.1）回忆道。家里的女佣还因此给他取了一个绰号，叫他“小呆瓜”。

图1.1　爱因斯坦与他的妹妹玛娅

爱因斯坦与科学的初次邂逅缘于父亲赠予他的一件袖珍罗盘仪。彼时，年幼的爱因斯坦十分好奇，指南针指针所指的方向到底是如何被真空里那双“无形的手”影响的？“这个经历对我产生了深远的影响，”爱因斯坦回忆道，“在世间可见的事物背后，必定隐藏着某些可追溯的规律。”

10岁那年，爱因斯坦的父母将他送进在慕尼黑享有盛誉的路易波尔德中学就读。这所学校管理严苛，规矩甚多，教学方式十分机械，只会让学生死记硬背，因此，爱因斯坦对这所中学满怀憎恶。而对于老师们而言，爱因斯坦就如同一个噩梦——他聪明、傲慢、无趣、固执，并且从不将所谓的师者权威放在眼里。

12岁时，在好奇心的驱使下（在往后的岁月里，这股好奇心逐渐升温，并最终演变成为探索万物规律的毕生追求），爱因斯坦开始学习犹太教教义，并成了一名虔诚的信徒，不过时间很短，很快便转移了兴趣。当时，爱因斯坦的家人资助了一名贫困的犹太裔学生，叫麦克斯·塔尔梅，他向爱因斯坦介绍了许多有关科学与数学的通俗科普读物以及一些哲学著作。

“通过阅读（这些科普读物），我很快便意识到，《圣经》中所叙述的那些故事不可能是真的，”爱因斯坦如是总结道，“正是这一点催生了我之后对各类权威的怀疑，而这种批判反思的态度也伴随了我终生。”

15岁时，由于爱因斯坦总是扰乱课堂以及对老师不敬，路易波尔德中学的校长忍无可忍开除了他。一年之后，连高中学业都还未全部完成的爱因斯坦竟报名参加了瑞士一所师范院校的入学考试。这所高校正是位于苏黎世的瑞士联邦理工学院，它的师范类专业被视为中欧最好的专业，为周边地区输送了大量优秀的数学与科学教师。

在法语、化学与生物这三个科目的考试中，爱因斯坦均未及格，因为对这几个科目，他未曾用心苦学，不过在数学和物理考试中，他成绩优异，名列前茅。基于此，瑞士理工学院的校长推荐并安排爱因斯坦前往瑞士阿劳的一所先进的非宗教中学就读。一年之后，即1896年，爱因斯坦（图1.2）再一次参加了瑞士理工学院的入学考试，并成功被物理与数学专业录取。

图1.2　年轻的阿尔伯特·爱因斯坦

此时的爱因斯坦对其大学生活又有怎样的反应呢？他抱怨设置的课程过时落后，连麦克斯韦方程组这一揭露电场与磁场之间关系的新进理论都没有教授。于是，这位叛逆的年轻人——据爱因斯坦后来亲口讲述的——“开始频繁逃课，然后蜗居在家中自习理论物理，心无旁骛，如痴如醉。”

干扰我学习的唯一障碍，就是我所接受的教育。

——阿尔伯特·爱因斯坦

爱因斯坦以4.91分的平均成绩从瑞士理工学院毕业，满分成绩为6.0分，因而他的成绩仅为B-。爱因斯坦的班上共有六名毕业生，他排名第五，而他那位性格忧郁内向的塞尔维亚女友米列娃·玛丽克则名列最末，且未获准毕业。

时间来到1900年7月，此时，这位21岁的大学毕业生正忙着四处应聘，但爱因斯坦过往放肆无礼的课堂表现成了其求职路上的绊脚石，比如他的物理教授海因里希·韦伯就写下了许多对他十分不利的评语。爱因斯坦处处碰壁，难以找到一份理想的工作，很快便陷入了财务危机。

此后两年间，爱因斯坦一直在求职的道路上苦苦挣扎，好在他的大学同窗——数学家马塞尔·格罗斯曼（Marcel Grossman）向他伸出了援手。马塞尔的父亲与瑞士专利局的主管是旧交，他为爱因斯坦在专利局谋得了一个工资尚算可观的职位，于是，爱因斯坦进入专利局成了一名技术员，而他的专业也正好能够满足这个岗位的要求——一个能够看懂电磁学领域相关发明专利的物理学人士。

我现在干得挺好的，我现在是个光荣的联邦雇员，

整天只须用墨水笔签签写写，到月底就能拿到稳定的薪水。

——爱因斯坦写给友人的信

这就是那个即将成为我们这个时代最伟大的科学家之一的人，而彼时的他只是一个三级技术员（最低的等级），日复一日地在桌前审阅着不计其数的专利申请。那一年是1902年，23岁的爱因斯坦还是一如既往，一有空闲便埋头钻进物理研究之中。

“我很享受专利局的那份工作，因为它涉及的内容十分多样化，”爱因斯坦回忆道，“而且，我每天只须花两三个小时就能完成一天的工作量，余下的时间我都可以用来干我自己的事情。如果有人经过，我就迅速地把笔记本塞到抽屉里，然后假装认真工作。”

同年，爱因斯坦的父亲赫尔曼不幸离世，这是“我所经历过的最沉重的打击”，爱因斯坦追忆道。临终之际，赫尔曼终于勉强同意了爱因斯坦与其女友米列娃·玛丽克的婚事，1903年初，他们携手走入婚姻殿堂——但他们的家庭成员没有任何一位出席婚礼。

这对新婚夫妇在伯尔尼开始了平静的家庭生活，并在第二年迎来了他们的第一个儿子汉斯·阿尔伯特。初为人父的爱因斯坦很喜欢为儿子制作玩具，许多年之后，他的儿子依然清晰地记得父亲曾用家里的零碎物件为他做了一辆缆车。“那应该是我拥有的最好的玩具之一了，而且它还能动，”汉斯回想道，“他只用一些绳索和小火柴盒，就能做出世界上最美妙的东西。”

1900～1904年，爱因斯坦在欧洲权威的物理学期刊、德国的《物理学年鉴》（Annalen der Physik ）上发表了5篇物理学论文，但都没有引起学界的关注。他写给妹妹玛娅的信件中真切地流露了他对自己未来究竟是否能够取得成功的犹疑与彷徨。

不过，在这一时期，伟大思想的种子已经在年轻的爱因斯坦心底悄然扎根、萌芽，而滋养这颗种子的土壤就是与时间相关的重大科学疑难问题。

1900年，一套全新自然法则的诞生

20世纪初期，绝大多数物理学家都是站在伽利略、牛顿和麦克斯韦（图1.3）这三位巨人的肩膀上开展研究的。智慧过人的托斯卡纳科学家伽利略在1638年发表的论文中奠定了经典力学的根基——力是如何影响物体的运动的。他首次提出了自由落体运动的数学公式。

图1.3　经典物理学巨匠

大约50年后，伟大的英国天才艾萨克·牛顿横空出世。他的研究在某种程度上可视为伽利略思想的一种延续，他在力学、光学和万有引力等领域提出了许多极具开拓性的理论，同时，他还发明了微积分。他于1687年发表的《自然哲学的数学原理》一书被公认为是物理学历史上最具影响力的著作之一。

时光又匆匆走过了两个世纪。英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦一手缔造了经典物理学的第三个核心架构。1864年，他发表了一篇在其学术生涯中具有重要地位的论著——《电磁场的动力学理论》，将电场与磁场统一起来，正式创立了电磁学理论。

世纪之交（1900年），科学界迎来了春天。首先是艾萨克·牛顿所提出的几大物理定律取得了空前的成功，两百年之后，基于牛顿理论的种种预测——从气体及日常物体的运动情况，到太阳、行星、月亮及彗星的运行轨迹，再到地球的扁球体形状及地球上潮汐的起落规律——终于一一得到验证。

在牛顿定律难以覆盖的领域，麦克斯韦的理论体系发挥了重大作用。麦克斯韦方程组为人们掌握电场与磁场的本质奠定了坚实的基础，而且事实证明，它所做出的预测是十分伟大的——它揭示了光实质上是一种电磁波。到19世纪末期，科学家们进一步明确了热量与能量之间的关系，光学、化学以及分子理论等领域也取得了许多振奋人心的进展。

在当时的许多人看来，物理学的基础框架似乎已经建构完毕。1900年，物理学家威廉·汤姆孙（亦称为开尔文勋爵）宣称：“如今的物理学领域已经不会再有什么新的发现了，余下的仅是更加精确的测量工作罢了。”在量子力学的创立者之一马克斯·普朗克立志成为物理学家之初，他的导师就曾劝告他“尽早换一个新的研究领域，因为物理学领域的研究工作已经基本结束了”。

不过，还是存在那么一些“反常现象”是当时的科学理论无法解释的。1887年，海因里希·赫兹注意到，若用紫外线光束照射金属表面，金属表面会很快失去它所携带的电荷，即金属的电性质会发生改变。当时，没有人能为这个奇特的“光电效应”提供一个合理的解释。9年之后，亨利·贝可勒尔（Henri Becquerel）发现，铀盐会持续不断地发出某种未知辐射，那时，对于这种所谓的放射现象的运作原理，人们不得而知。

受热物体只会发出某几种特定颜色的光，比如烧红了的火棍就只泛红光，对于这一现象，无人知晓其根源所在。著名的迈克耳孙-莫雷实验则否认了以太（ether，人们想象中的可传播光的介质）的存在。同时，人们对水星运行轨道的测算结果也与牛顿的预测有少许不同。

在众多令科学家束手无策的“反常现象”中，有一个与本书的讨论密切相关，那就是牛顿定律与麦克斯韦理论之间存在的固有分歧——一个有关匀速运动所产生的影响的根本性冲突。

犹如地震之初的微弱振动，经典物理学领域的变革轰鸣已然隐隐作响。20世纪初期的科学家们为探寻这些反常现象背后的深层原因所做出的种种努力，将最终促成一套全新自然法则的诞生。这些新生理论散发着诡异而绮丽的光辉，对人们关于真实本身的最基本假定提出了质疑，这些理论包括：

·量子力学

·狭义相对论

·广义相对论

量子力学是由20世纪早期包括爱因斯坦在内的若干物理学家共同创立的，显然，它已大大超出了本书的讨论范畴——须用另一整本书才能清楚阐明其缘起及内涵。

与量子力学不同，狭义相对论和广义相对论的瑰丽世界只有一位造世主，他就是阿尔伯特·爱因斯坦。

无论是在苏黎世那段时常旷课的日子，还是在伯尔尼专利局工作的空隙，抑或是在家中陪伴妻子米列娃和儿子汉斯·阿尔伯特的空闲时间，爱因斯坦的脑子里无时无刻不充斥着各个物理谜题。终于，人类迎来了科学历史上的“奇迹之年”，在那一年，爱因斯坦向世界公开了他多年研究的成果。

奇迹在一支铅笔、一沓白纸之间

1905年，26岁的阿尔伯特·爱因斯坦在《物理学年鉴》第17卷上（图1.4）公开发表了三篇论文，这三篇论文旨在解决一些其他科学家未曾注意到的物理学矛盾，并为人类提供一个看待所谓真实的全新视角。爱因斯坦写信给友人道，这些论文都是他在空闲时间完成的。这三篇论文分别涉及：

图1.4　《物理学年鉴》第17卷的封面
此书刊登了爱因斯坦闻名于世的三篇关于光电效应、布朗运动以及狭义相对论的论文。

光电效应定律——在这篇具有开创性意义的论文中，爱因斯坦提出了光量子假说，以解释光电效应的发生原理。爱因斯坦以马克斯·普朗克的构想为基础，大胆断言，光既具有波的性质，也具有粒子的性质。爱因斯坦认为这一假设“极具革命性”，而事实上也的确如此。普朗克和爱因斯坦的研究成果为量子力学的诞生奠定了坚实的科学根基。

布朗运动——科学家们早在至少一百年前便已观察到，悬浮于水中、小如尘埃的微粒会持续不停地进行不规则运动，但他们却始终无法解释这种运动产生的原因。爱因斯坦提出，这类运动产生的根源在于个体水分子的热振动——这是对原子与分子的真实存在性的首次有力证明。

狭义相对论——在这篇论文中，爱因斯坦提出了一个颠覆性的概念，即空间与时间是相对的。传记作家罗兰·克拉克称其为“人类历史上最伟大的科学论文之一……它推翻了人类长期以来对时间和空间的既有观念，伦敦《泰晤士报》甚至认为它是‘对人类常识的冒犯’”。

爱因斯坦认为，这篇有关狭义相对论的论文“目前仅是一个较为粗糙的初稿……对有关空间和时间的理论作了稍许修改”。

爱因斯坦没有实验室，因此，其论文提及的所有实验他都未曾亲自做过。他有的，仅是指间的铅笔以及一沓白纸。他是一个真真正正的理论物理学家，所有关于光电效应、布朗运动以及相对论的理论假设皆为纯粹的思维产物。

爱因斯坦之所以能在科学领域取得如此不凡的成就，其性格特质所发挥的作用丝毫不亚于他卓越的科研能力。他的独立自主、倔强执着以及对普遍思想的排斥虽然在学生时代给他造成了不小的麻烦，但对于他之后取得的众多革命性突破却是至关重要的。

爱因斯坦究竟是如何做到这一切的？这位籍籍无名的专利局雇员是怎样发现时空相对性的？爱因斯坦即将踏上通往狭义相对论的伟大征途，而这条道路的起点便始于伽利略、牛顿和麦克斯韦构筑的物理学世界——他们的成就以及他们的分歧。

而这将是第二章主要讲述的内容。

阿尔伯特·爱因斯坦
（1897—1955）

第2章
伟大的分歧

三桅帆船在水面飞掠，船上乘客则感觉河水正湍急奔流。

我们从世上走过，却觉得世界正离我们远去。

——哲拉鲁丁·穆罕默德·鲁米（13世纪波斯诗人）

你是否乘过帆舟平稳悠缓地顺流而下？当时的你也许会感觉自己正静止端坐，而两岸的风景、舟下的水流以及头顶的天空则在朝着相反的方向缓缓移动。或者，你曾坐过火车，在火车进站停靠的短暂时间里，你透过窗口往外看去，正巧旁边的另一列火车在轰隆启动，准备驶离出站，此时，你或许会突然感觉自己正在向后移动。在那一刻，你无法判断，正在移动的到底是你所乘坐的火车还是旁边的那列火车。

为了更好地理解这一点，你也可以想象自己正置身于一艘驶往加勒比海的豪华游轮。然而，你觉得，在惬意品味鸡尾酒和大快朵颐之前，得先补充精神上的食粮，拓展自己的思维，所以，你决定报名参加我的一个有关相对论的课程。该课程的授课地点是游轮内部的一间封闭课室。

此时的游轮正以一个固定的速度、朝着一个固定的方向平稳前行，也就是说，游轮正在做匀速直线运动。今天的海面尤为平静，无风无浪，没有外物会扰乱游轮的匀速运动。另外，这间内部课室的四周是没有窗户的，入口和出口也都严实紧闭着。

那么，问题来了：身处这间封闭课室的人有什么方法可以判断，此时游轮究竟是处于静止状态还是处于运动状态呢？

（你可以使用任何你能想到的测量仪器，也可以做任何你想做的实验，但你无法接收一切来自课室之外的讯号或信息，如光线、广播、电话等。该课室业已隔绝一切外部信息。）

这不是一个无足轻重的问题，相反，它一直困扰着伽利略这位伟大的物理学家。他在1632年出版的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（下文简称《对话》）一书中这样写道：

“把你自己和几个朋友一起关在某艘大船的甲板下的小船舱里，并且在里面放几只苍蝇、蝴蝶和其他一些小型飞行生物；再找一个大缸，盛满水，放几条鱼进去；最后吊起一个装满液体的瓶子，然后在瓶子下面放一个广口容器，让瓶子里的液体一滴一滴地流到容器中。

此时的大船是静止不动的，请仔细观察这些小昆虫是如何以相等的速度在船舱里四散漫飞的，同时，鱼也在水缸里毫无二致地往各个方向潜游，水滴仍在接连不断地滴落到容器里。如果你要扔什么东西给你的朋友，务必确保扔向每个方向的力度与距离保持一致；如果你想在船舱里移动，请使用并脚跳跃的方式，并确保在所有方向上跨越的空间是相同的。

你仔细地观察着这一切……然后令大船以任意你指定的速度航行，随后你会发现，只要大船保持匀速运动（且速度不起伏波动），其上所述的这些现象将不会有丝毫改变，而你也无法从它们的行迹中找到任何一丝线索帮助你判断，大船是在移动抑或静止……”

换句话说，在密闭房间的内部是无法确定你的（均匀）速度的（物理学家称其为封闭系统），唯一能判定你是否正在运动的方法是通过观察房间外部的事物，比如相对于水流正处于移动状态的大船。

事实上，可从两种角度来看待大船的运动状态：对于站在岸上的观察者来说，大船是运动的；可对于船舱中的观察者来说，大船是静止的，同时，堤岸正在朝相反方向移动。

哪种视角是正确的呢？都正确。匀速运动是相对的，换句话说，不存在绝对的“静止”。

伽利略所言之意是，那些支配着万物运动规律（包括昆虫的飞行、水缸鱼群的游弋、瓶中流水的滴落、物体的抛掷、身体的跳跃等）的物理法则，从两个角度看其实是毫无二致的。这就是伽利略有关匀速运动的种种理论的本质所在。

人们对现实的认知始于经验，也终于经验……伽利略意识到了这一点……他由此成了现代物理学之父，或者称他为现代科学之父也不为过。

——阿尔伯特·爱因斯坦

现在，我想请你做一个简单的实验。请你保持静立，把容器里的水或其他液体倒进另一个杯子里。液体自然是毫无阻滞地流泻而下，不过你务必确保自己丝毫没有移动。（我常在我的物理课上进行这一奇妙的展示，不过我总是不小心把水洒到衣服上。）

倘若你身处的是一艘巨大到可产生重力的宇宙飞船，而这艘飞船正以相对太阳10.8万千米/小时的速度等速前进，倒水实验的结果是否仍保持不变？

难道离开瓶口的液体不会飞洒溅满四周吗？毕竟你正以10.8万千米/小时的速度移动。

伽利略给出的答案是，不会。

为什么呢？因为你、容器瓶、液体、杯子和飞船的移动速度是相同的。由于所有这些物体和你之间的相对速度为0，所以你好像是静止不动的，而从瓶口倾倒出的液体也会径直落入杯子中。

你仍对这个结论抱有疑问？好吧，倘若我告诉你，你置身的这艘航行速度为10.8万千米/小时的宇宙飞船的名字其实就是“地球”呢？此时此刻，你、容器瓶、液体、杯子和地球正以10.8万千米/小时的速度绕太阳运行 [1] 。

从某种程度上讲，我们对于静止的感知其实只是一种假象或错觉。是的，相对于地球来说，我们确实是静止的，但地球本身存在自转，同时也在沿着椭圆轨道绕太阳公转。此外，我们、地球、太阳以及太阳系中的万事万物都在以大约78万千米/小时的速度围绕银河系中心运行。

而且，我们和整个银河系正以约51万千米/小时的速度朝着离我们最近的星际邻居（仙女座星系）移动。最后，我们、银河系和仙女座星系又以相对宇宙微波背景（宇宙大爆炸之后散布于宇宙空间的微波辐射）约193万千米/小时的速度在宇宙间穿行。即使我们正同时进行着如此繁多的相对运动，但我们依然认为，我们是静止的。这绝佳地反映了伽利略有关匀速运动的观点。

所以，匀速运动是相对的，它取决于你所取的视角。爱因斯坦深受这种思维方式的影响。据传，有一次，他搭乘火车从瑞士前往巴登-巴登，途中竟询问售票员：“巴登-巴登什么时候到这辆列车？”

在1632年出版的《对话》一书中，伽利略用匀速运动的例子为哥白尼的激进理论进行辩护。哥白尼认为，地球并非静止不动，它和其他行星一起环绕太阳运转。当时的人们对这一革命性的观点抱有极大的怀疑。

“这怎么可能呢？”他们质疑道，“假如地球真的时刻处于运动状态，为什么我们感觉不到？”地球势必正居宇宙中心，且静止不动，不然，地球上的人与物肯定会因地球的运动而被甩离地面。

为了回应这个问题，伽利略指出，所有“静止”于地球表面的事物实际上都在运动，其速度与地球相同。因此，我们无法感受到地球正在运动（就像身处一艘匀速运动的飞船一样）。

……不管地球在进行何种运动，对于我们而言（只要我们只着眼于陆地上的事物），它们都是难以察觉的存在，因为作为地球上的定居者，我们总是参与到相同的运动之中。

——伽利略，《对话》

当时的罗马天主教会认为，“地球在运动，且地球不处于世界中心”这一主张有违圣经教义，于是，教皇发出指令，要求伽利略必须前往罗马宗教裁判所接受审判。1633年，10名枢机主教中的7位联席宣判伽利略有罪，罪名是宣扬异端邪说、违背教义。

伽利略被禁止“传播和讲授异端邪说”，也不准许他为此类学说提供任何形式的辩护，彼时已是70岁高龄的他还被判处终身居家监禁。同时，《对话》一书被列入“违禁书籍索引”，直到将近200年后才得以解禁。

据传，伽利略在被迫当众默认自己已摈弃哥白尼学说之后，压低了声音喃喃道：“但它依然在动。”有不少史学家认为，伽利略其实从未说过这样的话，又或者，这些话是之后在私底下向密友吐露的。但我依旧喜欢这个故事，无论其真假。

两艘穿过暗夜的太空飞船

现在请你想象一下，你正驾驶一艘飞船匀速在外太空穿梭。此时，你看到飞船前方遥远处出现了一个小圆点（见图2.1）。

图2.1　在外太空朝你驶来的外星飞船

圆点朝你径直而来，你发现那竟是一艘外星飞船。你随即打开船载雷达，对愈来愈近的飞船进行测速。雷达显示，这所外星飞船正以约10 058千米/小时的恒速向你靠拢。

很快，飞船便填满了你的显示屏。外星飞船经过时，你仔细地观察了一番船上的指令长，发现如果不看头顶那两根醒目的突出触须，其实她长得还算别致可爱。

从你的视角看，这段经历会带给你什么样的感受？你也许会觉得，你和你的飞船中的一切事物悬停于太空中，而外星飞船正在朝你接近。

外星人在她的飞船中观察到的又是怎样的情况呢？她感觉自己仿佛凝固在太空中，太空飞船中的所有事物也都是静止的。她观察到你正驾驶着飞船向她移动，而后飞速经过。她感觉你在移动，而她自身是静止不动的。她的船载雷达测量显示，你的飞船速度为10 058千米/小时。

换句话说，你和外星人观测到了同样的状况。（唯一的不同或许是，你觉得她十分可爱，但她却没有觉得你伶俐可人。）那么，究竟应该以谁的视角为准呢？都可以。因为匀速运动是相对的。

物理学家把这些不同的视角称为参考系或参照物。若以你掌舵的飞船为参考系，外星飞船是运动的；若以外星飞船为参考系，你的飞船是运动的。

参考系是相对论中的一个核心概念，将贯穿本书始终。

你反应过来了吗？一个处于静止状态的物体正在进行匀速运动。在你的参考系中，它是静止的，但在另一位观察者的参考系中，它是运动的。正是这个看似简单的关系，开启了爱因斯坦迈向相对论的伟大征途。

而伽利略对于匀速运动的洞见为这趟探索之旅的第二步——艾萨克·牛顿的运动定律——打下了坚实的基础。牛顿的运动定律始于“惯性”这一概念。

冰上的牛顿

1967年，波士顿。那是隆冬里的一个深夜，我在马萨诸塞大道上驾车往北行驶。路面结满光滑炫目的冰层，十分危险。临近贝肯大街时，路口的交通灯恰好转红，于是我赶忙刹车，没想到车子竟向右打滑，我继续猛踩刹车，但依然刹不住向外滑移的车子。我的双手如老虎钳般紧紧攥住方向盘，心底不住哀号：“天哪！车子怎么还不停下来！”最终，我的淡绿色雪佛兰犹如一艘无人掌舵的船只，径直滑行穿过十字路口，猛地撞上积满雪堆的路肩，一个趔趄，往右侧倾斜着停下了。

在年少莽撞的日子里，我经历了不少如上所述的惊恐时刻，也切身体会了何谓“惯性”。是来自何处的力量将车辆紧缚于路面？是汽车轮胎与道路表面之间的摩擦力。而在摩擦力近似于0的结冰路面上，几乎没有什么可以遏止急转的轮胎，令车子停下。

因此，一旦打滑，车子就会沿着原来的行进方向、以相同的速度（即以匀速）继续前行，直至有外力（猛烈撞进去的雪堆）阻遏——这就是惯性。惯性是物体的一种固有属性：除非有外力（雪堆）作用，迫使物体改变运动状态，否则物体（我的车子）将一直保持匀速直线运动状态。

惯性的概念由来已久。中国哲学家墨子就曾这样说过：“止，以久也，无久之不止。”意思是，运动的停止应归因于反方向的力，若不存在反方向的外力，运动将永远不会停止。10～11世纪伟大的伊斯兰科学家伊本·海塞姆（Ibn al-Haytham）也提出过相似的观点：“物体将永远保持运动状态，除非有（外）力使其停止或变更方向。”

率先在欧洲提出“惯性”概念的是伽利略和笛卡儿（法国科学家、数学家）。事实上，伽利略有关匀速运动的精辟洞见正是基于这一概念阐发的。

大约50年后，艾萨克·牛顿重申：“匀速直线运动是运动的自然状态。”换言之，物体总是“想要”以不变的速度进行直线运动。而且，只要没有外力干扰，它就能“实现愿望”。

牛顿闻名于世的运动理论便由此而生。他提出的三条定律精练简洁，却展示出了无与伦比的强大解释力，在长达两个多世纪的时间里定义了力学这门学科，明确阐释了究竟力是如何影响物体（即实体对象）的。这三则定理的内在逻辑具有自洽一致性，合称为牛顿运动定律。为了防止你想不清楚或从未了解过，现将牛顿的三条运动定律简要列出如下：

（1）牛顿第一运动定律（惯性定律）：一切物体在没有受到力时，总保持静止状态或匀速直线运动状态。

（2）牛顿第二运动定律：物体加速度的大小与作用力成正比，与物体质量成反比（F =ma ），加速度的方向跟作用力的方向相同。

（3）牛顿第三运动定律：相互作用的两个物体之间的作用力与反作用力总是大小相等，方向相反。

牛顿定律与伽利略格言

假设有两个小孩正在你的车后座上玩抛球游戏，那么，球在车子处于静止状态时的抛掷与车子处于匀速行驶状态时的抛掷是否有所不同？按照伽利略的主张，两者应毫无二致。车内球的抛掷或其他运动行为均遵循相同的物理规律（正如在伽利略的船舱里那样）。因为据伽利略所言，只要无法从车外接受信息，就无从判断车辆究竟是处于静止状态还是处于匀速运动状态。

问题在于，牛顿运动定律是否与伽利略的观点相左？运用牛顿运动定律对抛球运动进行分析预测的结果显示，不管车辆是静止不动抑或匀速前进，小球的运动表现应无不同。非常好——这就意味着，牛顿运动定律与伽利略的理论并不相悖。

为了用数学语言对这一点进行阐述，物理学家创建了伽利略变换。你可以把伽利略变换想象成一台数学自动售货机，只不过投入其中的不是钱币，得到的也不是糖果。在这台自动售货机跟前，你一方面输入反映车辆静止时小球投掷轨迹的数学方程式，另一方面将输出反映车辆匀速行驶时小球投掷轨迹的数学方程式。

若把牛顿运动定律的方程式投入伽利略变换这台售货机，我们得到的将是几道一模一样的等式。这又说明了什么问题呢？这说明，牛顿运动定律不受匀速运动的影响。这也意味着，它们所表征的物理现象在两种情况下是一致的。这也从数学角度证明了“牛顿运动定律遵循伽利略理论假说”这一观点。

若以更正式的语言进行表述：伽利略变换这一公式体现的是两个相对做匀速直线运动的参考系之间的转换。它也表明，牛顿运动定律在一切做匀速直线运动的参考系中均可成立。（关于伽利略变换的更多详细解释，请参见附录A。）

伽利略有关匀速运动的创见以及牛顿运动定律的适用领域属物理学中的力学范畴。如前所述，力学所描述的是力对物体的影响。贯穿19世纪的一个问题是，这些定律和法则是否也同样适用于电学与磁学领域。这个问题反过来也为爱因斯坦的相对论探索之旅的最后一程创造了良好的条件。

电与磁——一枚硬币的两面

1820年，丹麦科学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特设计了一个有关电场的实验，在实验装置上安放了一个磁性指南针，试图探寻电与磁之间的内在关系。物理学界对于这两者之间存在关联的猜测由来已久。

4月的某一天，奥斯特正主持一场夜间讲座，当学生陆续坐满演讲大厅时，他突发灵感，决定要在学生面前首次进行这个实验。他接通电源，电流迅速流过通电导线。然后，他注意到，靠近通电导线的小磁针摆动了，虽然幅度极其微小，但他还是敏锐地捕捉到了这个变化（见图2.2）。

图2.2　奥斯特实验
通电导线中的电流在周围产生了一个磁场，使放置其上的小磁针轻微摆动。

是什么引起了磁针的微动？指南针对磁场的感应十分灵敏。地球磁场的存在使得指南针在初始时指向北方，通电后，通电导线中的电流又产生了一个相对较弱的磁场，正是这个电流自有的磁场引起了磁针的微动。

奥斯特的小实验是物理学界第一次一锤定音地证实，“流通的电流能够产生磁场”。不过，由于磁针的摆动过于微弱，并未引起当时在场学生的注意，他们完全没有意识到自己见证的这个时刻在物理史上的重要意义。

奥斯特的发现为现代电动机装置的发明奠定了理论根基。比如吊扇接通电源之后，内部的通电导线随即便有电流通过，正如奥斯特所展示的实验，这股电流会产生一个磁场，吊扇中安装的电磁铁一旦感应到磁场就会开始旋转，同时也带动风扇叶片转动起来。装载有电动机装置的机械设备，如洗衣机、干衣机、吹风机、吸尘器等，其工作原理皆是如此。

1831年，英国伟大的实验大师迈克尔·法拉第向世人展示了一个与奥斯特的发现恰好相反的效应。他发现，若在闭合金属导线的周围反复移动磁体，该导线中会产生电流。

法拉第将机械能（磁铁的转动）转化为电能（电流），该现象被称为电磁感应。现今的发电厂、汽车（交流）发电机、移动式发电机等，均为法拉第这一发现的广泛应用实例。

总而言之，通过奥斯特和法拉第的实验，科学界终于明确，电流可产生磁场，移动的磁体反过来也可产生电流。现在所急需的是一个可为这些物理现象提供数学依托的理论。

科学家首先将目光投向了业已熟知的牛顿运动定律。鉴于牛顿物理学说在之前所取得的巨大成功，科学家不禁期望可以运用它们来解释一切物理现象，于是，他们开始尝试在牛顿定律的体系下对电磁现象进行深度剖析。但科学家们很快便察觉，他们陷入了困境。

一方面，牛顿第二运动定律适用的是处于持续接触状态的物体。比如你推动某个物体，使其运动加速，但是，你一旦与它脱离接触，它旋即停止加速，并开始进行匀速运动（假设再无其他外力作用）。牛顿第三运动定律同样只适用于相互接触的物体。

然而，电与磁在施加作用力时并不需要与物体发生接触，实际上，这些力可穿越空间实现传递，地球磁场使指南针指向磁北极便是最好的例证。物理学界将这种处于空间两个不毗邻区域的两个物体之间的相互作用称为超距作用，阿尔伯特·爱因斯坦年幼时觉得这股隐于无形的作用力十分不可思议。

再举一个例子。将两块普通的条形磁铁（比如冰箱贴）分别放在长桌的两端，推动其中一块磁铁缓慢移向另一块，然后你将发现，当两者之间的距离足够近时（但远未发生接触），第二块磁铁会自发朝趋近的那块磁铁移动。

在电学范畴，我们同样能够感受到“超距作用”的效力。拿起一块地毯在你的脚上快速摩擦，可以从组成地毯的分子和原子上摩擦下一些电子，这些电子黏附于你的皮肤，使你的身体带上净负电荷。然后缓慢移动你的手指，靠近某个金属物体，在你与该物体发生实际接触之前，你便能感觉到来自“静电”的酥麻冲击，这说明，这股电之力已由你的指尖穿越空间传递至物体。

总的来说，牛顿第二运动定律和第三运动定律均要求物体之间存在直接接触 [2] ，但电场与磁场的作用力是通过空间进行传递的，物体无须发生直接接触便可受到电场与磁场的影响。

经过多次尝试与失败，19世纪中期，科学家们终于确立了几则旨在揭示电与磁的内在联系的全新定律，其中，汉斯·克里斯蒂安·奥斯特、查尔德·库伦、安德烈·马利·安培和迈克尔·法拉第等人做出了尤为卓绝的贡献。

科学家们殚精竭虑所总结出的各项数学方程等式虽然在实际应用中稳定有效，但它们代表的只是一个游离于其他物理理论框架之外的独立体系，而且，它们违背了物理学中的一个关键原则——这些方程式组并不遵循电荷守恒定律。

19世纪物理学皇冠上的明珠

那些感官经验认为是毫无干系的复杂物理现象之间其实具有内在统一性，意识到这一点的时候，我心间应是盈满自豪的。

——阿尔伯特·爱因斯坦

理论物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦1831年出生于苏格兰爱丁堡。他与牛顿一样，是一位极具才智的数学家。他与爱因斯坦相仿，自小就对几何学充满热爱。他与两位科学巨匠有一个共同之处，即他们都经历过大量的自学时光。麦克斯韦在爱丁堡大学就读本科时，如饥似渴地自学并积累了广泛的课外知识。

麦克斯韦在光学、彩色摄影技术、分子运动论、热动力学及控制理论等领域均有建树，而他最为人称颂的物理著作当数出版于1864年的《电磁场的动力学理论》。正如先前所言，麦克斯韦与牛顿一样，是一名优秀的数学家，正是他的杰出数学才能使他得以从同时代的物理学家中脱颖而出。

他的主要杰作便是将所有有关电与磁的孤立理论与实验证据整合成一个简练而全面的数学方程组。这个方程组被赞誉为“19世纪物理学皇冠上的明珠”。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦逝世于1879年，巧合的是，在同一年，阿尔伯特·爱因斯坦出生了。

麦克斯韦的理论究竟有何特别之处？它揭示了电与磁在本质上是同一物理现象——电磁场的组成部分。他推导的数学方程组不仅与奥斯特和法拉第的实验发现（变化的电场可生成磁场，变化的磁场也可生成电场）相契合，同时也遵循电荷守恒定律。

这真的意味着电与磁确实是同一事物的不同方面吗？是的。请你试着思考一下，那些我们日常使用的冰箱磁贴，它们本身具有的磁性从何而来？

麦克斯韦方程组告诉我们，运动的电场可产生磁场。那么，在这些磁铁内部是否存在处于运动状态的电荷？肯定存在。组成磁铁的原子内部充斥着负有电荷的电子，而正是这些电子的不歇运动生成了磁铁的磁场。

不过，麦克斯韦探寻真相的脚步并未休止于此——准确来讲，是远远不止于此。在研究方程组时，他意识到，电场与磁场之间存在的应是一种极为亲密的关系：一个产生另一个。

麦克斯韦推论认为，既然变化的磁场可产生电场，而变化的电场可产生磁场，那么，它们或许是彼此依存的关系。换句话说，电场生成磁场，磁场反过来又产生电场，如此反复，不断循环，形成“周期性运动”，构成一条不停相互生成的“电磁场动态链”。

电磁场的周期性运动最终又将导致什么结果？永不停止的电磁波——可在空间中传播的电磁场。麦克斯韦预言了电磁辐射的存在！

我们可如何创造电磁波？取一带电微粒并使其加速。比如，令电子上下移动，由于电子负有电荷，其上下运动可产生变化电场，该变化电场又会生成磁场，并依次往复，所以，通过使电子上下运动，我们能够得到一个自续（self-perpetuating，即可令自身永久存在）的电磁场——也可称其为电磁辐射。

电磁辐射的具体形态可见图2.3。处于不停变化之中的电场生成同样不停变化的磁场，反之亦然。这其中的关键词是，变化。倘若电场与磁场均没有变化，将无法产生电磁波（或电磁辐射）。而正如我们在之后的章节将看到的，这也是爱因斯坦通往狭义相对论之路的一个重要关隘。

图2.3　电磁波
电场的方向与磁场的方向相互垂直。波动图形随着时间变化向右平移。

麦克斯韦对于电磁波的传播速度十分好奇。我们完全可以想象出他埋首桌前、全神贯注地根据方程组推算数值的认真模样。他一笔一画地在草稿纸上写下最终得出的那个数字，笔墨未干，他已经认出了这个数字所具有的含义，他兴奋难耐，因为演算出的结果大致为300 000 000米/秒，而这个速度正是光速！

电磁波是以光速传播的这个发现虽是麦克斯韦偶然所得，但其重要意义却是不言而喻的。就此，法拉第的猜想得到确证——光就是电磁辐射，两者确为一体。我们称为“光”的这一神秘事物，其实质是处于不停变化的电磁波。对于人类而言，“自然”是包裹着重重幕障的未知，而麦克斯韦的发现无疑为人类揭开了其中尤为重要的一幕。

麦克斯韦将电、磁与光统为一体，这一理论对阿尔伯特·爱因斯坦产生了深刻的影响。爱因斯坦在后来回忆道：“学生时代的我认为，在众多科学理论中，最吸引人的便是麦克斯韦的论著。”在麦克斯韦的启发下，将迥然相异的各个理论整合为具备逻辑自洽性的统一整体成为爱因斯坦毕生追求的事业。

人们始终致力于将各项堪称物理学根基的重大发现统一成整体，而光与电磁学理论的合并正是这段奋斗征程上的一大丰碑。

——阿尔伯特·爱因斯坦

让光芒普照大地

前文提及的电磁辐射与我们日常肉眼所见的光真的是同一回事吗？是的。所谓的可见光便是处于某一特定频率范围的电磁辐射。就像我们的耳朵只能听到特定频率范围内的声音，我们的眼睛也只能感知到有限频率范围内的光（即电磁辐射）。雨后我们常能欣赏到泛着七色光的彩虹——红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫，而事实上，这些颜色不同的光就是具有不同频率的电磁辐射（见图2.4）。

图2.4　电磁波谱
电磁辐射虽然具备不同频率与波长，但本质上都是光。

从每秒仅振动少许几次的长波，到每秒振动高达千亿亿次的γ 射线，包括振动频率介于两者之间的其他电磁辐射——无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线以及X射线——全部都是光。

虽然这些光形式不同，呈现出的物理效应也大相径庭，但真正能将它们区别开来的特征，是它们各自独有的频率。因此，所谓“光”和“电磁辐射”其实只是同一现象的不同表述而已。而且，不管频率如何相异，所有电磁波在真空中都是以光速进行传播的。

根据马克斯·普朗克推导出的方程式，爱因斯坦提出，电磁辐射的频率越高，其能量也越高。比如由于X射线属于高频率电磁辐射，因此，其相应具备的高能量使这类射线可穿透人类的软组织（但无法穿透骨头）进入人体内。

1887年，海因里希·赫兹用实验证实了电磁波的存在及传播；1901年12月，伽利尔摩·马可尼在英格兰康沃尔郡发射的无线电磁波在穿过浩瀚的大西洋之后，抵达了纽芬兰省圣约翰斯的接收处。这次极具历史意义的电波发送开启了信息时代的序幕。

现今常用的一切无线通信背后均潜藏着电磁辐射的身影，无线电台、电视台、手机、便携式固定电话、人造卫星、宇宙空间飞行器、电子车匙、车库门遥控开关和其他远距离控制设备都是通过电磁辐射来实现信息传递的。这些技术及设备利用的电磁辐射或许频率不同，但无一例外都是麦克斯韦宏大视野的最佳见证。

麦克斯韦的困境

虽然麦克斯韦方程组向世人揭示了电、磁、光的本质，取得了巨大的成功，但它们并非毫无瑕疵，往后的数十年间，物理学界的许多研究者都在为解决这些瑕疵而苦苦冥思。

困境1：伽利略的主张

前文提及，牛顿运动定律不受匀速运动的影响。牛顿运动定律所描述的一切物理现象无论是在匀速行进还是静止不动的车辆里，均表现一致。可见，牛顿运动定律和代表这些定律的方程式是依循伽利略有关匀速运动的主张的。

麦克斯韦方程组的情况则有所不同。19世纪末的物理学家发现，麦克斯韦方程组并不遵循伽利略的理论，它们会受到匀速运动的影响。

物理学家们是如何得出这个结论的呢？他们将麦克斯韦方程组进行伽利略变换，结果显示，演算之后得到的方程组与麦克斯韦方程组并不相同。

这是否意味着，适用于电、磁、光的物理法则在匀速行进的车辆中与在静止不动的车辆中是存在区别的？是的。这也意味着，涉及电、磁、光的物理实验可以帮助我们分辨所在的密闭车辆究竟是处于匀速行驶状态还是处于静止状态。这显然违背了伽利略的观点！

但是，烦请稍等一下再做论断，因为我们的日常生活经验似乎在说，事实并非如此。比如靠电池供电的笔记本无论是放置在静止的书桌上，还是被乘客携带至时速高达约966千米的飞机上，都能如常运转。万幸，在地上设计、生产的电磁设备在飞机上都能正常运行。

房车里的微波炉又如何呢？不管房车是停靠在路边休整，还是正以约97千米的时速在高速公路上飞驰，车里安装的微波炉都将以相同的方式给茶饮加热，所以，日常生活经验表明，电磁现象不受匀速运动的影响。

不过，19世纪末的物理学家对此并不敢妄下定论，毕竟，电磁学在当时还只是一个新兴学科，对电磁现象的实验研究相当有限。他们认为，要么电磁现象确实会受到匀速运动的影响，要么麦克斯韦的伟大理论仍需修正。

这就带来另一个问题。假设麦克斯韦的数学论断是正确的，电磁对静止物体的作用的确异于其对匀速运动物体的作用，那么，对于所谓的“静止”物体，我们又该如何准确界定呢？

我们进行实验的实验室相对于地球而言是静止的吗？是的，你可以这样认为。但地球每时每刻都在绕着太阳公转，而太阳又绕着银河系的中心转动，诸如此类的运动数不胜数。宇宙间的一切事物均在做相对运动，我们又该如何在这广袤的空间里，定位出那个相对其他一切物体处于静止状态的特殊所在呢？

在无垠的宇宙里，真的存在一个可被我们定义为正处于“静止”状态的空间吗？

此时的你或许备感困惑，其实，20世纪初叶的物理学家对于这个问题同样充满不解。麦克斯韦理论引发的第二个争议之处便与此有关。

困境2：以太

19世纪末的物理学家已明确知晓，声波须通过某种介质（如空气）进行传播。比如在外太空的真空环境下，声音是无法传递的。为什么呢？因为真空中没有介质可荷载声音。

因此，他们认为，这个原理应该也适用于光波，即光波也需要借助某种介质才能进行传播。这个神秘色彩浓厚的光波传播媒介有一个极具异国情调的名字——光以太（the luminiferous ether）。当时的观点普遍认为，所谓的以太是一种透明的“背景”物质，它们充斥宇宙的每个角落。

虽然没有任何实验证据可证明以太的真实存在，但以太理论依然受到了学界的广泛认可，生机勃发，而科学家们所要做的就是设计出一个能够证实以太确实存在的实验。

1887年，美国物理学家阿尔伯特·迈克耳孙与爱德华·莫雷进行了一系列实验，试图探寻以太的存在痕迹。他们垂直发射两束光，而后再使这两束光反射回起点。（该实验假设以太与太阳相对静止。）

其中一束光线射向地球运动的方向，径直进入理应弥漫空间、无处不在的以太；另一束光的传播方向则与地球运动的方向相垂直。迈克耳孙与莫雷预测，两束光的传播速度应不相同。

为什么呢？因为进入以太之后再反射回起点的那束光应该会受到“以太逆风”的影响而减速，因此，与垂直方向传播的那束光线相比，其速度应有所减缓。为了更好地理解这一点，让我们分别从两个视角来看待这个问题：

从以太的视角看（即以以太为参考系）——地球以环绕太阳运行的方式围绕以太进行运动。

从地球的视角看（即以地球为参考系）——地球静止不动，以太则朝相反方向运动，因此，从地球的角度看，势必存在一股“以太逆风”持续不断地迎面吹来。（就像开车飞驰穿过静止的空气，假如你张开双手伸出车窗，掌心将会感受到呼啸而来的风力。）

所以，倘若光速确实与以太有关，那么，径直进入以太并返回的光束其速度理应慢于照射方向与以太运动方向相垂直的光束。

迈克耳孙在向其子女解释实验的预期结果时，将这两束发射方向相垂直的光束比作两个在河流中竞赛游泳的运动员。“两束光在进行竞速比赛，”他告诉女儿，“其中一束光逆流而上，之后再原路返回起点，另外一束则往返横渡河道（即运动方向与水流方向相垂直），在两者游行距离相等的情况下，假如河道中真的存在奔流不息的河水，横渡河道的游泳运动员必将赢得胜利。”

然而，迈克耳孙与莫雷设计的精密的实验显示，不管两束光射往哪个方向，它们的速度都是相同的。他们反复进行实验，把整台实验装置放在平台上，旋转装置，令相互垂直的两束光线发射至不同方向。他们甚至还苦心等待了六个月，待到地球运动方向与太阳相反时，又再次进行实验。但是，无论他们如何调整实验环境，两束光线的传播速度都是一样的。

人们苦思无解。当时的科学界对以太理论深信不疑，就算实验数据与之矛盾，科学家们也未有丝毫动摇。

他们认为，这或许是因为他们对于实验当中的某些环节了解得还不够透彻。

困境3：不变的光速？

要想抛开“空间中存在以太”这个想法绝非易事。为什么呢？一方面，麦克斯韦方程组认为，光总是以相同的速度在空间中传播。换言之，光速是永恒不变的。好，我们不妨暂且假设光速确实是永恒不变的，但是，这个所谓的“不变”又是相对于什么而言的呢？

若以光源为参照点，光的传播速度是一直不变的吗？比如某个灯泡发出的光相对于这个灯泡而言其传播速度总是不变的吗？又或者，光的传播速度不变是相对于地球而言的？

为什么一定得是地球呢？以太阳为参照点不可以吗？若以银河系为参照点呢？天哪，我们似乎又回到原点了。现在我们或许可以理解为什么物理学家们对于究竟该如何解读麦克斯韦方程组得出的“光速是永恒不变的”这一推论一度满怀困惑。

一些物理学家提出，光速的永恒不变是相对于以太而言的，而充斥整个宇宙空间的以太则是静止不动的，所以，处于静止状态的光以太构成了一个特殊的运动参考系——一个遍布宇宙各处的绝对静止参考系。以当时的眼光来看，这个构想似乎已是最为合理的答案。（只可惜迈克耳孙-莫雷实验并未检测到以太的存在。）

而这个所谓的以太具体又是由什么物质构成的呢？问得好！以太的构成是19世纪末期物理学界最为关切的问题之一，1900年，物理学家约瑟夫·拉莫尔（Joseph Larmor）在英国科学促进协会作主席报告时，就曾抛出这样一个问题：以太究竟“只是一种作为辐射能量的传播媒介而存在的无形物质”，还是“构成一切物理作用的核心”？换句话说，拉莫尔对以太的本质而非以太的存在存疑。

进退维谷的专利审查员

困居于专利局的爱因斯坦对当时物理学界的争论纠葛毫无所闻，不过，对于牛顿理论与麦克斯韦方程组之间的矛盾分歧，他却领会颇深。他意识到，牛顿运动定律是遵循伽利略关于匀速运动的主张的，但麦克斯韦方程组却是与之相悖的。

爱因斯坦还清醒地意识到，虽然迈克耳孙-莫雷实验并未探测到任何以太存在的痕迹，但物理学家们依然坚信，这样一种遍布宇宙的电磁波传播介质是真实存在的。

这些问题深深地困扰着当时的许多物理学家，而爱因斯坦这位彼时尚是无名之辈的专利审查员也同样深陷于这团浓郁的迷雾之中。牛顿定律与麦克斯韦方程组这两个伟大的物理学理论，在伽利略关于匀速运动的基本理念上意见相异，这令爱因斯坦苦恼万分。他憎恶这个明显得叫人无法忽视的理论矛盾，他在后来自述道：“在长达七年的时间里，我的研究陷入瓶颈，近乎一无所获，这使我产生了精神上的焦虑情绪……”

就像其他行业的权威人士一样，老派的物理学家依旧顽固地坚持着自己的观点，认为以太是存在的。在这样的时刻，这个世界所急需的就是一个勇气与独立思考能力兼备的年轻科学家无所畏惧地站出来挑战权威。

1905年，年仅26岁的阿尔伯特·爱因斯坦挺身而出，挑起了这个重担。他化解了牛顿与麦克斯韦之间的学术争论，并一锤定音地解决了有关以太的问题。正是由于爱因斯坦敢于冲破以往某些早已深入人心的理论学说的桎梏，敢于接受有关时空本质的新理论所传达的“怪诞”含义，这一重大突破才得以实现。下一章节将重点阐述爱因斯坦实现这一重大突破的艰辛之路。

注解：

[1] 　大致上讲，地球的运动状态近似于匀速运动。在这里，并未考虑地球自转和在椭圆轨道上绕太阳公转所造成的影响，因为它们对我们实验的影响微乎其微，可忽略不计。

[2] 　与牛顿运动定律不同，牛顿提出的万有引力定律所假定的是一种超距作用状态，这一点在第九章将再作详述。

第3章
两个基本公设对传统科学的颠覆

两个原理（公设）本身都是无害的，但两者若合为一体，必将颠覆传统科学的根基。

——班诺什·霍夫曼（爱因斯坦晚年时的合作伙伴）

1894年，爱因斯坦的父亲又一次生意失败，他带着家人搬到意大利的西北部村镇帕维亚定居，因为在那里有一个富有的亲戚答应资助他开办一个电化学工厂。爱因斯坦没有随家人移居意大利，而是留在一个远房亲戚家完成他在路易波尔德中学的学业，他还要继续学习三年方能毕业，对于一个不到15岁的少年（见图3.1）来说，这显然是一段十分漫长难熬的时光。

图3.1　14岁的阿尔伯特·爱因斯坦

深陷抑郁情绪的爱因斯坦极度渴望辍学，跟随家人前往意大利。据传，路易波尔德中学的校长在听闻这件事情之后，决定采取报复手段，以破坏课堂纪律和不尊重教师为名，正式将爱因斯坦开除出校。爱因斯坦随即搭乘火车，越过阿尔卑斯山脉，前往意大利与家人会合。到达帕维亚以后，这位辍学生向满脸惊诧的父母声言，他无论如何都不会再返回德国了。

爱因斯坦在后来回忆，他在意大利度过了一段快乐的时光。离开规矩森严的中学，享受自由的清甜的空气，还有朝气蓬勃的亲友相伴，这使得爱因斯坦能够放下一切负担，轻松地放任思想的帆舟乘风远航。

某一天，16岁的爱因斯坦骑着自行车在意大利的乡村郊野间悠闲地游逛，在山风野花的清香中，他心间蓦然起了一个疑问，一个将会动摇经典物理学理论根基的疑问——假如我能够以光速向前奔跑，我看到的将是一个怎样的世界？

这个疑问看似浅显，其实意义深远。

乘着光波前行

有一个名叫萨丽的冲浪运动员正踏着冲浪板在起伏的海浪里破风而行，假设她以及她脚下的冲浪板与奔涌的海水速度一致，那么，在萨丽看来（以萨丽自身为参考系），她与海浪均处于静止状态。

假如现在有一辆摩托艇也正以相同的速度在萨丽旁边巡航，若摩托艇上架设有摄像头，那么摄像头录下的会是怎样的画面？你将看到静止不动的萨丽、冲浪板以及海浪，也就是说，摄像头和萨丽所见的是在空间中凝固的静止水浪（见图3.2）。

图3.2　冲浪运动员萨丽与海浪
从速度相同的摩托艇上看，萨丽和海浪均静止不动。

问题是——这个简单的类比是否适用于光波？

年轻的阿尔伯特·爱因斯坦假设自己正以光速进行极速运动，他推论道，倘若他能够以光速运动，那么他就可以跟随某道光束向前传播，此时，根据伽利略的主张，就像在萨丽眼中海水是静止的一样，这道光束在他眼中应该也是静止不动的。

然而，依照麦克斯韦方程组，这是不可能的。为什么呢？原因与光的产生原理有关。

如前文所述，之所以能够产生电磁波（即光），是因为其中变化的电场在运动时会立即“激发”磁场，而变化的磁场在运动中反过来又会产生“涌动的电场”，如此循环往复，才有了持续传播的电磁波。

因此，光在本质上是一种持续振动的电磁波——这里的关键词是“持续”。据麦克斯韦所言，光波必须处于运动状态方能存在。简单来说，就是“光是不可能处于静止状态的”。按照麦克斯韦的理论，如果光束静止了，电磁波也就不复存在了，也即不存在光。

所以，爱因斯坦心生疑问：假如我以光速与光同步齐驱，将会发生什么情况？光束应该与我处于相对静止状态吧？如此一来，我又会看到什么景象呢？难道光束会在我的眼前消失但同时又依然存在于其他人的视野之中？这怎么可能呢？

经过十年的认真思考，终于提出这一假设。这个假设来源于我在16岁时偶然想到的一个悖论：假如我能够以光速追赶一束光，那么我观察到的这束光应是一个在空间中不断振荡但又停滞不前的电磁场，然而，这样的东西似乎是不存在的……

——阿尔伯特·爱因斯坦

这一假想所引发的一系列疑问困扰了爱因斯坦整整十年，甚至将他带到“完全丧失信心的绝望边缘”。时间的车轮滚滚向前，转眼到了1905年。在这一年，爱因斯坦的研究终于有了结论，正是这个结论成功解答了那个令爱因斯坦苦恼了十年的难题，而这个结论所蕴藏的颠覆性内涵也必将震惊学界。

爱因斯坦得出的推论究竟是什么呢？你永远不可能追上光！不管你的运动速度多快，光与你之间的相对速度都是不变的。

由于你永远也不可能追赶上光束，因此，无论你自身的运动速度多快，光线与你之间的相对速度将永远不会发生改变，始终如一。也就是说，光线的传播速度与你的运动速度完全无关！

在爱因斯坦的构想中，人们测量到的（真空中的）光速永远都将是同一个数值，不会有丝毫波动，这个数值约为约10.8亿千米/小时，与测量者或光源的运动状态均不相干。（物理学家用符号“c ”代表光速，准确来说，真空中光的速度是每小时1 079 252 846千米。）

你永远追不上光

等等！依照牛顿经典物理学（以及我们的常识），在理论上，你是可以追上任何高速运动的物体的。假设这样一个情景，一个名叫克鲁普克的警官正驾驶一辆巡逻警车在公路上追赶一名驾车在逃的银行劫匪，此时，逃逸车辆与地面的相对速度为每小时100英里（约160千米） [1] ，克鲁普克驾驶的警车与地面的相对速度为每小时80英里（约128千米）。

以克鲁普克警官的视角看，逃逸车辆的速度仅为每小时20英里（约32公里），所以，从理论上讲，只要警车加足速度，就能赶上并抓获劫匪。

假设克鲁普克警官现在驾驶的是一艘超级火箭，而他追赶的也不再是劫匪，而是一道光线。如果此刻火箭的速度为光速的80％，那么我们可能会理所当然地认为，相对于克鲁普克，光线的速度应为光速的20％，即100％减去80％。

爱因斯坦却不这样认为。他主张，此时光线相对克鲁普克的速度依然是100％的光速。

不管克鲁普克如何加快速度，他测量到的都将是全速传播的光线。光线的速度是完全独立于克鲁普克的运动的，不管是以克鲁普克还是其他任何人为参照点，光在真空中的传播速度均为c 。这便是爱因斯坦所得出的大胆结论。

换言之，对任何处于匀速运动状态的观察者来说，真空中光的传播速度都是相同的。爱因斯坦称这一原理为“光速不变原理”。正是在这一理论公设的基础上，爱因斯坦解决了19世纪科学界最大的谜题——为什么迈克耳孙-莫雷实验无法检测到所谓以太的存在痕迹。

光速不变，这个大胆的论断的根据在哪

1905年，爱因斯坦完全摒弃了以太这个所谓“光波传播介质”的概念，他继承了过去实验主义者的观点——如果找不到以太风存在的证据，那说明它就是不存在的。这解释了为什么迈克耳孙-莫雷实验无法检测到以太的存在痕迹，因为光的传播并不需要介质。也就是说，以太是不存在的！

……人们费尽心思想发现与“光波传播介质”有关的地球运动，但无一成功，这说明无论是电动力学还是力学现象，均不具备绝对静止的性质。

——阿尔伯特·爱因斯坦1905年有关相对论的论文

爱因斯坦还指出，由于不存在以太，所以不存在所谓的特殊参考系，因而也就不存在绝对静止的空间——宇宙中的万事万物都在进行相对运动。

不过，既然不存在以太，那么，光又是相对于什么在做恒速运动呢？爱因斯坦给出的答案是，相对于一切事物。若以规范术语进行表述，爱因斯坦的“光速不变原理”指的是，真空中的光速对于任何匀速运动参考系来说都是相同的。

换言之，光速是绝对的——它是一个常数。不管你与光源的相对速度如何，光与你的相对速度总是恒定不变的。

你的意思是，无论我以何种速度走向光束，光束总会以相同的速度c 朝我射来？是的。即便我的速度已然接近光速？没错。要是我向远离光束的方向运动，光束也会以恒定的速度c 朝我射来吗？即使我运动的速度已趋近光速？是的！是的！

因此，光速不变原理也可表述为，光速总是恒定不变的，与光源的运动速度无关。

现在，让我们将“情景倒置”一番，从汽车的角度来审视问题。若以汽车为参考坐标系，其前灯是静止的，而你正在朝着前灯的方向运动。但作为观察者，此时你测量到的光速依然为c 。所以我们还可以将爱因斯坦的光速不变原理表述为，光速总是恒定不变的，与观察者的运动速度无关。

这个令人惊骇的原理告诉我们的是，不管你朝哪个方向运动、运动速度多快，光的传播速度总是恒定不变的；不管光源的运动方向、运动速度如何改变，光的速度都永恒不变。虽然这个理论乍听上去似乎荒诞离奇，与我们的日常感知也相去甚远，但这就是爱因斯坦在1905年提出的光速不变原理。

根据狭义相对论，不管你或其他任何事物的运动速度如何，（真空中）光的传播速度都是一个恒定不变的常数。

这是我们测量得出的结论吗？假定在外太空有一艘亮着着陆灯的超级火箭〔见图3.3（a）〕，同样身处外太空的你正操纵设备准备测量光速。开始，火箭与你处于相对静止状态，正如预期的那样，你携带的设备测量出着陆灯发出的光束其传播速度为c （即大约为每小时670 000 000英里或10.8亿千米/小时）。

图3.3　爱因斯坦的光速不变原理
不管光源的运动速度如何，你测量到的光速都将是c 。

现在超级火箭开始启动，以每小时100 000 000英里（约1.6亿千米/小时）的速度朝你驶来〔见图3.3（b）〕。此时，你的设备测量到的光速又将会是多少呢？

牛顿会告诉你，是670 000 000英里加上100 000 000英里，即每小时770 000 000英里（约12.4亿千米/小时）。

但是，依照爱因斯坦提出的理论，你测量到的光速应该一直都是c ，即每小时670 000 000英里。火箭的运动速度对光束射向你的速度没有影响。

现在你明白了吗？不管光源的运动速度多快或多慢——逆向来说，不管你的运动速度多快或多慢——光总是以恒定不变的速度c 在真空中进行传播。

1905年，爱因斯坦对光速的不变性作了理论分析，其阐释逻辑严密，说服力极强，但其他物理学家依然对这一理论投以怀疑的不信任目光，毕竟这个观点彻底颠覆了他们的惯有认知。他们提出质疑，“这个大胆论断的根据在哪里？是否有实验结果可以证明光的速度确实与其光源的运动状态无关？”

在爱因斯坦发表那篇具有划时代意义的狭义相对论论文时，人们还未能找出这样的实证证据。但是，那位信心十足的26岁青年已然迫不及待，决定将他研究得出的光速不变理论以及该理论所蕴含的启示一并公之于世。而不久之后，一份关于某颗恒星的研究报告将证明，爱因斯坦的满怀自信绝非毫无依据的无根之木。

星之舞

1913年，著名的德西特双子星研究分析第一次证明了爱因斯坦的光速不变原理确有其事实依据，而非空想。“双子星”指的是两颗环绕同一个引力中心运行的恒星，我们在天上所见的恒星中，至少有一半是双子星（我们之所以只能看见其中的一颗，是因为我们的肉眼没有同时处理两个图像的分辨能力，但天文望远镜可以做到）。

荷兰天文学家威廉·德西特对许多双子星系的天文望远镜图像进行了研究，他发现，对于那些运行轨道恰巧与地球处于同一平面的双子星系，当其中一颗恒星与我们趋近时，另一颗必将远离（见图3.4）。

图3.4　德西特的恒星实验
围绕彼此旋转的双子星与地球的运行轨道处于同一平面，在这个例子中，位于上方的恒星趋近地球，下方的恒星则远离地球。

让我们来探讨一下这两个可能性。

爱因斯坦是错的——恒星的运动确实会影响其发出的光线的传播速度。

假如爱因斯坦提出的理论是错误的，星光的传播速度会受到其光源的运动状态的影响，那么我们将看到一些极其古怪的现象。这其中的关键点在于，只有物体发出的光波到达且进入我们的眼睛，我们才能“看到”这个物体，因此，如果恒星的运动会影响光速，那么它也会相应地影响我们看到这颗恒星的时间。也就是说，我们无法同时看到双子星系中的两颗恒星，两者出现在我们眼前时存在时间差。

当其中一颗恒星位处其运行轨道的顶点，正朝趋近我们的方向运转（见图3.4），假如牛顿是正确的，该恒星的运动速度应叠加在光速上，所以，这颗位于运行轨道顶点的恒星朝我们趋近的速度应快于c ，而我们的眼睛也应更早地捕捉到这颗恒星。

同时，位于运行轨道底部的恒星正在朝远离我们的方向运动，所以，应从光速（即c ）中减去该恒星的运动速度，换言之，位于轨道底部的恒星所发出的光线其传播速度应慢于c ，如果实际情况确实如此，那么我们的肉眼应较迟观察到该恒星。

如此一来，在我们眼中，两颗恒星的运行将不同步，而且它们的相对位置以及运行周期也将显得毫无规律。

现在我们来看一下第二个可能性。

爱因斯坦是对的——恒星的运动不会影响其发出的光线的传播速度。

在这种情况下，无论两颗恒星在其轨道上如何运行，它们所发射的光线都将同时到达我们眼底，因此，两颗恒星之间的间隔看起来将始终与我们预计的一样，也就是说，我们可以通过天文望远镜观测到恒星规律精准的系统运行。

那么，德西特观察到的实际情况又如何呢？他的天文望远镜观察研究显示，正如爱因斯坦的光速不变原理所预测的那样，双子星系的运行具有精准的规律性，没有观测到任何不规律或不对称的反常之处。在逻辑严密的数学分析结果的支撑下，他断定，爱因斯坦是正确的——光的传播速度确实与其光源的运动速度无关。

此后的无数检测结果也都证实，爱因斯坦的光速不变原理是正确的。比如1964年，欧洲核子研究组织（CER N）的科学家利用粒子研究设备进行了中性介子（一种亚原子微粒，能够随机发射速度为c 的光波）的相关研究，他们先将中性介子的运动速度加速至0.99975c （相对于实验室），然后检测这些中性介子所放射的光线的速度。

支持牛顿理论的物理学家预测，中性介子的速度将与光速叠加，使得其放射的光波净速度达到1.99975c （相对于实验室）。然而，CERN的物理学家经多次测定发现，光波的传播速度依然为c 。正如爱因斯坦的光速不变原理所预测的，光源（即中性介子）的运动状态对光速无任何影响。

1977年，麻省理工学院（MIT）的物理学家肯尼斯·布雷彻仿照德西特的恒星观测实验，对X射线脉冲星（即高速自转的中子星）进行了更加精确的观察研究。这些准确度达到十亿分之一的实验结果均证实了爱因斯坦的光速不变理论。

因此，爱因斯坦提出的光速不变原理虽然看似与常理相悖，但事实上是无比正确的——（真空中的）光速是一个恒定不变的常数，与光源和观察者的运动速度无关。宇宙的真实面貌远比我们想象的古怪诡秘。

爱因斯坦的光速不变原理意义重大，影响深远，它不仅是狭义相对论的物理根基，爱因斯坦的所有伟大预言也都源于此，而这一切都始于对匀速运动的一个全新变换。

光波所揭示的全新变换

在第二章中我们了解到，伽利略变换从数学视角诠释了伽利略对于匀速运动的主张——至少爱因斯坦的前辈们都是这样认为的。1905年6月，年轻气傲的爱因斯坦发表了关于相对论的论文，并指明，他提出的光速不变原理将推导出一个全新的匀速运动变换公式。

爱因斯坦推导出的这个新公式究竟有何特别之处？若将该公式应用于麦克斯韦的电磁理论，麦克斯韦方程组将保持不变。换言之，爱因斯坦提出的全新匀速运动公式能够令麦克斯韦的电磁方程组在进行变换之后保留完整原貌！

这是一个重大突破吗？是，也不是，因为爱因斯坦并不是首个提出该新公式的物理学家。

洛伦兹变换

20世纪初叶，荷兰物理学家亨德里克·洛伦兹展开研究，试图解开为何迈克耳孙-莫雷实验始终无法检测到以太存在痕迹的谜团（此外，爱尔兰物理学家乔治·菲茨杰拉德与其他学者也在进行类似课题）。洛伦兹提出，在原子的运动过程中，“以太风”会以某种方式压缩原子，因此也会反过来缩短实验中所用的标尺。

洛伦兹认为，光线在进入以太时，其速度会减慢，但同时，依据缩短了的标尺而得出的读数是有误的。由于减慢的光速与缩短的标尺长度相抵消，所以，虽然朝以太方向运动的光线其传播速度确实有所减慢，但测定结果却保持不变。

这样的解释似乎有些牵强，洛伦兹也有同感，但他已经尽力了，这已是他所能给出的最合理的解释。

尽管洛伦兹、菲茨杰拉德等物理学家的阐释均有缺漏之处，但这并不意味着他们的研究工作没有价值。为了计算以太对原子的压缩量，他们推导得出一系列方程式，之后，洛伦兹对这些方程式进行了扩展，并最终推算出闻名于世的洛伦兹变换。

前文已有提及，变换方程组（如伽利略变换、洛伦兹变换等）的工作机制与机器类同。把一个等式放入机器，一番运作之后，机器便会吐出一道全新的、“变换后”的方程式。物理学家们之前非常好奇，当一个方程式从一个静止的载体内部（即静止的参考坐标系）“变换”至一个匀速运动的载体内部（即运动参考坐标系）时，该方程式是否会发生变化以及具体会有怎样的变化，而变换方程组则为物理学家提供了一个绝佳的数学视角让人一窥究竟。

洛伦兹等几位科学家的研究成果表明，若将麦克斯韦方程组进行洛伦兹变换，其中包含的电磁规律将不会发生变化。换句话说，麦克斯韦方程组经洛伦兹变换之后所得到的，依然是同一组方程式。

我们也可更为正式地将其描述为，洛伦兹变换令麦克斯韦方程组在不同匀速运动参考系中具有“不变性”（“不变”这个数学术语天生讨人喜爱，含义为“不发生变化或更改”）。

洛伦兹变换在数学层面取得了理想的成效，但却无人知晓它在物理层面究竟有何含义——直至爱因斯坦横空出世。

1905年，爱因斯坦完成相对论的论文，但此时的他其实并不熟知洛伦兹与菲茨杰拉德的研究工作，毕竟他一周中有六天需要在专利局工作，与其他物理学家基本没有联络或交流，同当时的主流物理学界近乎隔绝，图书馆在他下班之时也已经悉数关闭。

所以，爱因斯坦在1905年的论文初稿中以光速不变原理为理论基础推导得出的变换方程，虽然与洛伦兹变换相同，但应是其独立完成的研究成果。不过，由于洛伦兹的研究结论发表在前，因此人们习惯性称其为洛伦兹变换，偶尔也有学者将该方程组称为洛伦兹-爱因斯坦变换。出于表达简洁的考虑，本书将采用前者（关于洛伦兹变换在数学方面的细节信息，详见附录A）。

爱因斯坦提出了所谓的洛伦兹变换，将其作为从静止坐标系到匀速运动坐标系的转化公式。而且正如上文已指出的，若将麦克斯韦方程组进行洛伦兹变换，在经过一系列代数运算之后，新得到的方程组与原来初始的麦克斯韦方程组是完全一致的。这又意味着什么呢？这意味着，麦克斯韦方程组不受匀速运动的影响。

这在物理层面又有怎样的含义呢？由于转换后新得的方程组与原始的麦克斯韦方程组毫无二致，这就说明，电磁现象不受匀速运动的影响。也就是说，麦克斯韦方程组其实并不违背伽利略关于匀速运动的论断。哈利路亚！这可太好了！

因此，与牛顿运动定律一样，麦克斯韦方程组终究还是与伽利略的匀速运动理论合流了。在爱因斯坦构筑的物理世界中，这一点尤为重要。基于这个结论，爱因斯坦在1905年提出了另一个核心基本原理——一个负载着爱因斯坦个人信仰的理论构想。这一原理旨在揭示物理定律的普适性特征，爱因斯坦将其称为相对性原理。

一个具有宇宙普适性的法则

假设现有两个完全相同的实验室，可以进行任何已为人类所知的科学实验。第一个实验室设置在一栋处于静止状态的建筑内，该实验室既没有开放门窗，也没有电话、收音机或电视之类的物品，一旦进入实验室，便再也无法接收外部世界的任何消息或信号。

第二个实验室同样处于与世隔绝的状态，与前者不同的是，它位于一辆牵引式挂车的车厢内部，该挂车装有绝缘隔震设备，正于光滑路面以每小时50英里（约80千米）的速度朝北匀速前行。若以相对论的术语描述，这两个实验室——这两个封闭系统是两个正相对做匀速运动的参考坐标系。

爱因斯坦提出，在所谓的静止实验室中进行的任何实验，其结果与在匀速运动实验室中得到的实验结果应完全一致。换句话说，一切物理现象皆不受匀速运动的影响。这是爱因斯坦提出的相对性原理的核心要义：

一切物理定律在所有（匀速运动）参考系中都是等价的。

一旦你身处某一密闭实验室，无论你做任何测试和观察，得到的结论与在另一个密闭实验室得到的结果都是一致的。你无法由此辨别，你所在的实验室究竟是处于匀速运动状态还是处于静止不动状态。

乍看之下，这似乎就是伽利略匀速运动理论的翻版，只不过是把匀速运动的船舱改换成了匀速运动的实验室——是的，确实是这样的。但需要注意的是，伽利略提出这个洞见是在1632年，这一理论只适用于当时已知的力学科学，而生活在1905年的爱因斯坦主张，伽利略的理论也同样适用于电磁学这一新兴学科。

为了将这一观点以数学语言进行表述，爱因斯坦采取了一个激进的做法。他决定放弃伽利略变换，宣称洛伦兹变换可同时适用于牛顿运动定律和麦克斯韦方程组。换言之，他认为，洛伦兹变换应取代伽利略变换，并可应用于一切相互做匀速直线运动的力学现象与电磁现象。

这样的处理方法一举解决了牛顿运动定律和麦克斯韦方程组在伽利略匀速运动理论方面的分歧，然而，这是要付出代价的——那就是，须对牛顿的运动定律作出修改。

你感觉到这其中的讽刺意味了吗？彼时的物理学家致力于探寻一种方法，使麦克斯韦方程组可以如牛顿运动定律那样不受匀速运动影响，爱因斯坦同样认为，麦克斯韦方程组确实不受匀速运动影响，但其前提条件是要用洛伦兹变换来反映该匀速运动。

按照爱因斯坦的观点，卓越崇高、人人奉若神明的牛顿运动定律是存在漏洞的——它们只适用于运动速度远低于光速的实体。为了更加准确地描述事物的运作原理，我们必须抛弃牛顿学说，转而接受时间和空间是相对的，我们必须运用“经相对论修正过的”牛顿运动定律来反映现实世界（后文将对此再做详述）。

之后，这位无畏的专利审查员又往前迈了一大步。生性大胆的爱因斯坦提出，他的相对性原理不仅适用于力学与电磁学范畴，更可运用于一切物理现象。爱因斯坦断下如此结论的根基又在何处呢？纯粹出于直觉。这个被他称为相对性原理的理论掷地有声地宣称：（身处封闭系统的）任何人都无法依据任何日常实体、电、磁、光波或其他任何物理现象判别该系统是处于匀速运动状态还是静止状态。

本质上，爱因斯坦的相对性原理就是将伽利略提出的相对性理论的适用范围推广至一切物理现象。它告诉我们，当我们描述自身运动状态时，必须选取一个参照物。也就是说，不存在“绝对静止”的参考坐标系。它还说明，物理定律在一切匀速运动的参考系中都具有相同的数学表达形式。伽利略的相对性主张在爱因斯坦的拓展提升下，已然成为一个具有宇宙普适性的法则。

总的来说，爱因斯坦的狭义相对论是基于上文所述的两个原理而提出的。光速不变原理认为，光速不受光源或观察者的运动速度所影响。相对性原理则提出，一切物理定律（或方程组）在所有匀速运动参考系中均是等价的，即它们也不受匀速运动的影响。

深远内涵

早在19世纪和20世纪交替之际，牛顿定律与麦克斯韦方程组之间的冲突就广为物理学界所关注，寻找解决分歧的方法刻不容缓。在这条探寻答案的荆棘之路上，其实已有许多物理学家，特别是洛伦兹和法国物理学家亨利·庞加莱迈步启程，然而，走到终点的只有最终提出了狭义相对论的爱因斯坦。

为什么呢？因为要解决这个深刻的矛盾，必须大胆地丢弃一些深入人心的理论假设：（1）光的传播须以以太为媒介；（2）时间和空间是绝对的。唯有爱因斯坦具备这样的视野与勇气，敢于突破这些早已根深蒂固的藩篱桎梏。

爱因斯坦以光速不变原理与相对性原理为理论框架，提出时间与空间是相对的——这些基础性实体会随着相对运动的改变而改变。下一章将正式开始探索这个古怪而又充满魅力的诡秘世界。

注解：

[1] 　本书中的英制单位数据涉及举例和计算说明的，为了便于读者直观理解，后文不再直接换算为国际单位，仅在数据首次出现时括号附注国际单位。——编注

第4章
古怪而又充满魅力的诡秘世界

在同时代的人看来，洛伦兹变换是一个十分有趣的数学工具，而在爱因斯坦看来，它是“关于自然的启示”。

——罗兰·C．克拉克

爱因斯坦是个不折不扣的天才，他总能窥察到别人难以发现的那些奥秘：一众实验均探测不到那些本应作为电磁波的传播介质而存在的以太；麦克斯韦方程组有悖伽利略提出的关于匀速运动相对性的主张；洛伦兹（与其他科学家）推导出全新的变换公式；这个新“秘方”可在数学层面使麦克斯韦方程组独立于匀速运动，不受其影响——但却无人知晓其在物理层面的意义。

默默无闻的爱因斯坦正是在此时横空出世的，他将这些困扰学界已久的谜题一一解答。他提出：（1）以太是不存在的；（2）光总是以恒定不变的速度进行传播。哦，还有，你可以把你以往所知道的关于时空的知识全都丢到脑后了——爱因斯坦认为，时间与空间是相对的。洛伦兹变换则阐明了时空随相对运动的变化而变化的规律。至此，轰轰烈烈的相对论革命拉开了序幕。

将世界搅得天翻地覆

克拉什是一位著名的赛车手，专攻陆上赛段，他的经理人斯塔迪·艾迪则是一名引擎设计和组装方面的技术能手，同时，艾迪对物理学也有着浓厚的兴趣。某天，艾迪在无意中读到了爱因斯坦的狭义相对论——一个有关运动是如何影响时间与空间的理论，他把爱因斯坦所做的预测告诉了克拉什，但满腹狐疑的克拉什并不相信他的说法，他听完回应道：“你是挺聪明的，但这听起来也太疯狂了吧！”于是，他们决定一起做个实验。他们把一辆涡轮喷气式赛车运到内华达州北部的黑岩戈壁，在那里有一条很长的直行汽车跑道。

克拉什坐进赛车，发动引擎，开始加速。他把赛车的对地速度稳定地加至每小时600英里（约966千米），然后保持该速度，疾驰驶过一条1英里（约1.6千米）长的带状赛道。斯塔迪·艾迪站在赛道外，仔细测量赛车从赛道起点飞驰到终点所经过的时间间隔。其秒表显示，所需时间为6秒。（当然了，这只是人们预期的结果。）

其数学计算过程如下：

　　　距离=速度×时间

所以：时间 | =距离/速度
| =1英里/（600英里/小时）
| =1英里×（1小时/600英里）
| =1英里×（1小时/600英里）×（3600秒/1小时）
| =（3600/600）秒
| =6秒

现在的问题在于，赛车里的克拉什用秒表测量得到的时间间隔会是多少？爱因斯坦告诉我们，由于车辆的运动，在克拉什的赛车中，时间会流动得较为缓慢，这就是所谓的时间膨胀。

根据洛伦兹变换，克拉什在赛车里测量到的赛车跑完1英里赛道所需要的时间应是5.999999999998秒（假设这里所用的秒表具有超乎寻常的精确度），这个时间间隔小于斯塔迪·艾迪的测量结果。

“好吧，你是对的，”克拉什宣布道，“不过这个差异也太小了吧！”

“嗯，这么说是没错，”艾迪答道，“但这是因为赛车的速度仅能达到每小时600英里，还不到光速的百万分之一。”〔真空中的光速约为每小时670 000 000英里（约10.8亿千米/小时）。〕

这就是为何我们在日常生活中丝毫察觉不到时间膨胀的原因——我们的速度实在太慢了。我们平常所能经历的最快速度（相对于地球）就是商用喷气式飞机的速度，其巡航速度还不到每小时600英里（除非你是一名战斗机飞行员或宇航员）。

然而，时间膨胀确实是真实存在的，并且，我们不能忽视它的存在。它是自然的一个基本特征，在它的指引下，人类对宇宙的认知将迎来巨大的转变。

这一次，克拉什和艾迪决定把审视的目光投向赛车的长度。在赛车开始前，他们测量了静止状态下的车身长度，为28英尺（约8.5米）。

与先前的情况一样，赛车仍以每小时600英里的速度在赛道疾驶，站在场外的艾迪在赛车飞驰而过的瞬间对赛车进行了测量。他用秒表记录下车头经过他的时间，再用秒表记录车尾经过的时间，并用赛车速度乘以时间间隔计算出车身的长度。那么，艾迪推算得出的疾驰中的赛车车身长度会是多少呢？

斯塔迪·艾迪测量得到的运动中的赛车长度为27.999999999989英尺，与洛伦兹变换的预计结果一致。这个由于相对运动而使测量长度变短的物理现象被称为长度收缩。

“但是这个改变依然很微小。”克拉什说道。

“我知道，这依然是因为赛车的速度与光速相比实在太过缓慢，”艾迪回应道，“不过你必须承认，爱因斯坦说的是对的。时间间隔以及车身长度的改变都是因为赛车的运动。”

以相对论的速度

当物体的运动速度趋近光速时，会产生怎样的效果呢？倘若赛车的速度能够惊人地加速至每小时580 000 000英里（约933 419 518千米，约为光速的87％），克拉什和艾迪分别测量出的时间间隔和赛车车身长度又将是多少呢？

想象一下，克拉什正坐进堪比超级火箭的全新赛车，他扣紧安全带，启动火箭发动机，如飞般加速至光速的87％，之后维持该速度稳定不变。当然了，现在赛道也得换到更为开阔的场地，以匹配赛车的速度。假设新的赛道长度恰好可令艾迪测出的时间间隔依然为6秒。

但是，在这样的极限速度下，克拉什测量得到的赛车跑完全程所需的时间又会是多少呢？到达赛道终点的克拉什坐在火箭赛车里，讶异地盯着手中的秒表，上面的读数显示——3秒，仅为艾迪测得数据的一半！

而后，斯塔迪·艾迪又利用无比精确的秒表以及已知的赛车速度（0.87c ）计算出了运动中的赛车长度，得出的数据仅为14英尺！赛车的车身长度竟减少了足足一半（见图4.1）！

图4.1　长度收缩
在运动方向上缩短了的赛车车身。

洛伦兹变换告诉我们，一旦速度接近光速，由于相对运动而引起的时间和距离上的变化就会变得愈加明显强烈。

对于我们在日常生活中可经历的物体运动速度，牛顿运动定律足以解决，至于那些运动速度接近光速的高速实体，那便是爱因斯坦的统辖领域了。

洛伦兹变换

上文克拉什与斯塔迪·艾迪的故事里出现的“测量”数据——克拉什测得的时间间隔与艾迪测得的运动中的赛车车身长度——究竟是如何计算得来的呢？依然是通过洛伦兹变换。洛伦兹变换的核心公式旨在告诉人们时间和空间是如何随着运动的改变而改变的，这道公式被称为洛伦兹因子。让我们来看看它具体是如何操作的。

从艾迪的角度看（以艾迪为参考坐标系），随着赛车高速移动的克拉什的时间过得比他慢。具体慢多少呢？这是由赛车的相对速度与洛伦兹因子共同决定的。因为克拉什的速度为光速的87％，那么洛伦兹因子就是0.5。

洛伦兹因子的计算公式，F 等于：

洛伦兹因子=（1减去速度的平方值）的平方根

　　　　 F =sqrt （1–v 2 ）

符号v 表示的是相对速度与光速之间的比值。

平方根以字母“sqrt ”表示。某个数字的平方值则等于该数与该数本身的乘积。比如，2的平方值等于2乘以2等于4，3的平方值等于3乘以3等于9。求某个数字的平方根则是求平方值的逆运算。比如，4的平方根等于2，9的平方根等于3。

所以，如果以我为参考系，你的相对速度为光速的87％，那么v 就等于0.87。当速度v 等于光速的87％时，洛伦兹因子F 等于：

F | =sqrt （1-v 2 ）
| =sqrt （1–0.872 ）
| =sqrt （1–0.75）
| =sqrt （0.25）
| =0.5

因此，克拉什的时间要比斯塔迪·艾迪的时间慢0.5（即50％）。我们已知艾迪测量得到的赛车跑完全程所需时间为6秒，所以坐在高速疾驰的火箭赛车里的克拉什测得的时间间隔就应该是6乘以0.5秒，即3秒。时间是相对的。

现在我们再来看看长度收缩。克拉什与艾迪分别测量空间中（运动方向上）两点之间的距离，得到的结果并不一致，其间的差异依然是由相对运动的速度以及洛伦兹因子共同决定的。

上文应用于时间膨胀现象的洛伦兹因子公式同样适用于长度收缩，所以，当克拉什的速度为光速的87％时，洛伦兹因子仍旧是0.5或50％。因而，斯塔迪·艾迪测得的运动中的赛车长度应是其静止状态下车身长度的一半。静止不动时的赛车长度是28英尺，当赛车以87％光速的速度疾驰时，艾迪测量得到的长度则为14英尺（见图4.1）。空间也是相对的。

（爱因斯坦提出的时间膨胀与长度收缩公式以及这些公式是如何从洛伦兹变换推导得出的，请详见附录A。）

对于处于相对运动的人们而言，时间的流动是有差异的；空间中两点之间的距离会随着相对运动状态的改变而改变——倘若你对这些观点依然充满困惑与怀疑，别担心，并非只有你是这样的。在爱因斯坦的狭义相对论论文发表之后，当时的物理学家们也是同样的反应。我们的日常经验、我们的所谓常识在狭义相对论的领域里毫无用武之地，以平常生活中的物体运动速度，这些空间与时间的变换是极其微小而难以为人察觉的。不过，就像爱因斯坦所说的：“常识不过是人到18岁为止所累积的各种偏见而已。”

通过洛伦兹变换，爱因斯坦还发现，我们通常将一个速度叠加至另一个速度的做法其实是不正确的，这一基于牛顿物理学说的处理方法并不能真实反映现实世界。爱因斯坦再次将世界搅得天翻地覆，他告诉我们，速度的合成并不是简单的相加——它们应以一种永远不能超越光速的方式进行合成。

速度究竟是如何合成的

撰写本书之时，标枪项目的世界纪录保持者是捷克共和国的扬·泽莱兹尼，他的最佳成绩为98.48米。与所有标枪运动员一样，扬总是全速跑向起点线，然后掷出标枪。为什么呢？因为助跑的速度可以增加掷出标枪的速度，而标枪的速度越快，掷出的距离自然也就越远。

出于论证的需要，我们暂且假定扬并没有助跑，而是静立在起始线〔见图4.2（a）〕。在这里，他只利用挥臂速度投掷标枪，并且他的挥臂动作给了标枪每小时60英里（约97千米/小时）的初始掷出速度。

图4.2　标枪运动员
（a）挥臂动作给予标枪每小时60英里的初始掷出速度。
（b）每小时60英里的挥臂速度与每小时20英里的助跑速度共同作用，给予标枪每小时80英里的初始掷出速度。（所有速度均以地面为参考系。）

而后，扬改变方式，助跑冲到起始线，并在奔跑过程中掷出了标枪〔见图4.2（b）〕。假设他的助跑速度为每小时20英里（约32千米/小时），我们应该会认为，由于挥臂速度为每小时60英里，助跑速度为每小时20英里，因此标枪投掷出去的速度应是两者叠加之和，即每小时80（60+20）英里。

现在假设扬正站立在跑道一端，手里拿着一个激光发射器，你则站在跑道的另一端，想测量射向你的激光光束的速度。此时，静立的扬打开了发射器开关，如预期的一样，在忽略空气影响的情况下，你测得的激光光速为c （约为每小时670 000 000英里）。

现在扬开始做出一些很古怪的行为，他用一根绑带将一个强力的喷气式飞行背包捆在背上，然后手里拿着激光发射器，大声喊道：“冲啊！”接着启动飞行背包，以每小时100 000 000英里的速度朝你飞去（见图4.3）。

图4.3　激光发射器
（a）观察者测得静止的激光光束的传播速度为c 。
（b）观察者测得的飞行中的激光光束的传播速度依然为c 。

那么，此时正射向你的激光光束其传播速度又应该是多少呢？艾萨克·牛顿会笃定宣称，把两个速度加起来就行了。这意味着，激光光束眼下正以每小时770 000 000英里（670 000 000+100 000 000）的速度朝你射去。爱因斯坦却不认同这种观点，其中一个原因是，它有悖光速不变原理，这个速度已然远超光速，在狭义相对论的框架下这显然是不可接受的。

依照光速不变原理，光束总是以恒定不变的速度——大约为每小时670 000 000英里的光速c ——趋近任何观察者。事实上，无论扬和激光发射器的运动速度多快，你测量得出的激光光速都是恒定的。根据爱因斯坦的光速不变原理，激光光束的传播速度与激光发射器（即激光的光源）的速度无关。

现在你心底可能会有这样的疑问——为什么计算标枪的初始投掷速度时可将两个速度简单相加，而计算激光传播速度时却不可以？爱因斯坦也曾被这个问题深深地困扰过。“光速的恒定性并不符合牛顿运动定律主张的速度相加原理，”他如此陈述道，“我花了将近一年的时间思考这个问题，却一无所获。”

之后的某一天，爱因斯坦灵感涌现，醍醐灌顶，明白过来牛顿定律下的速度简单相加其实是基于“时间是绝对的”这一假设的，而在他看来，时间应该是相对的，时间流动的速率应取决于相对运动。以这个观点为理论根据，以洛伦兹变换为数学工具，爱因斯坦重新提出了一个基于狭义相对论的速度合成公式——一个既适用于标枪也适用于激光（以及其他所有物体）的公式。

爱因斯坦告诉我们，首先我们可以仿照牛顿力学，把两个速度（这里的速度依然表示为与光速的比值）相叠加。但是，在这之后我们必须用得到的速度总和除以一个“特殊值”——1加上两个速度的乘积。那么，这个所谓的“特殊值”又是从何而来的呢？来自洛伦兹变换。（爱因斯坦的速度合成公式从洛伦兹变换推导而来，推导过程详见附录A。）

下面就来探究一下爱因斯坦的速度合成方法与牛顿的究竟有何不同。我们来看几个例子：

极其低速——对于相对光速而言运动速度极缓慢的实体，只须根据牛顿运动定律将速度简单相加便可得到足够完美的近似值。回想一下前文提及的站立状态下扬手掷的标枪，其初始速度为每小时60英里，假如他以每小时20英里的速度助跑，那么根据牛顿运动定律，标枪最终获得的初始投掷速度应为每小时80（60+20）英里。不过，爱因斯坦主张，要先把速度折算成与光速的比值，再将两者相加，然后用求得的和除以他提出的那个特殊值——1加上两个速度的乘积。以这种方法运算所得的结果是每小时79.9999999999998英里。

牛顿的简单相加法得出的答案与爱因斯坦的几近无差，就算速度增至每小时几百上千英里亦是如此。这也是我们在日常生活中完全无法察觉到爱因斯坦的洞见的原因。

明显可感知的速度——对于已达每小时几百万英里的速度而言——这些速度与光速的比值已较为显著——牛顿的简便手段已难再有效解决问题。比如若两个速度已分别达到0.8c （即光速的80％）和0.9c （即光速的90％），按照牛顿运动定律，其合成速度应为1.7c 。

但这个速度显然已远超光速！这时，爱因斯坦的铿锵之言又再次于耳边响起，“再将这个叠加之和除以那个特殊值”——最后得到的结果是0.998c 。这个数值虽巨大，但终究没有大过光速。实际上，按照爱因斯坦的计算方法，任意两个小于c 的速度其合成结果都会小于c 。

光速c ——如果两个速度之中有一个或两个都是光速，其合成速度又将是多少呢？根据爱因斯坦推导的公式，合成结果总是会等于c 。比如假设两个速度分别为0.9c 和c ，其合成结果是多少呢？牛顿给出的答案必然是1.9c ，而爱因斯坦计算得到的结果是c ，详细推算过程如下：

两个初始速度分别为：v 1 =0.9和v 2 =1.0。其合成速度V 为：

牛顿的速度合成公式：

V | =v 1 +v 2
| =0.9+1.0
| =1.9

爱因斯坦的速度合成公式：

按照爱因斯坦推导的计算公式，任意两个速度的合量都不会超过光速。爱因斯坦的公式巧妙地将所有合成速度都限制在了光速c 以内。

物理学家为何如此关注速度的合成问题？因为它揭示了自然出人意料的一面——根据狭义相对论，真空中的光速是自然界一切物体运动的最大速度。这是人类科学史上第一次为宇宙万物的运行限定最高运动速度（见图4.4）。

图4.4　真空中的光速是自然界一切物体运动的最大速度

时间是相对的，空间也是相对的。速度的合成也不是如牛顿所说的那样可以简单相加，因为根据狭义相对论，速度的合成结果不可以超越光速。在1905年，这样的诡异观点还很难为大众所接受，不过，在之后100多年的时间里，有越来越多的相关实验和测试观察不断涌现，有力地证明着狭义相对论的公设和数学公式是无比超前而准确的，于是，这些理论逐渐被主流科学界认同采纳，并最终成为现代科学的重要基石。

下一章节

在狭义相对论这册沉甸厚重的大书中，最引人着迷但同时也最令人困惑和难以接受的一个概念绝对是“时间是相对的”。爱因斯坦提出，对处于不同运动状态的不同人而言，时间的流动速度并非全然相同，这个观点极大地挑战了我们对于现实世界的基本认识。

在下一章节中，我们将穿越时空，跟随爱因斯坦的脚步，一窥这一非凡洞见的深刻内涵。在这趟旅程里，我们将仔细审视那些深深困扰过爱因斯坦的关键问题，并循着爱因斯坦开拓出的逻辑路径去探寻这些问题的答案。或许在这段行程间的某个瞬间，我们可以捕捉到爱因斯坦的些许灵感火花，从而能够开始感受并理解他的广阔视野与深刻思想。

第5章
时间的收缩

这难道还不足以称得上是一场革命吗？

这或许是人类思想史上最伟大的一次变革。

——让·乌尔曼

时间是相对的，这个观点的内在含义是，有关时间的所有方面均是相对的。假设现在有一艘宇宙飞船正以87％的光速驶离地球，根据洛伦兹因子公式，飞船上时钟的转速会比地球上时钟的转速慢一半。

飞船里勇敢无畏的宇航员其衰老速度也会比地球上等候他归来的家人慢一半；在其他环境条件一致的情况下，飞船上微生物的存活时间比地球上同种微生物的存活时间短一半；一切随时间而变化的物理性质都会受到类似的影响。时钟转速不同只是时间相对性的一个表现。

为了弄清时间膨胀究竟是如何产生的，本章将重现爱因斯坦著名的光钟思想实验，阐明爱因斯坦提出的光速不变原理和相对性原理是如何直接导致时间收缩的，最后还将对若干个在现实中证明了时间相对性的关键实验进行总结。

光钟与时间收缩

在第三章中我们已经清楚地意识到，我们所谓的直觉其实是有误导性的。爱因斯坦（见5.1）指出，光的传播速度对于任何观察者而言都是相同的。这一令人震惊的洞见究竟给我们带来了怎样的冲击呢？这个革命性的理念更替全盘推翻了我们对时间本质的已有认知。

图5.1　就职于专利局的爱因斯坦

让我们来回顾一下爱因斯坦著名的“光钟（光子—时钟）”实验。这个实验是基于物理学中的声音传播原理而展开的，它是一个思想实验，不具备现实可操作性，爱因斯坦这位伟大的物理学家常用此类思想实验来阐释自己的观点。

如图5.2所示，光钟实验装置由两块平行摆放的光滑平面镜组成，一个光子（根据布莱恩·格林的《优雅的宇宙》）在两面镜子间来回反射。

图5.2　光钟
一个光子在两个平行镜面之间来回振荡。

光子以光速不停歇地在底部镜面与顶部镜面之间来回振荡，现在不妨做个假设，每当光子击中顶部镜面，就发出一声“嘀”的声响，反射击中底部镜面时，就发出“嗒”的声音，那么，随着光子在两个镜面间来回发射，我们就能听到一连串类似旧式指针时钟发出的“嘀—嗒—嘀—嗒—嘀—嗒—嘀—嗒—嘀—嗒”的声响。

图5.3　静止的光钟与做匀速运动的光钟
（a）光钟静止：光子上下反射；（b）光钟做匀速运动：光子以相同速度沿斜对角运动，因此路径总距离更长，距离越长所需时间越多——运动的时钟比静止的时钟走得慢。

倘若现在有两套一模一样的光钟实验装置，第一个装置与你相对静止，第二个则正从你的左侧向你的右侧做匀速运动（如图5.3所示）。

看一看这两个时钟。从你的角度看，第一个时钟是静止的，所以在这个静止时钟之间来回反射的光子只须做上下运动，而在移动时钟里的光子则须沿对角线运动。所以，移动的两面镜子间反复振荡的光子必须行进更长的距离。

其中的关键点在于，两个光子都是以相同的速度c 进行运动的。为什么呢？因为根据光速不变原理，光子的速度不受时钟运动状态的影响，所有光子的传播速度均恒定为c 。

但是，移动时钟里的光子必须沿对角线运动，行经的路径显然更长——速度相等而距离更长，这意味着，时间更长！

因此，你会从两个时钟听到怎样的声响呢？与你相对静止的时钟发出的是“嘀—嗒—嘀—嗒—嘀—嗒—”的声音，而处于运动状态的时钟发出的则是“嘀——嗒——嘀——嗒——嘀——嗒——”的声音。为什么呢？因为相对于你而言，在运动的时钟里时间过得比较慢，即是说，在你看来，由于时钟在空间中的相对运动，时间本身的流动放缓了。

光速不变原理使得时间具有相对性

因为处于运动状态的时钟里的光子其运动速度与静止时钟里的光子相同，所以，运动时钟里的光子需要花费更长的时间方能走完路程更长的对角线线路，因而，与静止时钟相比，运动时钟里的时间流动得慢一些，就像爱因斯坦领悟到的，光速不变原理直接导致了时间膨胀现象——运动时钟其“指针”行走的速率比时钟静止时的速率慢。

以更快速率行走的时钟

倘若时钟以更快的速度从左向右运动，又会发生什么呢？随着时钟水平速度的增加，光子在两面镜子之间来回反射所需要行经的距离不断延长，因为对角斜线正变得越来越长。这会引起时钟“指针”行走速率的减缓，从而，使得时间的流动越来越慢。

事实上，运用我们高中所学的平面几何知识（欧几里得几何学与勾股定理），便可计算出运动时钟的水平速度与减慢的时间之间的关系。当我们完成这一切的时候，我们也就得到了应用于时间膨胀现象的洛伦兹变换公式！（详细推导过程请看尾注。）

全新的视角

假设你现在就端坐在“运动”时钟的顶部，那么你看到的将是怎样一番情景呢？以你自身为参考系，你和“运动”时钟处于相对静止状态，而另一个时钟，即前文所述的“静止”时钟则正朝着背离你的相反方向移动。

所以，你将看到，“运动”时钟，即你坐着的这个时钟里的光子正垂直做上下运动。然后你转头去看那个“静止”的时钟，发现“静止”时钟里的光子正以之字形反复运动。因此，从这个全新的视角来看，你坐着的时钟里时间的流速是正常的，而“静止”时钟里时间的流速则较为缓慢。

所以，当你身处那个“运动”的时钟里，你所感知的与你身处“静止”的时钟时所感知的是完全相反的。那么，哪一个视角才是真实且准确的呢？两个都是真实且准确的，因为时间是相对的。

“时间的相对性”这一概念或许一时之间很难为人全盘接受，在努力尝试领会它的过程中，你需要与你的直觉作一场艰苦而决绝的斗争，但它确实是真实存在的，是现实世界的一部分，绝不是某个科学家天马行空的猜想。那么，我们是如何确认其真实性的呢？请看以下的证据。

如雨的μ介子

直到1941年——距爱因斯坦提出时间膨胀这一观点已有36年之久，科学家才首次进行了对时间膨胀的明确测验，这实在令人感到讶异，这一次实验是由科罗拉多州芝加哥大学的布鲁诺·罗希和大卫·霍尔共同完成的；1963年，麻省理工学院的大卫·弗里希和詹姆斯·H.史密斯也做了一次类似的实验。这些著名实验都涉及对一种奇异粒子的检测，这种奇异粒子便是μ介子。

什么是μ介子呢？它的性质与电子（比如带有一个负电荷）相似，但质量比电子大许多，大约是电子质量的200倍。

由于质量巨大，μ介子高度不稳定。它们只能生存几微秒（一微秒等于一百万分之一秒），之后便会自发性地转变为质量较轻的粒子。（一个μ介子通常会分解为一个电子和其他称为中微子的亚原子粒子。）

让我们想象一下，假设现在我们的实验室里有一罐刚刚制作完成的μ介子，几微秒之后，我们会发现，这些μ介子已然消失殆尽，渺无踪影，因为它们已经转化成了质量较轻的其他粒子。物理学家把这个转变过程称为“粒子衰变”。

此时此刻，一阵μ介子雨正从地球的上层大气朝我们倾泻而下。那么，它们是如何形成的呢？来自外太空的宇宙射线（大部分是来自太阳的原子核粒子，称为质子）撞击高层大气中的空气分子，碰撞之中会产生μ介子，在生成的μ介子里，有相当一部分会一直下落至地球表面。

问题在于，从上层大气落至地球表面，这可是一段相当漫长的旅程，按道理来说，大多数μ介子是难以坚持完全程而不发生衰变的，然而，科学家们却在海平面位置检测到了大量μ介子存在的痕迹。这又是怎么一回事呢？

让我们来看一看1963年弗里希-史密斯实验所得的一些数据。他们在新罕布什尔州的华盛顿山山顶附近设置了一台μ介子检测仪，记录每小时探测到的μ介子数量。之后，他们又将实验装置转移到马萨诸塞州的坎布里奇邻近的海平面进行测试。

弗里希和史密斯对比了两个实验的统计数据，旨在弄清到底平均有多少μ介子安然无恙地完成了整个旅程（数据统计图如图5.4所示）。

图5.4　华盛顿山山顶与海平面处的μ介子数量差异证明了狭义相对论

为了更好地了解μ介子到底经历了什么，我们首先需要考虑它们的“半衰期”。粒子的半衰期指的就是放射性元素的原子核有半数发生衰变时所需要的时间。μ介子的半衰期为1.5微秒。

所以，如果一个罐子里装有100个新近生成的μ介子，1.5微秒之后只会剩下约50个，倘若再多等1.5微秒，罐子里的μ介子数量大概就仅有25个了，以此类推。换句话说，每过1.5微秒，μ介子的数量就会锐减一半。

在弗里希-史密斯的μ介子实验中，设置在华盛顿山山顶附近的μ介子检测仪的测量数据显示，该地的μ介子数量比率为570个/小时。而根据μ介子的运动速度（0.994c ）以及半衰期，海平面处的μ介子数量预期应为36个/小时，也就是说，即便下落速度高达0.994c ，大部分μ介子依然难以坚持走完从华盛顿山顶到海平面这一段长达约1920米的漫长距离。

那么，科学家在海平面处检测得到的实际数据又是多少呢？412个/小时！预计数量的11倍有余！如此多的μ介子究竟是如何“幸存”下来从而安全地到达地球表面的？

也许你已经猜出答案了——没错，其中的“奥秘”就在于时间膨胀。为了更容易地理解这一点，我们可以假设每一个μ介子旁都伴有一个迷你时钟随它一起运动，而爱因斯坦已经告诉我们，这些“μ介子时钟”其“指针”行走的速率慢于地面上的“静止”时钟。

为什么呢？因为μ介子的运动速度高达0.994c （相对于地面），以μ介子的视角看（以它们自身为参照系），下落至地球表面期间所流逝的时间并不多，即是说，由于高速μ介子的运动，时间本身已然放缓了脚步，因此μ介子拥有更长的生存时间，之后才转变（衰变）为质量更轻的粒子。

狭义相对论预测，在海平面处的μ介子数量大致应为428个/小时，弗里希和史密斯的实际检测数据则为412个/小时，两者高度一致。这个实验获得了成功（之前的罗希-霍尔实验同样取得了成功），用实质证据表明，时间膨胀的确是真实存在的物理现象。

后来的许多测试也验证了这些结论的真实性与可靠性。1966年，CERN——拥有世界上最大的粒子加速设备——的物理学家们利用受严密控制的实验环境对时间膨胀现象进行了极其精确的测量。实验结果显示，以99.7％的光速进行运动的μ介子其存活期延长了12倍。这个数据与狭义相对论的预测结果仅有2％的误差。

1985年，芬兰赫尔辛基理工大学的马蒂·开佛拉带领其实验团队利用高速运动的氖原子检测时间膨胀效应，最终的实验结果与爱因斯坦的预测之间的误差只有惊人的百万分之四十；1992年，美国科罗拉多州立大学进行的实验又将精确度推进到少于百万分之三；2005年，海德堡的马克斯·普朗克核物理研究所以锂离子为实验对象，创下最高的精确度——与狭义相对论的预计结果仅存在一百亿分之二的误差。

火箭上的时间与地球上的时间

好的，现在我们已经知晓，时间膨胀的确是切实存在的，无论是自地球大气层下落的μ介子的衰变率，还是放置在航天飞机和火箭里的原子钟（详细介绍请看第十一章），抑或是一些设计精密的实验室实验，我们都能从中窥察到时钟膨胀所带来的影响。

事实上，在迄今为止已完成的所有实验、观测或测量活动中，无一不能证实爱因斯坦关于时间膨胀现象的预测，虽然它有违我们的直觉，但它确实是正确的，时间的确会随着运动而减缓流动的速度。

为了进一步感知这一现象所能造成的极端影响，我们暂且假设我们的朋友克拉什正乘坐一艘速度可达光速的火箭飞船离开地球，他随身带着一个时钟，每逢整点，这个钟就会以无线电信号的形式发出短促的“嘟嘟”响声。

而他的伙伴斯塔迪·艾迪则继续留在地球，同样拿着时钟以及一个无线电接收器，负责接收克拉什周期性发来的“嘟嘟”声，并与自己的时钟进行对比。

艾迪必须考虑到的一点是，随着火箭载着克拉什逐渐远离地球，发射的无线电信号传播的距离也越来越长，因此，艾迪设计了一个电脑程序以计算火箭与地球之间的距离，如此一来，艾迪就可以剔除距离的影响，准确判定克拉什发送的无线电信号之间的时间间隔。（为简便起见，我们将忽略不计多普勒效应对于艾迪在地球检测到的时间间隔所可能带来的影响。）

假若牛顿知悉这个实验，想必他会做出这样的预测：一旦校正了距离所带来的影响，地球上的信号接收器应该每隔一个小时就能收到一次信号。为什么呢？因为根据牛顿的物理学说，时间是绝对的，即时间膨胀是不存在的。

爱因斯坦则做出了截然不同的预测，他认为，以地球人的视角来看，火箭的运动势必影响相同时间内接受信号的数量，且其数量由洛伦兹因子决定。

根据狭义相对论，火箭上的时间流动远慢于地球上的时间流动。在作为火箭乘客的克拉什看来，时间的流动速度是正常的，但在留守地球的艾迪看来，火箭上的一切活动都是在以慢动作进行的。因此，火箭上的克拉什所认为的一小时，对于地球上的艾迪而言，其实是一段更加漫长的时间。

所以，认真记录每个火箭发射信号的艾迪将看到怎样的情况呢？他检测到的“嘟嘟”声之间的时间间隔要长于克拉什所认为的时间间隔。而且，克拉什搭乘的火箭速度越快，艾迪在地球上检测到的信号之间的时间间隔就会越长。（总结见表5.1）

表5.1　火箭上一小时的时间间隔在地球上将膨胀至更长的时间间隔

火箭速度（英里/小时） | 火箭速度v 与光速的比值 | 洛伦兹因子的倒数1/F =1/sqrt （1-v 2 ） | 地球上记录的时间间隔（时：分：秒）
670 | 0.000001 | 1.0000000000005 | 1：00：00
16 000 000 | 0.024 | 1.000285 | 1：00：01
168 000 000 | 0.25 | 1.0329 | 1：01：59
336 000 000 | 0.5 | 1.1555 | 1：09：20
503 000 000 | 0.75 | 1.5120 | 1：30：43
604 000 000 | 0.9 | 2.301 | 2：18：05
670 000 000 | 0.99999 | 225 | 224：54

让我们来看看几个例子：

日常速度——假设克拉什乘坐的火箭正以相对地球每小时670英里（约1078千米/每小时，约为光速的百万分之一）的均匀速度航行，这个速度与喷气式商务飞机的巡航速度大致相当。

此时的洛伦兹因子倒数仅为1.0000000000005，所以，当火箭上的时钟走过一小时，地球上艾迪的时钟读数也为1小时00分00秒。在这个速度下，时间膨胀的效力太过微弱，艾迪的时钟读数还无法显露其威力。

相对论级别的速度——随着火箭的速度向上飙升，洛伦兹因子的倒数也急剧增加。倘若克拉什所乘的火箭能够以99.999％的光速在太空疾驰，洛伦兹因子的倒数将急升至225。

这意味着，此时火箭上一小时的时间间隔在地球上将被记录为225小时！在此速度下，克拉什和火箭上一切事物的老化速度将会是地球上所有事物的1/255。

光速——假设火箭的速度可以达到光速，在这种情况下，在地球上记录下的时间间隔（对应火箭上的一小时）将趋近无穷大，但与此同时，火箭上的克拉什并不会感觉到时间的流动有何异常，从他的角度看，时间的流逝与平常毫无二致——不管他是以何种速度进行匀速运动的。因为根据伽利略和爱因斯坦的相对性原理，只要火箭做匀速运动，位于火箭内部的克拉什就无从判定他究竟是处于运动状态还是静止状态。

事实上，火箭的运动速度是不可能达到光速的。根据狭义相对论，这是不可能发生的事情。为什么呢？一方面，具有质量的物体须耗费无穷多的能量方能令运动速度增至光速（这一点在第七章将做详述），而无质量的粒子，如光子，却可以也确实是以光速进行传播。

那么，当光子以光速在真空中传播时，又会发生什么呢？此时的洛伦兹因子倒数为无穷大，这意味着，以光子的视角看，一切时间皆是同时发生的！因此，光子从不曾经历老化或衰变，光子“时钟”的指针也将永远保持静止。对于光子而言，时间的河流是冻结的。

光子与长度收缩现象又是怎么一回事呢？假设现在有一个太阳放射的光子正朝地球趋近，在地球居民看来，这段约约1.5亿千米的旅途大概需要花费8.3分钟，但是，以光子的角度来看，光子自身是静止不动的，地球则正以光速朝它运动。

这一光速下的长度收缩将地球与太阳之间的距离降低至0，换言之，对于光子来说，这趟从太阳到地球的旅程在瞬时之间业已完成。

第6章
过去、现在与未来的错觉

过去、现在与未来之间的所谓界限其实只是一种错觉，而这种错觉在人类思维里早已根深蒂固。

——阿尔伯特·爱因斯坦

在阿尔伯特·爱因斯坦1905年发表的狭义相对论论文中，他曾做出一个预测，而这个预测被后人赞誉为“人类对现实的本质最深刻的理解之一”。他认为，在你看来是同时发生的事件在他人看来未必是同时发生的。

比如假设你正搭乘一辆处于匀速运动状态的只有一个车厢的汽车，你观察到两个闪光灯泡（一个装在车后，一个装在车前）同时熄灭了，而此时的我正站在路边，看着你乘坐的汽车从我身旁经过。

那么，两个车灯在我看来是否也是同时熄灭的呢？不是的。按照爱因斯坦的理论，我看到的两个车灯是先后熄灭的。对于你而言是同时发生的事件在我看来并非如此，换句话说：“对于时间和同时性，并不存在绝对的通用定义。”

我们对于所谓真实的认知再次发生了天翻地覆的变化，又一个我们笃信的关于现实世界的假设被颠覆了。而这一非同寻常得令人难以置信的现象正是爱因斯坦提出的那两个公设所导致的直接结果。

“向前国”与“向后国”的和平协议

如果两个事件发生于同一时刻，我们就称它们为同时事件。信奉牛顿学说的物理学家会告诉我们，在某一观察者眼中是同时发生的事件，在其他任何观察者看来必然也是同时发生的。爱因斯坦则提出了相反的见解，他认为，事件的同时性是受相对运动的影响的。

我个人认为，物理学家布莱恩·格林在其著作《优雅的宇宙》中对所谓“同时性的相对性”的阐释最为清晰、简明。假设现有两个毗邻的国家，“向前国”与“向后国”，它们常年四季处于交火战争状态，经过长达数年的艰辛谈判，双方领导人最终达成一致意见，同意签署一份和平协议。

为确保公平，两位总统将在同一时刻签署条约。他们分别坐在一张长桌的两端，长桌的中点上方吊挂着一盏白灯，在白灯亮起的瞬间，两位领导人将同时落笔签字。由于两位领导人与白灯间的距离相等，所以他们认为，他们将同时看到白灯亮起，也因此，可在同一瞬间签下协议。

同时，两位总统还决定要在一辆四面都是玻璃墙的特制汽车里举行和平协议的签署仪式，而且，这个特制汽车还将开到两国边境线（边境线是一条平直大道），这样一来，两国人民就都能见证这个历史时刻。许多国际媒体应邀到场报道这一盛事，车辆内部和道路两旁都安装了摄像机。

一切都已安排妥当。汽车沿着笔直的边境公路匀速前行，两位领导人手中执笔，端坐在车内，此时，长桌上方的白灯接通了电源，两位总统见到灯亮，即刻低下头，郑重地在协议上签下姓名。

一起搭乘专车的高官们看到向前国和向后国的两位总统同时落笔签了协议，移动中的车辆内顿时充满了欢呼庆贺的轻快声音。

但是，路边的围观群众里却突然爆发出阵阵骚乱。向后国的人们义愤填膺地声称，他们看到向前国的总统比他们的总统提前下笔签字了，驻扎在路边的媒体记者和摄影师们也都纷纷附议。

随后，各新闻媒体聚集在附近的演播室里，试图弄清事情的真相。他们把车内摄像头拍摄到的画面与架设在路边地面的摄像头拍摄到的画面放在一起进行比较，车内摄像头摄录下的画面显示，两位总统的确是同时落笔签署协议的。然而路边的摄像头却清晰地捕捉到，向前国总统下笔的时间要略微先于向后国的总统。在场所有人的脸上都露出了难以置信的表情——怎么可能发生这种事情呢？

为了弄明白事件的原委，必须分别从两个角度——移动车辆里的观察者（以车辆为参考坐标系）和路边的观察者（以路面为参考坐标系）——来审视签字的那一刻。

以车辆为参考坐标系——由爱因斯坦的光速不变原理我们可知，在身处匀速运动的车辆内的乘客看来，车辆内部的一切事物均为静止状态。如图6.1所示，两位总统分别坐在长桌的两端，向前国的总统菲利希亚·法克沃德面朝前方，我们暂且简称她为F，而向后国的总统波拉特·巴达诺夫则面朝后方，我们暂且称他为B。

图6.1　以汽车为参考坐标系
光同时到达两位总统处。

灯泡接通了电源，光以相同的速度c 向四面八方传播。因两位总统与灯泡之间的距离相等，所以，灯泡放射的光束将同时到达他们所在的位置，也因此，两位总统可同时看到光并且同时签署协议。

以路边为参考坐标系——从站在路边的观察者的视角看，灯泡变亮的那一瞬间，车辆正从左至右做匀速运动，因此，向前国总统（F）的运动方向趋近光束，所以光线到达F的传播距离将有所缩短，同时，向后国总统（B）则朝着远离光束的方向运动，所以光束到达B的传播距离将有稍许延长（见图6.2）。

图6.2　以路边为参考坐标系
灯泡到F的距离较短，光线更早到达F处。

这其中的关键点在于，根据爱因斯坦的光速不变原理，光的传播速度是不受车辆的运动速度所影响的，因此，光从始至终都会以速度c 进行传播。由于光的传播速度不变，但光到达F的传播距离较短，所以光束将更早到达F，因此，F将比B先签字。也就是说，以路边为一参考坐标系时，两位总统的落笔签字并不是同时发生的。

情况确实如此吗？让我们来看看摄像头录下的画面。图6.3所示为车辆内部的摄像头所拍摄的画面（为方便理解，增画了光束的传播路径）。车内的官员、媒体记者以及摄像头依次观察到以下画面：（1）灯亮；（2）光束以匀速向四面八方传播开去；（3）光束同时到达两位总统处；（4）两位总统同时落笔签字。所以，两人的签字行为是同时发生的。

图6.3　车内的视角
两位总统同时看到灯亮，因此同时签字。
（可在marksmodernphysics.com观看关于“同时性的相对性”的动画演示。）

图6.4所示的则是路边的摄像头摄录下的画面。由于光速的不变性与车辆的相对运动，这次的顺序有所不同：（1）灯亮；（2）光束以匀速向四面八方传播开去（光的传播速度不受车辆运动的影响）；（3）由于F正趋近光线而B正远离光线，所以光线先到达F；（4）F先于B落笔签字。所以，两人的签字行为并非同时发生。

图6.4　路边的视角
F先于B看到光，所以先于B签字（未按比例绘制）。
（可在marksmodernphysics.com观看关于“同时性的相对性”的动画演示。）

总结

对于同在车内的观察者而言，两位总统是同时下笔签协议的，但在路边的观察者看来，两人却并非同时落笔。同时性是相对的。处于相对运动中的观察者对于事件是否同时发生是无法取得一致意见的。牛顿提出的“时间是绝对的”这一观点遭到了毁灭性的打击。宇宙间并不存在普遍适用的时钟。

这个现象源自爱因斯坦提出的两个假设：（1）光的传播速度与光源的速度无关；（2）匀速运动是相对的。

倘若在路边围观签字仪式的群众中，有一人决定跟随汽车跑动，又会发生什么情况呢？我们暂可假定这位围观群众有能力跟上总统专车的运动速度，如此一来，他将与专车处于同一参考坐标系，那么，这位观察者将同车内的观察者一样，看到两位总统同时落笔签署协议。

站在路边的观察者见到向前国总统率先下笔，而以与汽车相同的速度沿着路边奔跑的观察者看到的则是两位总统同时落笔的画面，这样的情况未免太过诡异。因此，决定观察者看到的两个事件是否同时发生的是相对运动。

对于两个处于相对静止状态的观察者来说，如果其中一人见到两个事件是同时发生的，那么，另一个人也必然观察到两个事件同时发生。然而，倘若两个观察者之间存在相对运动，那么当其中一个观察者发现两个事件是同时发生的，另一个观察者未必会看到同样的现象。

谁的视角才是正确的呢？都正确，因为同时性是相对的。

就像时间与空间的相对性一样，在日常速度下，同时性的相对性所带来的影响也是极其微小的。当然了，要不是如此，早在爱因斯坦之前应该就有先人发现这一现象了。

若是伽利略和牛顿能够听闻这一理论，他们又会做何反应？他们应该会同意爱因斯坦的部分结论，即汽车上的观察者看到两名领导人的签字行为是同时发生的，但对于结论的后半部分，按理他们应会竭力反对，并断定路边的观察者同样也会看到两名领导人同时落笔签字。为什么会做出这样的推断？因为他们笃信，光的传播速度会受汽车运动的影响。

在他们的设想中，站在路边观测时，向后传播的光的速度会因汽车正朝相反方向运动而减缓，而向前传播的光的速度会因汽车正朝相同方向运动而增加。

向后传播的光传播的距离较短，但其速度较慢，而向前传播的光传播的距离较长，但其速度较快，所以两相抵消之下，最终F和B将同时看到光束。

但爱因斯坦觉察到了一些伽利略和牛顿从未曾了解过的真相，即光速是绝对的，它不受汽车运动状态的影响，也就是说，无论朝哪个方向传播，光速都是相同的。所以，F先于B看到光，因此也先于B落笔签字。同时性的相对性是爱因斯坦的光速不变原理引起的直接结果。

而这个结论又将引领爱因斯坦走进另一个有关时间本质的新世界，在那个新世界里，爱因斯坦将试图探索我们究竟该如何定义“现在”以及“过去与未来”。

时态与紧张

对于人类而言，关于“现在”的经历总承载着一些特殊的意义，它与“过去”以及“未来”具有本质上的不同，但这个意义重大的不同之处并不存在于物理学的范畴内……这个事实虽叫人心痛但却又无可避免。

——阿尔伯特·爱因斯坦

我们暂且将“现在”定义为两位总统落笔签字的那个瞬间，想必汽车上的其他官员和媒体记者也会同意这个界定。但是，路边的围观群众对此会有什么想法呢？他们眼中的“现在”又是哪个时刻？既然他们看到向前国总统提前落笔，那我们不妨将这个时刻称为他们眼中的“过去”，同时，他们看到向后国总统较迟签字，因此我们可以将这个时刻称为他们眼中的“未来”。

路边群众认知中的“现在”与乘车者眼中的“现在”其实是有区别的，同时性的相对性严重混淆了我们的时态概念。

现在就让我们更细致地探讨一下这个问题。

对于坐在车上的人——我们可将两位总统同时签字的那个瞬间定义为“现在”或当下，因此，在这个参考系中，“过去”就是指两位总统坐等光束抵达眼底这段时间（或签字之前），而“未来”就是指两位总统一起签字之后。

对于站在路边的人——对于站在地面的围观者而言，所谓的“过去”“现在”和“未来”又是什么呢？我们无法将两位总统签字的瞬间选定为他们共同的“现在”，因为站在地上的观察者看到的两位总统签字的时刻是不同的，所以我们不得不选定另外一个“现在”。“现在”是相对的！我们不妨选取F签字与B签字之间的中间时间点为路边围观者的“现在”，在这种情况下，F签字就发生在“过去”，B签字则发生在“未来”。

如此一来，站在路边的人们的“过去”、“现在”和“未来”就全然不同于车上人们的“过去”“现在”和“未来”！（总结见表6.1）

表6.1　过去、现在以及未来均是相对的！它们对于处于相对运动的各观察者而言是不同的
（中点指的是F签字与B签字之间的中间时间点。）

参考坐标系 | 过去 | 现在 | 未来
移动的车辆 | 两人签字之前 | 两人签字的瞬间 | 两人签字之后
地面 | F签字 | 中点 | B签字

这样古怪的情形未免会引起人们的犹疑：我们所说的“现在”究竟意味着什么？我的“现在”未必是其他人的“现在”，因为时间和空间是相对的，所以处于相对运动的观察者们“对于任一时刻发生的事情会有不同的感知，因此他们对现实的认知也有所差异”，布莱恩·格林这样解释。换句话说，若你与其他观察者之间存在相对运动，那么，你的“过去”有可能是其他某些观察者的“现在”，而某些对于你而言是尚未发生的“未来”事件，在另一个观察者看来却是已然发生的事件。

哪一方的观点是正确的呢？没有哪一位观察者的“现在”具有更高的重要性和优越性，它们同样正当、有效，因为时态是相对的。

所以，不仅时间是相对的，同时性也是相对的。支撑起爱因斯坦构筑的相对论世界的第三根理论支柱是，空间也是相对的。在测量空间中两点之间的距离时，长度收缩现象显露无遗。

速度越快，长度越短

爱因斯坦告诫我们，我们不应把某个物体的长度看成一个绝对不变的事实。更确切地说，长度应当是“物体与测量者之间的关系”。与时间一样，长度的测量结果取决于物体与观察者之间的相对运动。

为了对长度收缩有定量化的认知，我们不妨再次请出那位英勇无惧的赛车手克拉什，假设他再次搭乘火箭，以相对论级的速度向外太空飞驰，而他的好搭档艾迪依然留守地球完成测量工作，只不过这一次，他关注的现象不再是时间的膨胀，而是空间的收缩。

克拉什的火箭体量巨大，静止状态下从头至尾总共100码（约91.4米）长，约等于一个足球场的长度（尺寸与送宇航员上月球的土星5号运载火箭大致相当），直立在发射台上，测量得到的高度大约相当于25层楼高。

克拉什以不同的均匀速度多次经过地球，斯塔迪·艾迪在地球上使用最精良的高倍望远镜观察克拉什的火箭。那么，他对火箭长度的测量结果又如何呢？留在地球的艾迪发现，火箭的长度会随着其运动速度的变化而变化。事实上，从艾迪的视角看，火箭经过地球的速度越快，其长度就越短，而缩小的具体长度由洛伦兹因子所决定（总结见表6.2）。

表6.2　火箭的100码长度因相对速度发生收缩

火箭速度（英里/小时） | 火箭速度v 与光速的比值 | 洛伦兹因子F =sqrt （1-v 2 ） | 100码收缩至
670 | 0.000001 | 0.9999999999995 | 100
16 000 000 | 0.024 | 0.9997 | 99.97
168 000 000 | 0.25 | 0.968 | 96.8
336 000 000 | 0.5 | 0.865 | 86.5
503 000 000 | 0.75 | 0.661 | 66.1
604 000 000 | 0.9 | 0.435 | 43.5
670 610 000 | 0.99999 | 0.0044 | 0.44

下面让我们对这一问题进行更详细的分析。

日常速度——克拉什首次经过时，火箭的巡航速度仅为每小时670英里（约1078千米/小时），与日常商务飞机大致相当，大约为光速的百万分之一。在这一速度下，长度收缩效应十分细微，艾迪的测量仪器无从捕捉（也正是因为如此，在日常生活中我们难以察觉长度收缩现象存在的痕迹）。

相对论级别速度——随着火箭速度的飙升，这一效应也变得越来越显著。当运动速度增至光速的一半，艾迪测量得到的火箭长度仅为86.5码（约79米）；当速度逼近光速，达到0.99999c ，原本长度有100码的火箭竟被压缩至0.44码（约0.4米）。在艾迪眼中，从前足球场大小的火箭如今居然仅有16英尺长！

但对于火箭中的克拉什来说，一切都很正常。请注意，克拉什做的是匀速运动，因此，以他自身为参考系，火箭和火箭内部的其他事物均处于静止状态，所以，从他的视角出发，火箭内部并不存在任何“空间收缩”现象。

物理学家们设想遍了所有与爱因斯坦的长度收缩有关的情况，“仓库-撑杆悖论”就是其中的一个典例。接下来就让我们来看一看这个趣味十足而又极富启发性的思想实验吧。

撑杆缩短了

转眼已是公元2323年。冒险者戴夫七世是某著名摩托车特技表演者的七世孙，他计划进行一场足以叫所有人惊诧的表演，以展现爱因斯坦预言的长度收缩现象。他打算向全世界观众表演如何将一根18英尺（约5.5米）长的撑杆装进一个仅有10英尺（约3米）长的仓库。

假如戴夫与仓库处于相对静止状态，那他当然无法将撑杆塞进仓库，毕竟撑杆的长度几乎是仓库长度的两倍（图示见图6.5）。但是，根据爱因斯坦的理论，只要运动速度足够高，撑杆就会收缩到可以适应仓库的长度。

图6.5　处于相对静止状态的冒险者戴夫、撑杆与仓库

所以戴夫在背上绑了一个喷气单人飞行器，并将飞行速度设定为0.886c ，大致为每小时580 000 000英里（约9.3亿千米/小时）。他将18英尺长的撑杆绑在强壮的胳膊上，启动飞行器，猛地向前一蹿，朝仅有10英尺长的仓库飞驰而去。

仓库的前后门都开着，不过，戴夫的助手们会在撑杆完全进入仓库之后，即刻将两扇门合上，以证明撑杆确实已经装进仓库，之后，立即将后门打开，让戴夫带着撑杆离开仓库（关门与开门的动作应极其迅速）。

以仓库为参考坐标系——从仓库的角度看，撑杆此时正以恒定速度0.866c 朝其运动。正如第四章所示，这一速度下的洛伦兹因子为0.5，所以0.886c 的相对速度将引发50％的长度收缩，所以，站在仓库的视角看，朝它疾飞而来的撑杆已从原来的18英尺长压缩至9英尺（约2.7米）。在这一速度下，10英尺长的仓库完全能够容纳收缩后的仅有9英尺长的撑杆〔如图6.6（a）所示〕。

图6.6　撑杆-仓库悖论
分别从两个参考系审视。

然而，事情真的如此简单吗？也不完全是。我们还得从撑杆的视角来审视一下这个稍显疯狂的特技表演。

以撑杆为参考坐标系——从撑杆的角度看，其自身处于静止状态，而仓库正以0.886c 的速度朝它趋近〔见图6.6（b）〕，所以，以撑杆的视角出发，仓库已从10英尺长收缩至5英尺（约1.5米）长。注意，在这一参考坐标系中，撑杆是处于静止状态的，所以，它依然保持18英尺的长度不变。

所以，问题来了，18英尺长的撑杆如何能装进只剩5英尺长的仓库？

以仓库为参考系，撑杆能够装进仓库；以撑杆为参考系，撑杆无法装进仓库。戴夫的助手怎么可能做到在撑杆完全进入仓库之后再关上仓库的前后门？

难道我们找到了狭义相对论的矛盾漏洞？难道我们可就此推翻天才的爱因斯坦博士的伟大论著？不然。爱因斯坦再一次找到了解决问题的出路：

仍旧以仓库为参考坐标系——图6.7显示的是以仓库为参考坐标系下的事件发生顺序的鸟瞰图。此时，静止的仓库长10英尺，高速运动的撑杆长度缩减了一半，仅为9英尺。

图6.7　以仓库为参考系：撑杆-仓库事件发生顺序

位于仓库内部的观察者将看到：（a）撑杆以0.866c 的匀速向仓库运动，此时仓库的前后门均打开；（b）撑杆完全进入仓库，助手们同时关上仓库的前后门；（c）助手打开仓库前后门，持续前行中的撑杆离开仓库。注意，此时仓库前后门是同时关上的，这是问题的关键所在。

再次以撑杆为参考坐标系

现在来看一下以撑杆为参考系下的事件发生顺序鸟瞰图（见图6.8）。在这一情况下，撑杆处于静止状态，长18英尺，仓库则被压缩至一半长度，仅剩5英尺。

图6.8　以撑杆为参考系：撑杆-仓库事件发生顺序

撑杆和冒险者戴夫眼中的事件顺序如下：（1）仓库趋近撑杆，此时，仓库前后门保持开启；（2）仓库一包围撑杆右侧，助手立即关闭后门；（3）撑杆中点与仓库中点正对齐时，另一名助手即刻打开后门；（4）仓库围住撑杆左侧后，助手立刻关闭仓库前门；（5）助手打开前门，仓库离开撑杆左侧。

请问你在说些什么？在上一部分难道我们不是已经言明，仓库的前后门是同时关闭的？现在又变成，助手先关上后门，之后再关上前门了？到底哪种说法才是正确的？两种说法都无误——因为同时性是相对的。

就像先前描述的总统签字仪式一样，在某一个参考系中同时发生的事件在另一参考系中未必也是同时发生，所以，以仓库为参考系的情况下，仓库前后门是同时关闭和同时开启的，但这并不意味着，以撑杆为参考系的情况下，情况也必然如此。

你明白过来了吗？从仓库的视角看，仓库的前后门同时开启，又在撑杆完全进入仓库的那一刻同时关闭，但从撑杆的角度看，后门先关闭、而后开启，在仓库运动通过撑杆的过程中，前门再关闭、开启——这一系列动作并非同时发生的！

聪慧过人的阿尔伯特·爱因斯坦又一次奏响了凯歌。这个与当时主流物理学界几乎无交流的年轻隐士，竟然凭借自身的努力提出了狭义相对论这样意义深远、涵括万物的伟大理论，简直令人惊叹。

是的，洛伦兹和菲茨杰拉德确实推导了一些极具实际应用价值的数学公式，而且，他们与法国物理学家亨利·庞加莱也提出过某些与狭义相对论相类似的主张，但是，唯有爱因斯坦实现了完整而系统的理论突破与跨越。正如物理学家基普·索恩所言，爱因斯坦拥有“他人无法企及的无比清晰的逻辑思辨”，仅凭一己之力，便挣脱了牛顿物理学说的枷锁束缚。他的勇敢与智慧实在值得人们敬畏与尊崇。

或许现在的你依然满腹疑惑，或许你心底仍旧盘桓着许多疑问：空间本身到底是如何实现收缩的？时间又是如何实现膨胀的？爱因斯坦深刻地思索着他提出的理论所蕴含的物理意义，最终，在严格的实证主义观点“现实仅是我们测量所得的结果”的指导下，他找到了答案。

“时间”和“空间”究竟是什么

通过以“手表上指针的位置”替代“时间”，一切有关定义“时间”的困难似乎都可迎刃而解。

——阿尔伯特·爱因斯坦

在专利局工作期间，阿尔伯特·爱因斯坦开始与伯尔尼大学的哲学系学生莫里斯·索罗文和苏黎世工业大学已毕业的数学系学生康拉德·哈比西特定期碰面，这两人在1901年看到爱因斯坦发布的应征数学与物理家庭教师的广告，萌生了兴趣，意气相投的三人很快成了挚友。他们的日常三重奏里洋溢着滔滔不绝的讨论以及涵盖古典、科学、哲学的阅读分享，有时，他们也会嘲讽当时主流学院派科学家们的傲慢与古板，并将他们的三人小团体称为“奥林匹亚科学院”（见图6.9）。

图6.9　“奥林匹亚科学院”
阿尔伯特·爱因斯坦与其挚友哈比西特（左边）和索罗文（中间）。摄于1903年。

他们一起阅读过的众多书籍中，就有18世纪苏格兰经验主义者大卫·休谟和19世纪澳大利亚物理学家、哲学家恩斯特·马赫的著作。在休谟看来，时间本身“并非绝对的存在……它独立于那些我们用来测量并定义时间的看得见的物体（如时钟） ”。 [1]

马赫也对牛顿的绝对时间观和绝对空间观提出了“严厉的批判”，因为时间和空间本身是非人为可测量的概念。爱因斯坦从这些论著（和其他一些作品）中汲取养料，逐渐树立起了属于自己独立的科学哲学观，深刻地影响了日后相对论理论的发展。

爱因斯坦信奉这样一个理念，即没有什么能够超越我们的观察和测量所得。这位年轻的专利局审查员将时间简练地定义为“你在时钟上看到的读数”，又将空间定义为“测量得到的两点之间的距离”。在这些“操作化”定义之上，爱因斯坦认为，所谓时间和空间的概念其实只不过是人类思维的创造物而已。

换句话说，时间是相对的——物体运动速度的快慢取决于观察者的运动状态，它是可测量的，而在我们固有的认知中，时间只是一个抽象概念。

爱因斯坦对“空间”的看法与此类似。空间究竟是什么？这个看似简单无比的问题自古便深深困扰了一代又一代的哲学家和科学家。

我们总是把空间想成一种刻板不变的事物，并拘泥于此。我们会本能地认为，假如使用足够精确的设备并足够仔细地对空间中两点的距离进行测量，我们应当可以得出可信赖和可复验的数据，并且合理地认为，假如换一个人使用同样的设备、以同样的态度进行测量，肯定也会得出与我们一样（或极度接近）的测量数据。

然而，现代物理学一次又一次地告诫并警示着我们，必须小心谨慎地对待我们的“想当然”，我们的日常生活经验和直觉往往是不可靠的。对于空间亦是如此。

1905年，爱因斯坦正式提出，空间中相同两点之间的距离并非对所有观察者都是一致的。就像时间间隔一样，“空间间隔”也是相对的。对于一个处于运动状态的观察者而言，空间中两点之间的距离会沿着运动的方向发生收缩。

但是，空间又是如何收缩的呢？对于相对运动速度不同的若干观察者，空间的收缩程度不同，这一切又是如何发生的？爱因斯坦认为，“空间”本身不存在，存在的只有两点之间的距离。两点之间的距离是可测量的，虽然对于不同的观察者测量的结果可能存在差异。

爱因斯坦告诫我们，我们必须把时间和空间仅仅当作时钟上指针所处的位置以及尺子上的刻度。

空间和时间是事物的次序，而非事物本身。

——戈特弗里德·莱布尼茨

之后，爱因斯坦发展出了一套范围更加广泛的时空观——囊括了其数学导师赫尔曼·闵可夫斯基的时空物理理论，后又独立提出了广义相对论（将在第八章以及本书的第二部分进行进一步讨论）。

注解：

[1] 　斜体字为作者修改版文字。

第7章
史上最著名的科学方程式

E =mc 2 所揭示的是天上群星的秘密，它是推动整个宇宙有序运转的引擎……

夜星之所以闪耀，大地之所以有阳光普照，皆由它而起。

——加来道雄

1905年的夏天注定令阿尔伯特·爱因斯坦终生难忘。那年6月，爱因斯坦向德国权威物理学杂志《物理学年鉴》投了三篇论文。彼时的爱因斯坦仍在伯尔尼专利局工作，远离主流物理学术圈，但他并未就此中止科研工作，反而终日沉思狭义相对论究竟是如何与能量产生联系的。1905年9月，他的思考结晶在《物理学年鉴》刊登，这篇仅有三页的补充性文章被誉为“人类科学史上最意义深远的一次事后追想”。

在简短的原稿中，爱因斯坦把麦克斯韦的电磁学理论与狭义相对论的两个公设结合在一起，推导出了一个全新的方程式。最初，爱因斯坦将该方程式的形式表示为：m =E /c 2 ，直到下一篇论文，爱因斯坦才将它书写为今日我们所熟悉的形式：E =mc 2 。这个方程式到底有何含义？它意味着，能量与质量是等价的，能量与质量一样具有惯性。因此，能量也与质量一样具有重量！

这个论证既有趣又引人入胜，但我既无法确定上帝是否会对它一笑置之，也无法确定上帝是否会捉弄我的命运。

——阿尔伯特·爱因斯坦写给友人的信

从我第一次读到E =mc 2 这个公式，我就十分好奇，时间和空间的相对性与质量和能量之间到底有怎样的联系。为了更好地理解这个问题，让我们首先思考一下所谓物体的质量究竟指的是什么。接着，再对动量和动能这两个概念作详细阐释。而后，我们将循着爱因斯坦的脚印去探索这道闻名于世的质能方程式的诞生过程。最后，再对这道公式所蕴藏的奥义进行剖析。

太空货运者的苦恼

“你看，你这八个大货箱的总重量是289火星磅，相当于732地球磅，所以我付你的总款项为422 000元。”赫尔利说道。

“你这个骗子！王八蛋！”家姓为扎斯洛的双生子怒吼着，“我们在地球时给这批货物称的重量明明是762磅，你明明知道的！这船货你应该付我440 000元。”

“反正就这么多钱，你要就拿走，不要就算了！”赫尔利冷笑道。

看着这名火星港口工作人员的冰冷眼神，双胞胎无奈地妥协了，同意了交易，因为他们深知自己在这里毫无势力，徒劳反抗也只是浪费时间。除了妥协他们还能做什么呢？难道还能把货物一路运到月球再售卖吗？他们不仅急需现金，就连火箭燃料也即将消耗殆尽，而赫尔利对这一切了如指掌。

此时已是公元2525年。扎斯洛兄弟做的是在地球、月球和火星之间往返运货的营生，大家把这条货运路线称为“三行星航线”，尽管严格地讲，月球其实并不是行星。这对双胞胎性格极为独立，又十分争强好胜，拥有热爱自由的灵魂，生性偏爱冒险，所以很适合现在这份工作。但其中有一个问题，那就是，在有关运输货物的确切重量这件事情上，他们总是和船坞站的工作人员发生激烈的争吵。

货运行业以重量计算酬金，而货物的重量与称重的地点息息相关。比如在地球表面称重为100磅的货物，到了火星仅剩37.9磅，若在月球上称重，结果会更低，只有16.6磅——此现象与火星和月球相对较弱的重力有关。

在行星际空间（即俗称的太空）中，由于重力近于0，集装箱无论装载多少货物，其重量都为0。星球表面货运对接站的工作人员通常只承认在本星球称重的结果，如此一来，星际运货员们似乎就成了交易中吃亏弱势的一方。（由于某个原因，火星上的情况尤为严重。）

扎斯洛兄弟决定主动出击，寻找解决问题的方法。他们向妹妹帕特——任职于地球国际度量衡委员会（International Weights and Measurements Agency，IWMA）的物理学家——求助，他们有预感，自己可能得忍受妹妹喋喋不休的长篇大论，不过他们依然觉得这十分值得。帕特耐心地听完他们的讲述，提出了自己的看法。妹妹建议，扎斯洛兄弟应该以货物的质量来估算货运价格，而非货物的重量。

帕特解释说，所有物体都具有质量。质量是一个用来表示物体惯性大小的物理量，惯性是物体的一种固有属性，表现为物体对其运动状态变化的一种阻抗程度（关于“惯性”，在第二章已做详细讨论）。质量与惯性之间的关系是，质量越大，惯性越大，即越难使处于静止状态的物体开始运动，或使处于运动状态的物体改变其速度或方向。比如与充气气球相比，要使静止不动的保龄球开始运动显然更加困难。同样，相等速度下，令运动中的保龄球停下不动明显难过令运动中的充气气球停止飘摇。而这就是因为保龄球的质量更大，即其惯性更大。

“对你们最有利的一点是，无论是在地球、月球、火星，甚至是在太空，货物的质量都不会发生一丝一毫的改变。”帕特陈述道。

“不过，由于火星上的重力弱于地球上的重力，所以同等质量的货物在火星的称量台上被重力下拉的程度不如在地球上那样深，因此，火星上的称量台给出的最终重量读数也相对较小。月球上的重力更弱，所以同样质量的货物在月球的称重结果会更小。

“就像我之前说的，重量或许会有差异，但货物的质量在三个星球表面均不会波动。我把数据给你列成一张表格吧，这样你比较容易理解。”

帕特把不同地点所对应的重量和质量以表格的形式一一列出（见表7.1）。

表7.1　重量随着地点的转变而波动，质量则一直保持恒定不变

地点 | 集装箱重量（磅） | 集装箱质量（千克）
地球 | 100 | 45.5
火星 | 37.9 | 45.5
月球 | 16.6 | 45.5
外太空 | 0 | 45.5

“好了，我们大体明白了，你不用再解释了，”双胞胎说道，“现在你就直接告诉我们货物的质量该怎么测量就好了。”

“这个很简单，”帕特答道，“用这个惯性天平标尺（见图7.1）就可以了。这件工具已经发明问世很久了，宇航员早在20世纪就用它来测量自己在太空中的质量。真是没想到，你们作为日常在太空穿梭的人竟然不知道这个工具。”闻言，双胞胎只能无奈耸肩。

图7.1　惯性天平标尺
测量物体的质量，而非重量。

“无论在什么地方，地球、火星、月球抑或是外太空，它得出的质量测量结果都是一样的。”

“这个装置真的好神奇！它的工作原理是什么？”两兄弟好奇道。

“把货物放到两个弹簧中间，然后把货物压向其中一边——先假设是左边，然后放手。”帕特说道（操作顺序如图7.2所示）。

图7.2　处于运动状态的惯性天平
一个完整来回所需的时间被称为振荡周期，质量越大，振荡周期越长。

“被压制的左侧弹簧释放以后，会将货物向右推行，而后，货物会压缩右侧弹簧。被压缩的右侧弹簧释放之后，又会把货物推向左侧……如此反复。所以，货物会在两个弹簧之间来回移动。

“我们所要做的就是测算一个完整来回周期所消耗的时间，该时间间隔的长短取决于两个要素，一是货物的质量，二是弹簧的弹性系数。”

“一般来讲，你必须测量多次，再取平均值。假设货物从最左侧运动到最右侧所花费的时间是1秒，那么我们将把这个时间间隔称为振荡周期。

“货物质量越大，在弹簧之间移动的速度就越慢，振荡周期也就越长。刚刚我们已经假定，你的货物须耗费1秒完成一个完整周期，那么，如果现有一个货物，其质量是你的货物的两倍，那该货物完成一个完整周期所需的时间便是2秒。同理，假如某一货物的质量是你的货物质量的3倍，它完成一个周期所需的时间就是3秒。以此类推。”

“所以我们要做的就是把货物放在惯性天平上，把它压向左右任一侧，然后放手就可以了？”双生子确认道。

“是的，然后计算货物来回移动一个周期所耗费的时间。”

“在所有星球上，同一货物的振荡周期都是一样的？”

“没错，就是这样。”帕特答道。

听完妹妹的建议，双胞胎很满意。此后，在地球国际度量衡委员会的支持下，双胞胎与帕特齐心合作，在每一个通贸易的港口对接站都装配上了相同的惯性天平标尺，之后，还对对接站的工作人员进行了细致的培训。为了简便计算，特地选用了弹性系数合适的弹簧，使得质量为100千克（相当于地球上的220磅）的货物对应的振荡周期为1秒。

虽然中间费了些周折，但问题最终还是完满解决了。对于某个货物，无论是在地球表面、火星表面、月球表面，抑或是在穿梭于外太空的货运火箭内部，测量得到的振荡周期和因此推算出的质量都是恒定一致的，也就是说，测量结果完全不受重力影响。太空货运者们无不激动万分。

“看来‘质量’很受大家的欢迎嘛！”双胞胎感慨道。

物体的质量和物体运动的速度与一个叫作“动量”的概念密切相关。下面就让我们通过两辆相撞的汽车来了解一下什么是动量。

厚冰之上的车祸

这是新英格兰一个平淡无奇的周二。斯波特池塘结了一层厚厚的冰，池塘四周的橡树和枫树枝干上挂满了冰晶，略显灰暗的阴空下，一股沉寂悄然弥漫在空气里，难以挥散。

突然，冰面上出现了一辆小轿车和一辆卡车，它们相向而行，重1吨的小轿车以80千米/小时的速度从左朝右行驶，而重达10吨的大卡车则以8千米/小时的速度自右向左缓行（见图7.3）。

图7.3　在冰面相撞的轿车和卡车
相撞后保险杠勾连在一起的两辆车停留在原地，因为它们的动量数值相等、方向相反。

就在这时，轿车和卡车发生了碰撞，两车的保险杠互相勾连在了一起。

那么，问题来了：两车相撞之后，较重的卡车会将较轻的轿车撞向左侧，还是速度较快的轿车会将速度较慢的卡车撞向右侧呢？

又或者，保险杠勾连在一起的两辆车会保持在原地不移动？

根据牛顿物理学，这两辆车在相撞之后会停留在原地。为什么呢？因为它们具有数值相等、方向相反的动量。

在牛顿构筑的物理宇宙里，动量等于物体质量与其运动速度的乘积。（记住，速度包括物体运动的速率和方向，所以动量同样是个既有大小又有方向的物理量。）

轿车的动量等于1吨乘以80千米/小时，即80单位动量；卡车的动量等于10吨乘以-80千米/小时，即-80单位动量。（为什么卡车的速度为负值？因为它与轿车的运动方向相反。）

所以两车的动量互相抵消，也因此，碰撞之后勾连为一体的两辆车不会有进一步的移动，而是留在原地。轿车10倍于卡车的运动速度弥补了它的质量仅有卡车的1/10这一劣势。

动量守恒

动量守恒定律认为，两车碰撞之前的动量总和必须等于碰撞之后两车的动量总和。相撞前，轿车的动量为80，卡车的动量为-80，两者之和为0。

相撞之后的总动量又是多少呢？也是0。为什么？因为相连在一起的两车停在了原地，速度为0意味着动量为0。

因此，相撞之前的总动量与相撞之后的总动量相等——在这个例子中，总动量为0。这就是动量守恒定律在起作用。可见，牛顿提出的动量守恒定律支配着一切涉及物体相撞的物理现象——不过，事实果真如此吗？

爱因斯坦眼中的动量

动量等于物体质量与物体运动速度的乘积这一定义，以及动量守恒定律，一直被视为物理学的一项基本原理——直到爱因斯坦发出反驳的声音。这位自命不凡的年轻人十分认同动量守恒定律，但却对动量这一物理量本身的定义提出了质疑。

根据狭义相对论，物体的动量绝非如此简单。它不仅与质量和速度有关，同时，也受它与光的相对运动速度的影响。狭义相对论理论框架中的动量应当定义为质量与速度的乘积除以洛伦兹因子。

除以洛伦兹因子的这一步运算会引发何种后果呢？对于低速运动而言，它造成的影响极其有限，但需要注意的是，当运动速度与光速的比值增至可观水平时，洛伦兹因子带来的影响就变得难以忽视了。所以，在相对论级速度下，爱因斯坦推算出的动量数值要远远高于牛顿公式计算的结果。当物体的运动速度趋近光速时，其动量将呈指数级激增。

爱因斯坦是正确的吗？

1909～1915年，为了验证爱因斯坦对动量概念的修改究竟是否合理，物理学界以电子为实验对象，进行了一系列实验。出乎所有人意料的是，实验结果与爱因斯坦的预言完美契合，牛顿的动量定义确实存在一定缺陷。

测量结果显示，当物体运动速度逼近光速，其动量增幅远超牛顿公式的计算结果。牛顿简单的“质量乘以速度”公式可完美推算低速运动下的动量，但对于相对论级别的速度，只有爱因斯坦新修正的公式能够提供正确答案。

动量的增加会不会造成实质影响呢？答案是肯定的。全世界的粒子加速器都清楚地反映了传播速度接近光速的粒子发生激烈碰撞后所产生的效应，而这些效应产生的根源就是粒子动量的增加。来自外太空的宇宙射线以接近光速的速度进行传播，它们与地球大气层的粒子发生撞击之后，显露了同样的效应。

让我们来看一看欧洲核子研究组织（CERN）的大型强子碰撞型加速装置（Large Hadron Collider，LHC）。若满功率运行，该装置可将质子加速至0.999999991c ，每小时只比光速慢约9.7千米——实在是令人震惊！此速度下的洛伦兹因子倒数为7454 [1] ，以该速度运动的质子其实际动量大概是牛顿公式预测数值的7500倍。当两个经LHC加速的质子发生激烈碰撞，其引发的效果比物理学家们想象中的要壮观得多，并且产生了只有在宇宙大爆炸之后温度与密度超高的环境中才能观测到的粒子。

当一个质量为m 的粒子以速度0.999999991c 进行传播时，其动量为（以光速运动时动量为1单位）：

根据牛顿的公式

动量等于质量乘以速度

　P =mv

　P =0.9999999991m ≈1m

根据爱因斯坦的公式

动量等于质量乘以速度除以洛伦兹因子（F ）

P | =mv /sqrt （1–v 2 ）
| =0.999999991m /sqrt （1–0.9999999912 ）
| =0.999999991m /0.000134
| =7454m

关于相对论框架下的动量的更多信息请详见附录C。

爱因斯坦在相对论框架内提出的动量概念绝不仅是对牛顿动量在数学层面的抽象修正，它还蕴含着巨大的能量，支配着宇宙间的一切碰撞现象。接下来我们将把关注焦点暂时转移到另一概念上——能量，一个用以表示做功的大小的物理量。

牛顿犯了个错误

即使是在经典物理学（相对论之前的物理学）的疆域内，伟大的艾萨克·牛顿也并非永远正确，比如在定义动能时，牛顿就犯了个错误。

物理学家把物体由于运动而具有的能量称为动能，物体运动速度越快，其动能就越大。牛顿认为，物体的动能就等于物体质量与速度的乘积。

牛顿的老对手、德国数学家与自然哲学家戈特弗里德·莱布尼茨对此强烈质疑，并提出，物体的动能应与质量和速度的平方的乘积成正比。与牛顿同样独立创立了微积分的正是这位戈特弗里德·莱布尼茨先生，两人就究竟是谁率先发明了微积分这一问题爆发了持续的激烈论战。

1730年，荷兰科学家威廉斯·格莱福山德用一个简单的小实验平息了有关动能公式的争端。他令一些黄铜小球体自由下落至软黏土制成的地板上，然后测量球体速度以及球体陷入软黏土的深度。

倘若动能确实如牛顿所言，只与物体速度成正比，那么我们便可就此预测，小球体陷入软黏土的深度应与物体速度成正比。如果球体速度增长了2倍，那么它陷进软黏土的深度也会相应地增长2倍；同理，“若运动速度增长3倍，球体陷入软黏土的深度也会相应增长3倍。”

然而，实验结果并不符合预期。球体速度增至原来的2倍时，其陷进软黏土的深度是原来的4倍；速度增至原来的3倍时，陷进软黏土的深度是原来的9倍。这位荷兰科学家的实验清晰地表明了，莱布尼茨的主张才是正确的——物体的动能与其运动速度的平方值成正比。

之后，物理学家进一步确认，动能等于质量与速度平方值的乘积的二分之一。

经典力学中：

动能等于1/2乘以质量乘以速度的平方

　KE =1/2mv 2

为了更好地理解这个公式，不妨暂且假设你正以每小时30英里（约48公里）的速度驾车飞驰，突然，你猛地踩下刹车闸，汽车戛然停下，轮胎摩擦路面，发出尖利的锐响。你下车查看刹车滑痕，测量发现滑痕长45英尺（约14米），也就是说，从踩下刹车的一瞬到汽车完全停下所需的距离是45英尺。

如果你将行车速度增至两倍，即每小时60英里（约97千米/小时），从刹车到汽车完全停下所需经过的距离又会是多长呢？也相应地增加到90英尺（约27米）吗？

并非如此。测量地面车胎滑痕之后发现，该情况下的刹车距离足足有180英尺（约55米）长！是原先距离的2倍乘以2，即4倍。为什么会这样呢？因为汽车储蓄能量的增长倍数与速度增长倍数的平方呈正相关。（见图7.4）

图7.4　动能与速度的平方成正比
车B的速度是车A的2倍，所以其动能为车A动能的4倍。假设车A与车B完全相同，车B的刹车距离就应为车A刹车距离的4倍，换句话说，车B所需的用于消耗动能的滑行距离是车A的4倍。

物体动能与其运动速度的平方值成正比。假如物体速度增至2倍，其动能便增至4倍；假如物体速度增至3倍，其动能便增至9倍；以此类推。

假如汽车处于静止状态，它所具有的动能又会是多少呢？牛顿会笃定地告诉你，如果物体速度为0，其能量也为0，莱布尼茨也会给出相同的回答，他们甚至会好奇，为什么你会问出这样的问题。（当然了，他们也会好奇“汽车”是什么东西。）

静止物体的能量为0，因为速度为0，因此动能为0——果真如此吗？就如其他许多经典物理学的“定律”一样，这条基本原理也被爱因斯坦颠覆了——由此，爱因斯坦彻底改变了我们对质量和能量的看法。

终于发现了

在1905年9月发表的狭义相对论附录文章中，爱因斯坦首次将公式E =mc 2 公之于众。这篇仅有三页的论文其标题是一个问题——《物体的惯性同它所含的能量有关吗？》这份驰名世界的论文开篇如下：

先前所做研究得出了一个十分有趣的结论，此篇旨在阐述其推导过程。

“十分有趣的结论……”还真是谨慎而自谦的表述。爱因斯坦开门见山称，这篇论文的理论基础是麦克斯韦方程组和狭义相对论。之后，典型的爱因斯坦论证方式再次登场，他论述了一个看似简单但其实十分具有欺骗性的思想实验。一个物体往相反的方向发射了两道光脉冲，我们可以把它想象成一个两端均会发光的长条状闪光灯。

为什么要往两个相反的方向发射光脉冲？因为这样的话，物体在失去能量的同时又不会发生位移。由于两束往相反方向传播的光脉冲其动量可相抵消，因此物体仍旧留在原地。

而后，爱因斯坦介绍了用于计算“双闪闪光灯”所含能量以及它发射的光所含能量的方程式。他分别从两个视角考察了这些能量的计算——（相对闪光灯）做匀速运动的参考坐标系和（相对闪光灯）处于静止状态的参考坐标系。他将提出的各方程式合并并进行了一些代数运算，突然间，灵光一闪，那个令人振奋的“倩影”出现了。闪光灯的动能变化（即KE ）等于：

KE =1/2（E /c 2 ）v 2

这道公式中的E 指的是光辐射所含的能量，c 是光速，而v 则是运动参考系下的相对速度。

爱因斯坦终于迎来了可以高声欢呼“终于发现了”的这个时刻。可以想象，当时的他势必血液沸腾，心跳如擂鼓，就连身体的每个细胞想必都轻颤着兴奋的因子。爱因斯坦自然知晓经典力学中用于计算动能变化量的公式（针对未达相对论级别速度的运动现象）是：

KE =1/2mv 2

爱因斯坦意识到，牛顿公式中的m 与他推导出的等式中的E /c 2 可等价替换，于是，他断定：

m =E /c 2

爱因斯坦敏锐地察觉出了这个等式所蕴含的革命性意义。他假想中的这个闪光灯发射了光辐射，而发射的光辐射所含有的能量（E ）除以光速的平方（c 2 ）竟等于闪光灯所减少的质量（m ）。

换言之，当闪光灯以光波的形式释放能量时，闪光灯本身的质量会减少，因此，在发射光束后，闪光灯的重量减轻了！

爱因斯坦在论文中这样写道：

若某个物体以辐射能的形式释放能量E ，其质量会减少E /c 2 。

接着，他果断地对这一结果的物理意义做出了另一番看似简单但其实包含万物且意义深远的解释：

物体的质量实际上就是它自身能量的量度。

就像这篇论文的题目所暗示的那样，爱因斯坦所思考的正是质量和能量之间的等价关系。而且，正如上文指出的，能量与质量一样，也具有惯性，因此，（在引力场中）能量也与质量一样具有重量。

在这篇论文的结尾处，爱因斯坦阐述了一个或许能够验证该质量-能量关系的实验，而正是这个实验促成了新近发现的一个物理现象——放射现象（即放射性，radioactivity）。他把放射性元素镭视为以下这一实验的潜在实验材料：

如若能找寻到一种所含能量可极大程度变化的物质（如镭盐），那么这个理论或许可被成功验证。

爱因斯坦的直觉是正确的。当时致力于放射现象研究的科学家们尚未知晓，这些物质其实是通过将自身的一小部分质量转换为巨大的辐射能来产生辐射的。如今的我们业已明白，放射性衰变就是不稳定的原子核通过放射电磁辐射从而减少其自身质量的过程。而测量结果显示，原子核失去的质量正好等于所发射的能量除以光速的平方——与爱因斯坦推导出的方程完美契合。

总的来说，这篇文章还是有些古怪。同年6月份发表的有关狭义相对论的论文展现了爱因斯坦在这漫长的10年间对光、时间、空间以及运动等方面（能量问题也有稍许涉及）的思考沉淀。

然而，这篇9月发表的旨在论述质能关系的论文却是在相当短的时间内完成问世的，或许这也是他对自己的惊世发现似乎怀有一丝犹疑与不确定的原因所在。毕竟，该篇论文是以问题为标题的，末尾又是以如下的文字结束：

倘若这个理论所预测的确实与现实情况相符，那么辐射将在发射物体与吸收物体之间传递惯性。

“倘若这个理论所预测的确实与现实情况相符……”从这句话中，我们似乎可以捕捉到爱因斯坦心底暗涌的那一丝狐疑，这与这位年轻人往常的自信个性截然不同。

这道公式有一个更为人所熟知的表现形式：E =mc 2 。直到1907年，这一形式才在爱因斯坦发表的一篇狭义相对论综述论文中正式出现。从这个方程我们可知，能量等于质量乘以光速的平方。

正如畅销科普作家大卫·博达尼斯所言，是爱因斯坦一手发掘出了“深潜在固体物质中”的巨量宝贵能源。比如在日本广岛投掷爆炸的那颗原子弹中仅含有2磅（约907克）铀，而且，最终转化成为辐射能量的铀质量还不足其中的1％，而这个骇人造物的来源便是公式E =mc 2 。

在1906年和1907年这两年间，爱因斯坦撰写出版了多篇补充性论文，为质量和能量的等价性提供“进一步的有力论据”。在萨尔茨堡的一次谈论中，爱因斯坦强调，“无论是何种形式的能量，皆与质量（惯性）有关联”。因此他得出一个结论，“电磁辐射（即光）本身必然具有质量（惯性）。”

接下来，我们将对这一结论所蕴藏的深层含义作深入探讨。

当光速为1

同一现象的各外在表征可能存在巨大差异。

——尼马·阿卡尼·哈米德

爱因斯坦的公式究竟还揭示了什么惊人的事实呢？根据爱因斯坦的光速不变原理，光在真空中的传播速度c 是一个恒定不变的常数，我们可利用这个常数将人们熟知的质量单位转换为同样为人熟悉的能量单位，反之亦然。

将质量和能量表述为一种当量关系并不只是数学层面的操作。在漫长的历史中，物理学家一向把质量和能量视为两个完全不同的概念，因此，两者的计量单位一直走在各自独立发展的不同轨道上。而现在，既然我们已经知晓，质量和能量是等价的，那么，为了更准确地描述现实，就十分有必要采用一个共同的计量单位对它们进行表述（例证请详见章节附注）。

与此同时，我们还想对时间和距离的计量单位作少许调整，令光速c 等于1。为什么呢？因为这样可令爱因斯坦的方程更加简洁以及更具启发性。

有许多方式可以达成这一点，其中一个是，用光年表示距离以及以年为单位表示时间，如此一来，表示速度的单位就是“光年/年”。那么，以这一单位表示的光速是多少呢？1光年每年，换言之，光速等于1。

于是，爱因斯坦提出的著名方程变成了如下形式：

E =m

这又说明了什么问题呢？这道方程清楚地表明了，质量和能量是等价的，换言之，能量具备质量所具备的一切特性。比如质量具有惯性，（在引力场中）具有重量，同时，质量还是重力的来源（比如地球的质量就是地球引力的来源），所以，能量也必然具有惯性和重量，而且，能量也是重力的一个来源。我们可以把质量和能量视为同一实体的两种形式，而这也是质量被称为“冻结的能量”的原因所在。

物质粒子（如电子）本身具有质量，根据爱因斯坦的理论，质量其实是能量的另一表现形式，那么，该粒子含有多少能量呢？首先测量粒子的质量，然后将质量乘以光速的平方，如此计算得出的能量值被称为粒子的静止能量。

然而，有些粒子（如光子）并不具有质量，即其质量为0，它们的情况又如何呢？若按照物理学家阿特·霍布森提出的专业术语，我们可表述称，这些粒子含有非物质形式的能量。

超越光速

根据狭义相对论，光速是不可超越的，它是一切事物运动速度的极限。自该理论提出伊始，人们对此就一直心存怀疑——为什么会存在一个具有宇宙普遍性的速度极限？

牛顿认为，只要具备足够的动力和能量，我们就可令物体加速至任意速度，至少在理论上这是可行的。就在全世界都深以为然的时候，爱因斯坦拍案而起，强烈反对，主张没有任何物体或任何具有质量的粒子可达到光的传播速度。

为什么呢？因为按照狭义相对论的理论，具有质量的粒子所蕴含的总能量可由一个简单公式推算得出：其静止能量除以洛伦兹因子。因此，物体运动速度越快，其蕴含的总能量就越高。而且，就像相对论性动量一样，随着粒子的运动速度飙升趋近光速，其相对论性能量将呈指数性激增。

爱因斯坦的相对论能量公式：

总能量等于静止能量除以洛伦兹因子（F ）

　　　E =E 0 /sqrt （1-v 2 ）

　　　E =m /sqrt （1-v 2 ）

E 0 为静止能量，m 为质量，v 为速度与光速之比

（有关相对论性能量的详细信息请参见附录C。）

假设你现在已化身为一名粒子加速器的操作员，你将能量源源不断地灌输到亚原子粒子里，试图令其不断加速。然而，在某个时刻你猛然发觉，若要令粒子速度翻倍，需要灌注的能量必须增至原来的4倍；之后，若要令粒子运动速度再次翻倍，需要灌注的能量必须增至原来的8倍；那么，假如继续要使粒子翻倍加速，这次又该输入多少能量呢？16倍。以此类推。

随着粒子的相对速度v 不断趋近光速，你所需的能量也相应地不断增加，直至接近无穷大，最后你会发现，你永远无法令带有质量的粒子加速至光速，因为要做到这一点必须有无穷多的能量予以支持（见表7.2）。

表7.2　随着粒子速度趋近c ，其能量也相应地接近无穷大

粒子速度 | 能量（与静止能量的倍数关系）
0.999c | 22.4倍
0.999999c | 707倍
0.999999999c | 22361倍
c | ∞

为了对这一点具有定量感知，我们可假定某带质量的粒子正以0.999c 的速度进行高速运动，根据爱因斯坦的相对论能量公式，此速度下的粒子所含有的能量是其静止能量的22.4倍，当粒子的运动速度越发趋近光速时，其蕴含的总能量值将急剧飙升，若粒子速度真的能够达到光速，它含有的能量将增至无穷。

这也是为什么狭义相对论始终坚定地认为任何带质量的实体其运动速度永远不可能超越光速的另一个原因所在。

每一步运动，每一次呼吸

人们常踏入一个误区，以为E =mc 2 只适用于与核相关的反应过程，如核能的开发等，实际上，爱因斯坦推导的这道公式中所揭示的关系与宇宙万物皆息息相关，因为它可适用于一切形式的能量。

根据E =mc 2 的描述，任何涉及能量释放的过程都会引起相应的质量损耗。比如我们使用极其精确的称重仪为一根还未点燃的蜡烛称重，之后将它点燃，蜡烛一边燃烧，我们一边收集燃烧过程中释放的烟雾、气体等，最后再为剩余蜡烛和收集到的烟雾等称重。如若能够确保整个操作过程的缜密性与测量的精确性，我们将发现，燃烧剩余的蜡烛与燃烧过程中收集到的烟雾的总重量会少于燃烧前的蜡烛重量（不过减少的重量极其微小）。

减少的那部分物质凭空消失了吗？事实上，它们以光和热的形式转化成了非物质能量（蜡烛在燃烧过程中会散发光和热）。若将实际数字代入运算，我们会发现，蜡烛释放的总能量值正好等于减少的总质量与光速的平方的乘积，也就是E =mc 2 。

接下来我们再来看几个可以体现E =mc 2 的巨大威力的例子。只须燃烧1/15盎司（约1.9克）氢气，就能获得可令功率为100瓦的灯泡工作长达40分钟的能量，而燃烧过程本身的效率其实是十分低下的，仅有极小一部分质量转化成了能量。

倘若我们可利用某种先进技术，将氢气的质量全部转化为能量，那么，根据E =mc 2 ，1/15盎司氢气最后可生成多少非物质能量？产生的能量可令功率同样为100瓦的灯泡连续工作5.6万年。

全新的守恒定律

这个质量与能量的转化关系究竟是如何影响质量守恒定律与能量守恒定律的？在狭义相对论问世以前，人们笃信，质量是永远恒定的，因此，物理学科一直将质量守恒定律视为一条颠扑不破的根本法则。换句话说，质量既不可能凭空创造，也不可能无故消失。

比如烧煤时，煤炭将混合空气中的氧气生成二氧化碳，过去人们认为，未燃烧的煤炭重量应完全等于燃烧过程产生的烟雾和剩余的煤粉等残渣的总重量，换言之，燃烧前后的重量（与静止质量）应无一丝一毫差异，质量是守恒的。

与质量守恒定律相对应的，还有一个称为“能量守恒定律”的基本法则。煤炭的燃烧过程将化学能量转化为电磁辐射（热与光），之前的物理学界深信，燃烧前煤炭储存的化学能量应等于燃烧过程中释放的热能与光能之和，也就是说，燃烧前后的总能量值应是完全相同的。

这是正确的吗？不完全正确。比如在炭的氧化过程中，约有一亿分之一的质量遵照E =mc 2 公式转化为辐射能，所以，燃烧后的物质重量应极微少于燃烧前的物质重量，而燃烧过程释放的辐射能量也会极微多于燃烧前煤炭储存的化学能量。

爱因斯坦的理论再一次迫使物理学界提笔修正那些在过去曾被奉为真理的物理基本定律。根据狭义相对论，无论是质量，抑或是（非物质）能量，均无法守恒，能够达到守恒的应是质量-能量之间的转化过程。一道全新的守恒定律就此诞生——质能守恒定律。

致读者：我已疲于在“能量”之前加上“非物质”这一修饰语，所以，此后我将直接采用“能量”一词替代“非物质能量”这一表述。

物质与能量的相互转化

1928年，才华横溢但不善于社交的物理学家保罗·狄拉克发挥其惊人的数学才能将量子力学与狭义相对论统合为一体，这桩革命性的伟大“联姻”被后来人称为“相对论性量子力学”。

然而，这项壮举却衍生出了一个异常古怪的预测。狄拉克提出，每一种基本粒子都有一个同它几乎一模一样的翻版镜像——两者质量相等，但所携带电荷符号相反。这类新粒子被称为“反粒子”。

比如一个电子携带一个负电荷，相应的反粒子——正电子与其质量相等，携带一个正电荷。类似的，携带一个正电荷的质子也存在与其相对的反粒子——携带一个负电荷的反质子。负载电荷量为0的光子便是其自身的反粒子。

狄拉克是个沉默寡言的人，他不想成为众人关注的焦点，总是故意回避那些聚光灯汇集的场合，所以，他从未得到与其成就相匹配的公众关注，也因此，在学术圈之外，鲜少有人听闻他的名字，但这一切皆无损他在现代物理学界享有的崇高地位。

1928年，在与量子力学的奠基人之一尼尔斯·玻尔一同工作期间，狄拉克发现了狭义相对论与量子力学之间的关键联结点，即他后来提出的著名的“自旋-1/2狄拉克方程”。以该方程为理论基础，狄拉克首创性地将量子力学与狭义相对论合并为一个简练的数学架构，而且他指出，要促成这两个伟大理论的联姻，须有反粒子在其中牵线搭桥。

狄拉克还勾画了一个物理过程，该过程变化之剧烈令毛毛虫蜕变为蝴蝶的过程显得微不足道。据前文分析我们已知，如果某物质的质量可依循E =mc 2 公式完全转化为能量，那么，最终产生的能量总值将非常惊人。狄拉克预测，这种高效的质能转化可在亚原子层面得到实现。他的数学推导过程显示，若一个携带电荷的物质粒子与对应的反粒子发生碰撞，两者将互相湮灭——湮灭的过程中，它们的质量将转化为能量粒子。

反之亦然。只要给予足够的能量，两个能量粒子（如光子）在碰撞之后可生成物质粒子。

这个预言真的会在现实世界上演吗？物质粒子会突变为能量粒子吗？而能量粒子也可自发转变为物质量子吗？是的，是的，是的。

图7.5所示便是一个典型例子。电子与其相应的反粒子——正电子均为物质粒子，两者碰撞之后发生湮灭，产生新的光子，换句话说，“以质量为存在形式的能量转化为了以光子为存在形式的（非物质）能量”。

图7.5　物质与反物质反应典例
只要给予充足的初始能量，电子和正电子可湮灭生成光子（非物质能量），之后，光子又将物质化为μ介子和反μ子。

反过来，光子又自发性地将物质化为μ介子和反μ子（后者为前者的反粒子，两者皆为物质粒子）。整个过程从头至尾均受E =mc 2 支配。

全世界的粒子加速器都能实现这类物理过程。不过，这个转变过程可在人造设备之外自然且自发发生吗？可以，不过须在能量极高的环境中方能发生，如太阳或其他恒星内部发生的核反应过程、超新星爆炸或黑洞附近区域。此类反应在地球也时有发生，宇宙射线与地球上层大气中粒子的相互碰撞就是一个典型例子。

大约138亿年前，类似质量—能量、能量—质量之间的相互转换其实是十分常见的现象，因为那时的宇宙正处于大爆炸后的超高能量环境之中。那么，为什么我们在日常生活中极少观察到能量自发转化为物质或物质自发转化为能量的现象呢？比如为什么闪光灯散发的光芒无法在我们眼前瞬间变成可触及的实物？因为这种转化所需要的能量实在太高了。

你可以计算一下你用来阅读当前这页书所需的可见光所含有的能量总值，你会发现，与能量粒子自发转化为物质粒子所需的能量相比，这些可见光的能量确实过于渺小。前文我们曾提及，电磁辐射（即光波）所含有的能量与其频率成正比，因此，你需要频率远高于可见光的光子。

紫外线光子的频率为可见光光子的50倍，其蕴含的能量也为可见光光子的50倍，但即便如此也远远不够，只有频率高于可见光光子几十万倍的X射线光子方能满足质能自发转化的需要。

X射线和γ 射线的光子均含有足够的能量支撑其完成自发转化为电子的反应过程，但是，为什么需要如此多的能量呢？根源就在E =mc 2 这道公式上，因为光子的初始能量至少必须等于要生成的物质粒子的质量与光速的平方的乘积（这被称为质量阈值）。

物理学家奈尔·德葛拉司·泰森主张：“若有能量足够大的X射线穿过你的房间，它们将自发性地生成电子。”所含能量更高的光子可生成质量更大的物质粒子，只要该光子所含能量“高于目标物质粒子的质量阈值”。保罗·狄拉克所揭示的质量与能量之间的相互转化现象标志着人类对现实世界的认知又往前迈了一步，而操控这一现象的正是E =mc 2 。

夸克的重量

……物质质量的90％～95％来自能量。我们用无质量的胶子（gluon）和几近无质量的夸克将其一一构筑，用能量创造质量。这便是更深层次视野下的所见。

——弗朗克·韦尔切克

大卫正往自己脸上泼水醒神。“太讨厌早晨了！”他喃喃道。说着，他踏上放置在洗手间的体重秤——一种新近流行的可自动读数的数码产品。“那种旧式的带表秤不好吗？为什么要淘汰它们呢？”他一边自言自语，一边不情不愿地低头查看自己的体重读数。

大卫没有意识到的是，他眼之所见的背后正是E =mc 2 在起作用，因为他的体重的主要来源并非构成其身体的物质，而是蕴藏在他体内的（非物质）能量。什么？你的意思是说，造成体重秤读数变化的是人体内含有的能量？没错，大体是这样。请千万记住，E =mc 2 已经明示我们，质量和能量是等价的，这意味着，能量（如光）如同物质一样，也具有重量。

从最基础的层面看，人体的构造是由原子和分子组成的，而原子和分子又是由称为夸克和电子的更微小粒子组成的（见图7.6）。若把你身体涵括的所有粒子的质量进行叠加，应当可以得到你身体的总质量——因此可得出你的体重。但是，当你真的付诸行动完成计算，你会发现，所有微粒的总质量远小于你的实际体重。那么，减少的那部分质量究竟到哪里去了？

图7.6　一般物质构造总结
出自粒子物理学的标准模型。

为找到答案，我们首先需要了解一下典型原子的构成。原子的质量大部分集中于原子核内，原子核是由质子和中子组成的（电子占原子总质量的比例十分微小），而质子和中子反过来又是由不同种类的夸克构成的。

许多实验业已成功测量出质子和中子的质量，并且单独测量了组成质子和中子的夸克的质量。质子和中子均由三个夸克组成，然而，多次实验结果显示，测量得出的三个夸克的总质量只占质子质量的一小部分，对中子的测量结果也如出一辙。

这是怎么一回事呢？质子和中子内部的夸克始终处于匀速运动状态，夸克的运动是动能的一种承载形式，而且，原子内部存在电磁力场与核子力场，这两个力的主要作用是将构成原子的所有成分维系并束缚在原子内。阿特·霍布森就曾明确指出：“夸克与夸克之间存在一种超强作用力，这种力场必然蕴含着极其庞大的能量。”

源自夸克运动、电磁力场和核子力场的这些能量均具备重量，经反复严密计算，结果显示，测量所得的质子和中子质量中至少有90％来自夸克的运动以及原子内部的力场能量。

因此，我们人体质量的主要来源并非身体内部物质粒子的静止质量，而是原子内部的夸克运动和强力场。这几类能量累加在一起基本上就是人体的总重量了——即我们在体重秤上看到的那个数值。

E =mc 2 的证据

直至1932年，爱因斯坦那篇震惊世界的著名论文问世27年之后，物质转化为能量这一反应过程才得以从实证研究层面获得明确验证。这些极具历史意义的检验是由英国物理学家约翰·道格拉斯·科克罗夫特和爱尔兰科学家欧内斯特·T．S．沃尔顿在剑桥大学实验室里借助世界上第一台核粒子加速器共同完成的。

一年之后，法国科学家伊蕾娜·约里奥-居里（皮埃尔·居里和玛丽·居里的女儿）与她的丈夫弗雷德里克·约里奥-居里发现了与之相对的效应——从能量到物质的转化过程，并创造性地留下了图像证据。

在这张举世瞩目的照片中（见图7.7），携带能量的光子（肉眼不可见）正自下向上运动，之后，光子自发转变为物质（见图像正中间），生成两个物质粒子。这些带电荷的新生成粒子在磁体的影响下沿曲线轨迹相互远离（见箭头）。

图7.7　E =mc 2 的实验证据
一对物质粒子在穿过云室的潮湿空气时所留下的雾滴径迹。

时至今日，记录在册的可证明E =mc 2 的实验证据已数不胜数。其中，2005年由美国国家标准技术研究所和麻省理工学院合作完成的一项实验值得我们特别关注。研究者测量并对比了硅原子和硫原子释放的能量值以及释能前后的原子质量，此次实验的精确度高达百万分之一，而最后的计算结果也再次证明了E =mc 2 的准确性。

早晨的星光

阿尔伯特·爱因斯坦偶尔会与“奥林匹亚科学院”的伙伴莫里斯·索罗文和康拉德·哈比西特一同去伯尔尼的郊区登山看日出。“太阳自水平线缓缓升起，初晨的阳光渐次铺开，整个阿尔卑斯山脉沐浴在玫瑰色的柔光里，散发着一丝神秘的气息。自然之美实在令人惊叹。”索罗文在过后如此记录道。在瑞士，有许多人和他们一样喜欢早起享受清晨的美景，在这之中，有一位即将向世界揭开太阳（与其他恒星）的闪耀光芒背后所蕴藏的深奥原理。

20世纪初期，科学家对于太阳为何能够日复一日地释放大量能量而不枯竭这一问题知之甚少。太阳是太阳系的中心天体，这颗恒星每秒释放的能量之高令人震惊——足足有38600亿亿兆瓦。

科学家预测，太阳大约可存活45.7亿年。太阳究竟是如何保持在如此漫长的时间里每秒都能释放如此高的能量的？若“以普通的化学反应方式将氢燃料与氧气混合进行燃烧”，太阳内部的氢元素只能维持大概1000年。

1904年，“核物理之父”、新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福针对太阳辐射问题提出了一个看似合理的理论解释。他认为，放射性衰变是太阳庞大能量的来源。到了20世纪20年代，科学界开始猜测，爱因斯坦的E =mc 2 公式与这个论题有一定的关系。英国物理学家亚瑟·爱丁顿提出，由于太阳核心附近的温度异常之高，因此氢原子和氦原子会失去电子。威尔士天文学家、发明家罗伯特·阿特金森于1931年第一个提出，太阳内部可能存在与氢、氦有关的核反应。

如今我们业已清楚知晓，太阳的质量约为2×1030 千克，大致是地球的333 000倍。太阳的巨大质量使其具备了强大的引力，在这股引力的高强压缩下，太阳核心处的物质密度比铅还要高10倍有余。这种高度压缩催生了太阳核心内部极端高温且密度极大的整体环境，并直接导致了核聚变反应的发生。

核聚变反应在太阳核心处将仅占太阳总质量极小比例的物质转化为能量，此转化过程遵照公式E =mc 2 有序进行。太阳每秒释放的能量粗略等同于400万吨质量，而地球每天拦截的太阳光所含有的能量若折算为质量，大略仅有160吨。

太阳核心区域的温度高达2 700万华氏度，在如此恶劣的环境中，氢原子的电子被彻底剥离，只留下质子裸露无庇。在太阳核心处的强大引力的助力下，各质子克服存在于彼此之间的静电斥力，融合在一起，生成新的氦原子核。

核聚变须经过一系列称为“质子-质子链”的反应方能最终发生。在这个包含多个反应步骤的过程中，四个氢原子核（四个质子）融合在一起生成了氦原子核（包含两个质子和两个中子）。

新生成的氦原子核的质量略低于反应前四个氢原子核的总质量。减少的质量跑到哪里去了呢？减少的质量按照E =mc 2 转化成能量了，生成的能量主要以高能γ 射线光子的形式存在，每个氦核可产生六个高能光子（和两个近乎无质量的中微子）。

大卫·博达尼斯为此过程提出了一个简便的量化方法。我们暂且将每个氢核的质量赋值为1，那么，四个氢核的总质量便为4。若以同样的比例进行计算，生成的氦核质量仅为3.971，将氦核质量除以4，仅得0.993，即99.3％。缺失的0.7％到哪里去了呢？按照E =mc 2 转化成γ 射线光子了。

最开始时，这些高能光子被环绕在太阳核心周围的仅有几毫米的太阳等离子体所吸收，之后，再次被随机发射至各个方向，此时的光子能量已有少许损耗。这个吸收再发射的过程在太阳内部持续发生，直至携带较低能量的光子最终到达太阳表面，最后，光子以太阳辐射的形式发射散布至太空。

源自太阳核心的光子在向外发射的过程中，须经历几近1020 次散射方能最终抵达太阳表面，这是一个极其漫长的过程，从1.7万年到100万年不等。远至我们的直立人祖先学会使用火种的100万年前，近至冰河时代末期（公元前1.5万年），我们今日眼见的明媚阳光，早在那期间的某个时间点就已在太阳核心生成。

太阳还将继续闪耀多久？至少现在，我们还不需要启程寻找下一个可供人类栖居的太阳系。科学家预计，太阳剩余的氢元素还可供其内部的核聚变反应持续进行50亿年。

空间与时间的衔接

此刻的我已然筋疲力尽，你呢？感觉如何？不过，无论如何我都还要再告诉你一件关于狭义相对论的事情，因为它实在太重要了。

1905年9月，阿尔伯特·爱因斯坦发现了质量与能量的等价性。两年之后，他曾就读的苏黎世的瑞士联邦理工学院的数学老师经大量研究揭示了空间与时间的紧密关联，在此之后，物理学界有了时空这一概念——宇宙间的一切事件都不是单独发生在某个空间或某个时间节点的，而是发生在某个时空里。

这一论题将为本书有关狭义相对论的论述画上一个圆满的句号。

注解：

[1] 　该数值为下文计算数值，计算较为粗疏，原书如此，非精准计算数值。后文同，不再注明。——编注

第8章
时空

“这场邂逅势必引发一个时间悖论……

而时空连续体或将支离破碎！”

——科幻电影《回到未来》中的埃米特·布朗博士

时间悖论？时空连续体面临解体？布朗博士在电影《回到未来》中的骇人警告是否具有现实意义？嗯，也不尽然，毕竟那只是电影的艺术创作。不过，我们还是能从这些耸人听闻的言语迷障中捕捉到一丝现实的痕迹。根据狭义相对论，时空连续体的确是真实存在的，我们可以把它想象成一种类似织物的构造（特别是在广义相对论中）。此外，电影里出现的穿越至未来的时间旅行也是真实存在的，在后文你将看到，事实上我们一直都在经历这件事情。“时间之旅”这一充满奇思妙想的设想以及与之相伴的许多古怪预言，均起源于“时空”这一概念。

在上一章中，我们了解了物质与能量之间的根本联系，在这一章，我们将探讨为何空间和时间是一个统一的实体——时空。与能量和质量不同，将空间和时间合为一体并非爱因斯坦的功劳，事实上，爱因斯坦在一开始并不接受这种说法。不过，时空这一概念自1907年首次提出之后，很快就成了现代物理的核心原则之一。时空如一张巨大的幕布铺张在无垠的宇宙间，它是一切物理现象的发生背景，是“宇宙的基本结构”。

在本章中，我们将跟随爱因斯坦的数学老师赫尔曼·闵可夫斯基的脚步，从一个前所未有的全新视角去领略现实世界，探索其中的奥秘。

漫长的等待

1905年6月，阿尔伯特·爱因斯坦陆续发表了几篇具有奠基性意义的论文，分别探讨了光的粒子性、原子的大小以及时间和空间的相对性问题，在那之后，爱因斯坦并没有从专利局辞职，而是继续干他那份三级专利审查员的工作，并满心期待着早日听到其他同行的反馈或响应。

或许是因为爱因斯坦的颠覆性理论在当时还未有实验证据作为支撑，也或许是因为其论文的撰写方式不太符合当时的论文书写范式，又或许是因为他在当时的物理学界只是一个无名小卒，总之，那些习惯了通读《物理学年鉴》的物理学家大多都只匆匆浏览了爱因斯坦的论文，甚至直接略过。爱因斯坦十分失望，因为在《物理学年鉴》随后发行的数期刊物中，无一提及他的论文。在伯尔尼专利局二楼逼仄的办公室里，这位26岁的天才每天满怀期待地打开专属自己的小邮箱，却每每落空，可以想象当时的他该有多么沮丧。

1906年初，爱因斯坦接到苏黎世大学的通知，他终于获得了博士学位；同年4月，爱因斯坦晋升专利局二级技术员。一切似乎都在往积极的方向发展。

1907年，爱因斯坦向伯尔尼大学申请讲师职位，并提交了他撰写的有关狭义相对论的系列论文，然而，伯尔尼大学并没有通过他的申请，将他拒之门外了。随后，他又尝试申请一份高中老师的工作，23名申请者中有3名进入面试，他依然未在其列。

传记作者罗兰·C．克拉克写道：“相对性的概念不似陡然倾泻、压垮堤坝的泥石流，而是好像一点一滴缓缓渗入坚硬石灰岩的雨水，在之后的几年才渐渐深入人心。”渐渐地，开始有一些科学家谈及并讨论爱因斯坦的论著，还有人写信给爱因斯坦，邀请他见面探讨学术问题。

1907年8月，一位非同寻常的人物叩响了爱因斯坦的家门。物理学家马克斯·冯·劳厄受德国最杰出的物理学家马克斯·普朗克（爱因斯坦用于解释光电效应的那道数学公式正是这位普朗克先生最先提出的）之托来到伯尔尼拜访爱因斯坦。

此后，普朗克回忆道，爱因斯坦那篇狭义相对论的论文“即刻勾起我极大的兴趣”。爱因斯坦的论文出版后不久，普朗克便在柏林大学就此课题做了一次专题演讲，并在1906年春天撰写了一篇探讨狭义相对论的文章。但讽刺的是，普朗克并不赞同爱因斯坦的光量子学说。

当时的爱因斯坦十分感慨，觉得自己终于得到了认可，或许这次自己真的要走好运了。然而，终究是事与愿违，直到两年之后，爱因斯坦才离开专利局，成为一名大学教授，得以全身心地投入他最钟爱的物理研究工作。

时空之父

从今往后，再没有独立的空间或独立的时间存在，留存在这宇宙间的唯有两者的混合体。

——赫尔曼·闵可夫斯基

赫尔曼·闵可夫斯基与阿尔伯特·爱因斯坦虽为师生，但他们之间的感情并不深厚。在苏黎世工业大学求学期间，按照学校要求，爱因斯坦必须修读闵可夫斯基的九门数学课程。不过，当时一心专注于物理研究的爱因斯坦尚未能理解这些数学课程的价值与意义。而且，当时正是叛逆青年的爱因斯坦还无法真正领会这位老师的卓越数学天赋以及正确评估他所取得的成就。所以，他自然也无法预知，在未来，他的这位数学老师的研究成果将成为自己构建的伟大理论——广义相对论的基础骨架。

赫尔曼·闵可夫斯基（图8.1）1864年出生于立陶宛，是个有着犹太血统的德国人。闵可夫斯基的一生十分短暂，但其数学成就又极其辉煌。他在18岁时就与英国著名数学家亨利·史密斯共同获得了法国科学院数学科学的最高大奖，之后，其研究成果又为“现代泛函分析的蓬勃发展奠定了根基”。闵可夫斯基最为人称颂的是他为相对论所做出的学术贡献，他对狭义相对论进行了拓展性研究，运用数学手段将原本互相独立的时间和空间融为一体，而正是这项学术成果奠定了他在物理史上的不朽地位。

图8.1　时空之父——数学家赫尔曼·闵可夫斯基

闵可夫斯基在初次读爱因斯坦发表于1905年的几篇论文时就深感震撼。他向物理学家马克斯·玻恩如此描述道：“那几篇论文真的让我很震惊，因为在我的印象中，爱因斯坦在读大学期间就是个散漫的懒家伙，从来不做任何跟数学有关的研究。”之后，闵可夫斯基开始着手采用数学工具对狭义相对论进行系统表述。

1908年9月21日，第八十届国际自然科学家与医生大会在德国科隆隆重举行。会上，闵可夫斯基向来自各国的科学家发表了自己的阶段性研究成果，并将演讲题目定为《空间与时间》。在这场著名的演讲报告中，闵可夫斯基正式提出将空间和时间统一成一个名为“时空”的四维实体。

闵可夫斯基宣称，爱因斯坦的狭义相对论可具象化为一个四维的“时空”连续体。那么，所谓的四维时空具体指的是哪四个维度呢？三个空间维度（上下、左右和前后）和一个时间维度。闵可夫斯基还提出了一个极具革命性的观点，即时间和空间并不是独立存在的，它们在数学层面是互有联系的。

闵可夫斯基一直认为，他所提出的这个“时空”概念是对爱因斯坦狭义相对论的另一种表述，而不仅仅是数学层面的补充。不过，爱因斯坦对这种说法并不十分认同。闵可夫斯基的论文中含有一个简单的物理预言，但爱因斯坦很快指出：“该预言无法对任何已知的物理现象作出有效解释。” [1]

闵可夫斯基反过来也发表了自己对爱因斯坦的看法：“这位年轻物理学家的数学基础并不十分扎实，对于这一点，我想我还是挺有资格作出评价的，毕竟，我就是他在苏黎世工业大学读书时的数学老师。”爱因斯坦与闵可夫斯基之间不甚愉快的交锋一直持续到1909年才画上句号，这一年，闵可夫斯基因急性阑尾炎不幸早逝，享年44岁。

你是在何时何地出生的

“时空”这一术语的具体含义究竟是什么？为了更好地将这一抽象概念具象化，我们先来观察一下这个长度与宽度坐标图〔见图8.2（a）〕。在此图中，两条坐标轴之间的区域就代表了空间。

图8.2　描绘时空
（a）描述长度与宽度的坐标图，两条坐标轴之间的区域代表空间。
（b）描述空间与时间的坐标图，两条坐标轴之间的区域代表时空。

现在让我们一起着手勾画一个时空示意图〔见图8.2（b）〕。什么是时空示意图呢？很简单，就是一个由两条坐标轴组成的坐标图，其中竖轴为时间，横轴为空间。（为求简便，三个空间维度我们只标绘其中一个。）那么，时间轴与空间轴之间的区域又代表什么呢？代表的正是时空。

此刻的我们正处于时空之中吗？是的，毫无疑问。然而，我们的惯有思维并不利于我们理解空间与时间的统一性。我们必须转变思维方式，不要单纯地仅从空间的视角解析位置或仅从时间的视角解析事件的发生，而应把事件视为一个在空间和时间——时空上均具有确定位置的存在。

严格来讲，事件是由它的时间和空间所指定的时空中的一点，换句话说，事件就是时空中的一个单点。此外，我们也需要对用于描述事件的语言作出一些相应的修正。比如原先，当你被问及“你是在何地出生的”，你势必会以空间中的某处作答，如加利福尼亚的圣迭哥；当被问及“你是何时出生的”，你会以某个时间节点作答，如1985年6月15日。

英语中用于描述位置点的词语没有一个是同时涉及空间和时间的。既然如此，那我们就自己造一个吧。遵照闵可夫斯基的理论，我们应这样发问：“你是在何时何地出生的？”你的出生既关乎空间里的某个地点，也关乎时间轴上的某个节点，因此，你的出生就是时空中的一个事件。

假设在你前方2英尺（约0.6米）处有一闪光灯，早上10点整，该闪光灯开始工作。为了对这一事件有更直观的感觉，让我们来为其描绘一个时空示意图。如图8.3所示，横轴表示空间（为简便起见，只表现一个空间维度），竖轴表示时间；空间代表事件发生的处所，时间代表事件发生的节点；圆点（事件）代表事件在时空中所处的位置，即10点整2英尺外。

图8.3　时空中的事件。
闪光灯事件的时空坐标为2英尺和上午10点。

无垠宇宙间发生的一切，不管多么平凡，也无论多么伟大，都只是时空中的一个事件。早晨8点离开家门，傍晚6点回到家中，医院5室里婴儿出生，太阳表面光子溢出，流星撞击木星，某颗超新星爆炸，等等，这些皆为时空中的事件，每个事件都发生于空间中的某个确切地点以及时间轴上的某个确切节点，也即时空中的某一确定点。

因此，闵可夫斯基提出：我们应从事件的角度思考问题，而非单纯的地点角度；我们应从四维视角出发，而非三维视角；应把空间和时间统一为一个有机整体——时空。

宇宙的度规

空间在不同观察者眼中是不同的，时间亦是如此，时空则不然，它在所有人眼中都是一致的。

——E．F．泰勒和J．A．惠勒

艾萨克·牛顿构筑的宇宙简单而有序，在这个宇宙中，空间中某两点之间的距离在所有观察者看来都是相同无差异的。同样，某两个事件之间的时间间隔在所有观察者眼中也是一样的。

在牛顿的物理世界里，我们大可放心地使用诸如卷尺、直尺一类的测量工具来测定距离（见图8.4），因为无论我们如何移动，对于某两点之间的距离，它们总能给出不变的读数。时钟与手表亦同理。根据牛顿的理论，不管各时钟的相对运动如何相异，它们的行走速率总是一致的。

图8.4　牛顿的度规
在牛顿物理学说中：（a）卷尺和直尺可用于测量空间，因为空间中的距离对于一切观察者而言都是相同的；（b）时钟可用于测量时间，因为时间的流动速度对于一切观察者而言都是相同的。

在牛顿的宇宙中，无论你在哪里进行测量，无论你的相对运动状态如何，空间和时间的计量单位总是永恒不变的，一英尺的物体永远是一英尺长，一英里的距离永远是一英里远，一秒的时长也就永远是一秒长。在这个宇宙里，空间的距离和时间的间隔是绝对的；换言之，它们具有可信赖的度规。

什么是度规？简单来讲，物理学中的“度规”是指某个永恒不变的量，可用作测量标准值。

对于牛顿的度规，爱因斯坦又会给出怎样的回答呢？任何空间量（距离）和时间量都不能用作通用度规，因为它们会受相对运动的影响而随时变化。距离与相对运动密切相关（长度收缩），时间也可能因相对运动而减缓流动的速度（时间膨胀）。

根据爱因斯坦提出的相对性原理，所谓的“静止”参考坐标系是不存在的，宇宙万物无一不做相对运动。据狭义相对论的观点，处于不同参考系的各观察者彼此之间处于相对运动状态，因此，对于空间的距离以及时间的流逝，他们测量所得的数值是不相同的。

另外，闵可夫斯基还提出了时间与空间的“交融”主张。假设你现在正处于静止状态，在所处空间不发生任何位移，但是，时间并未停下流逝的脚步，你依旧在变老，你依然在经历着时间层面的运动。

只要你在空间中运动，就会引发时间膨胀现象。（在静止的观察者看来）时间的流逝，也即你的时间，会放缓速率。从静止观察者的视角看，你在空间中的运动速度越快，你在时间上的运动就越慢，可见，这两种运动——空间中的和时间上的，并不是独立无关联的，它们会相互影响。

因此，时间和空间是相对的，而且是互有联系的，两者皆不能成为我们可依赖的标准度规。

时空间隔

我们就无法找到可用于量度空间和时间且对一切观察者皆无异的通用度规了吗？不尽然。这里就轮到赫尔曼·闵可夫斯基的研究成果发挥作用了。

假设你还留在教室里上我的物理课，此时，我们都坐在座位上，处于相对静止状态。根据相对论，由于我们之间不存在相对运动，所以我们处于同一个参考坐标系中。我们暂且把该参考系称为教室参考系。

现在，我请坐在教室右边的一位同学拍一下手，旋即又请坐在教室左边的一位同学拍一下手，这两次拍手构成了时空中的两个事件，而且，这两个事件发生的空间地点和时间节点均不相同。

同在教室参考系中的我们可用卷尺或直尺来测量两位拍手者在空间上的距离，我们将此距离称为两次拍手事件的空间间隔。同样，我们也可用秒表测量第一次拍手与第二次拍手之间流逝的时间长度，并将其称为两次拍手事件之间的时间间隔。

假定测量过程中所使用的设备以及测量的精度始终保持一致，那么我们将发现，所有静坐在教室里的人测量所得的两次拍手之间的空间间隔与时间间隔都是相同的。测量结果之所以一致，是因为我们彼此之间均处于相对静止状态，即处于同一个参考坐标系中。

假设此时英勇无畏的克拉什正驾驶宇宙飞船匀速掠过教室，飞船相对教室的运动速度恰为光速的一半。根据狭义相对论，对于两次拍手事件之间的时间间隔和空间间隔，克拉什的测量结果应与我们有所差别。因为他身处的是宇宙飞船参考系，同我们身处的教室参考系之间存在相对运动。

现在，将我们在教室中测量所得的两次拍手事件之间的空间间隔和时间间隔分别乘二次方，即将空间间隔的具体数值乘以其自身，再将时间间隔的数值乘以其自身。然后，将两个乘积相减，并把相减所得结果的平方根 [2] 称为时空间隔。好的，现在请把我们计算得出的时空间隔的数值记录在笔记本上。

宇宙飞船中的克拉什也在进行着相同的计算。他把他测量得到的两次拍手事件之间的空间间隔数值乘二次方，又将时间间隔数值乘二次方，然后将两个乘积相减，并计算相减所得结果的平方根，最后也在笔记本上记下求得的时空间隔数值。

接着，我们与克拉什会面，对比各自记录的各项数值。正如我们所预料的那样，坐在正处于高速运动状态的飞船中的克拉什所测量到的空间间隔数据与我们记录的数值并不相同，时间间隔也不相同。为什么会出现这样的差异呢？因为克拉什与我们处于相对运动状态。

但是，当我们查看克拉什计算出的所谓时空间隔——时间间隔的平方与空间间隔的平方之差的平方根的数值时，我们发现，他的演算结果与我们的竟是一致的！

教室中的我们和飞船中的克拉什测量所得的两次拍手事件之间的时间间隔和空间间隔均不相同，但是，我们用这些数据推算得到的时空间隔却是一致。

这便是闵可夫斯基的深刻洞察力——取时间间隔的平方值与空间间隔的平方值之差的平方根，就可得到一个不会随相对运动的变化而变化的间隔：时空间隔。

时空间隔的公式为（以光速作为一个单位，即光速为1）：

时空间隔的平方等于时间间隔的平方与空间间隔的平方之差，若以常用单位表示，公式应表述为：.

（时空间隔）2 =（时间间隔）2 -（空间间隔）2

ΔS 2 =Δt 2 -Δx 2

此处：∆t 是两次事件之间的时间间隔；Δx 是两次事件之间的空间间隔。

〔事实上，时空间隔共有三种形式，这里的这道公式表示的是类时（timelike）时空间隔。三种不同类型的时空间隔的详细介绍请见附录B。〕

你还记得高中数学课上的勾股定理吗？不记得了？那就让我来唤醒你的记忆吧。有一个角为90°的三角形为直角三角形，90°角所对的那条边为斜边，据古希腊数学家毕达哥拉斯演算，直角三角形的斜边的平方等于另外两条边的平方之和。

闵可夫斯基的时空间隔公式与勾股定理有几分类似，只不过时空间隔公式是取平方之差，而勾股定理是取平方之和。事实上，有时我们会将闵可夫斯基的时空间隔公式称为修改版勾股定理。

致读者：通过选择适当的计量单位，我们可以用空间间隔的平方减去时间间隔的平方，比如以光年为距离单位，同时以年为时间单位。如前所述，这样可令光速c 等于1，并将其从公式中消除。

闵可夫斯基是如何想出时空间隔公式的呢？从洛伦兹变换推导而来的，而洛伦兹变换又是爱因斯坦从光速不变原理推导而来的。可见，是光速的绝对性决定了时空间隔的绝对性——两者均不受匀速运动影响。

现在，让我们试着理解一下时空间隔的内涵。图8.5所示是一个时空示意图，横轴（x ）代表空间，竖轴（t ）代表时间，两轴之间的区域代表时空。

图8.5　时空间隔，∆S
两个拍手事件分别发生在不同的时间点以及不同的地点，两个事件之间的空间间隔（距离）为∆x ，时间间隔为∆t 。根据闵可夫斯基的时空间隔公式∆S 2 =∆t 2 -∆x 2 可推算出两个事件之间的时空间隔∆S 。

你是否觉得图8.5有些许古怪？观察一下A 与B 之间的那道实对角线（即直角三角形的斜边），它代表的是从事件A 到事件B 的时空间隔，它看起来比两条虚线长，但实际上，它代表的是两条虚线的平方之差的平方根（两条虚线分别代表时间间隔和空间间隔）。

既然实线等于两条虚线的平方之差的平方根，它又怎么可能比两条虚线都长呢？不可能。实际上，时空间隔应短于空间间隔和时间间隔。然而，当我们在平面纸张上绘制时空示意图时，总会出现某种“失真”效果，即斜线看起来会长于其真实长度。烦请记住这一点，因为它是具象化时空示意图的关键点。

时空间隔与空间中的距离类同，我们可以把时空间隔想象为测量时空中两个事件之间的“距离”。

正如上文所指出的，时空间隔不具备相对性——它是绝对的。它对处于相对运动状态的一切观察者而言均是相同的，因此，它应当有资格成为宇宙的度规，用于量度时空中任意两个事件之间的间隔。

由于时间间隔和空间间隔相互联系、相互制约，而时空间隔又具备绝对性，因此，我们可得出以下结论，即在我们寄身的宇宙中，时间和空间是紧密相依、难以分割的。并且，之后我们将看到，时间和空间之间的连接点——时空，其本身就具有深远的意义。

爱因斯坦上课没认真听讲

“天哪，这道题好像更难了，得静下心来好好想一想了。”

伊桑是一位梦想成为宇航员的学生，他正在专心致志地攻克《相对论101题》，不过目前他才进行到第二道题就被绊住了脚步。这道题十分抽象，似乎确实有些难度。

相对论101题：

问题2——假设在静止参考系中，某两个事件之间的时间间隔和空间间隔为：

时间间隔：Δt rest =5秒

空间间隔：Δx rest =4光秒（约为1 198 961千米）

（a）运用洛伦兹变换，计算在某相对运动速度为0.25c 的匀速运动参考系中时间间隔和空间间隔的数值；

（b）分别计算静止参考系和匀速运动参考系中时空间隔的数值，并列表对比两者的计算结果。

请写出详细运算过程。

“冷静冷静，”伊桑给自己鼓劲道，“你可以的！就从简单的部分开始解决吧！”

静止参考系

伊桑首先在纸上抄下静止参考系中的时间间隔和空间间隔：5秒和4光秒，之后，再写下闵可夫斯基的时空间隔公式。他将时间间隔和空间间隔的具体数值代入公式，先分别求两者平方值，而后相减，再取平方根，最后计算得出，静止参考系中的时空间隔为3。

“不过，这里的计量单位应该是什么呢？”伊桑喃喃自问着，“嗯，时间间隔的单位是秒，空间间隔的单位是光秒，所以到这里所有单位都抵消掉了，最终的时空间隔计量单位应当是秒。也就是说，答案是3秒。”（完整计算过程请见下文）

匀速运动参考系

“好，简单的部分搞定了，现在得来解决困难的部分了。匀速运动参考系中的空间间隔和时间间隔是多少？是用时间膨胀公式来计算吗？还是长度收缩公式？我真的混乱了……

“我还是再仔细审一遍题吧。哦，题干已经说了，使用洛伦兹变换。那应该是要用完整的洛伦兹变换公式吧？应该是这样的吧！那就开始吧……”

伊桑在草稿纸上写下早已印刻在心的洛伦兹变换公式（不过他并不了解这道公式的物理含义），并将静止参考系中的空间间隔数值和时间间隔数值代入公式。

“哦，我算出的运动参考系中的时间间隔竟同时取决于静止参考系中的时间间隔和空间间隔。嗯，教授在课堂上好像提到过这一点，这是时间和空间之间的联系。题目所给的该参考系的相对运动速度是0.25c ，代入之后会算出什么结果呢？”

伊桑解出，匀速运动参考系中的时间间隔是4.13秒。

“好的，接下来就该解决空间间隔了。嗯，毫不例外，它也同样取决于静止参考系中的时间间隔和空间间隔。”

伊桑运算得出，匀速运动参考系中的空间间隔为2.84光秒。

“我还是得复核一遍运算过程，免得犯不必要的计算错误。”

“行了，我想最难的部分已经搞定了。接下来就得开始计算匀速运动参考系中的时空间隔了。让我想一想……取值，算平方值，将两个平方值相减，然后取平方根。嗯，希望我没有算错。”

伊桑终于解出了匀速运动参考系中的时空间隔，答案是3秒。

“哇！真的就像闵可夫斯基说的那样，两个事件之间的时空间隔数值在两个参考系中是一致的，都是3秒。”

（伊桑解题的答案总结见表8.1）

表8.1　时空间隔：∆S 的数值在静止参考系和匀速运动参考系中是一致的

参考坐标系 | 时间间隔（∆t ） | 空间间隔（∆x ） | 时空间隔（∆S ）
静止 | 5秒 | 4光秒 | 3秒
匀速运动 | 4.13秒 | 2.84光秒 | 3秒

就像这个例子所表明的，闵可夫斯基提出的公式的确切实有效。静止参考系和运动参考系中的时间间隔是不同的，分别为5秒和4.13秒，同时，两个参考系中的空间间隔也有差异，分别为4光秒和2.84光秒。

但是，静止参考系和匀速运动参考系中的时空间隔数值却是完全一致的，两者皆为3秒，可见，时间间隔和空间间隔受匀速运动影响，时空间隔则不然。

伊桑的运算过程详见如下：

（A）在静止参考系中

静止参考系中的时空间隔：

（ΔS rest ）2 =（Δt rest ）2 -（Δx rest ）2 =52 -42 =25-16=9

ΔS rest =sqrt （9）=3秒

（B）在匀速运动参考系中

根据洛伦兹变换公式（详见附录A），速度为0.25c 的匀速运动参考系中的时间间隔为：

匀速运动参考系中的空间间隔为：

匀速运动参考系中的时空间隔为：

（ΔS moving ）2 =（Δt moving ）2 -（Δx moving ）2 =4.132 -2.842 =17-8=9

ΔS moving =sqrt （9）=3秒

以上这组数字只是用以佐证时空间隔绝对性的一个例子。在该例中，时空间隔的数值恰好是3，若换成其他事件，时空间隔可为任意数值。不过，对于给定的两个事件，无论观察者的匀速运动速度是多少，其时空间隔恒定不变。

图8.6　赫尔曼·闵可夫斯基或许会有这样的想法

闵可夫斯基（图8.6）从数学层面证明了时空中任意两个事件之间时空间隔的绝对性。不管两个事件之间的空间间隔和时间间隔是多少，不管匀速参考系的相对运动速度是多少，两个给定事件之间的时空间隔始终恒定不变。空间间隔是相对的，时间间隔是相对的，而时空间隔是绝对的。

闵可夫斯基提出的这一“时空间隔”概念意义非凡。为什么呢？因为它为物理学家提供了一个可将宇宙所有事件统一连接的渠道，而且，该方式不受匀速运动影响。在与时空物理现象有关的数学运算中，所有狭义相对论公式都是以四维时空为基础依据进行推演的。此外，在本书的第二部分中我们将看到，广义相对论的核心支撑点就是四维时空和时空间隔。

腕表上流过的时间

或许你会觉得，时空间隔这一概念过于抽象；或许你会心生疑问，它与我们的日常生活到底有何关系。实际上，我们可以不通过任何复杂运算直接对时空间隔进行测量。

如何测量？只须观察腕表上流过的时间。

假设现在正处于未来的某一时间点，此时，太阳系规模最大的卖场火星商场正在进行力度空前的打折销售，所以，你决定驾驶你新近购入的最新款火箭前往火星，为你的家具机器人采购必需零部件。

假设你以0.8c （即光速的80％）的速度从地球匀速向火星行进，在此速度下，只需15分钟（这是你所戴腕表记录的时间）你便能抵达火星。

此过程包含两个事件：（1）离开位于地球的家；（2）到达位于火星的商场。若以你为参考系，这两个事件之间的时间间隔和空间间隔分别是多少呢？

由于你身处火箭（火箭处于匀速运动状态）之中，所以你感觉你与火箭是静止不动的。从你的视角看，火星正朝你步步趋近，而后视镜里的地球则正逐渐后退。换言之，在你看来，你自己是静止的，地球正远离你，火星则正朝你而来。以你自身为参考系，你永远静止不动，外部世界则每分每秒都从你身旁经过。

我试着把我自身这一参考系想象成三个互相垂直的箭头，这三个箭头黏附在我的头顶，代表着空间，三个箭头相交的原点处有一时钟，代表着时间（如图8.7所示）。以我自身视角为基准，也即以我为参考系，当我沿着时间移动时，整个世界也在围绕着我进行运动。是的，一切都以“我”为中心——我们每一个人都在经历着这一切，你也不例外。

图8.7　以你自身为参考系
你与你的时空坐标始终处于静止状态，是外部世界向你趋近/远离。

所以，若以你自身为参考系，从地球到火星这一过程的时间间隔和空间间隔应是多少？

时间间隔——在你的参考系中，根据你所戴腕表的记录，两个事件——离开地球和到达火星，之间的时间间隔仅为15分钟。

空间间隔——你的参考系中的空间间隔是怎样的？这个问题稍复杂。你既处于第一个事件（离开位于地球的家）中，又处于第二个事件（抵达火星）中。而且，请牢记，在你的参考系中，你始终处于静止状态。

因此，是地球远离你以及是火星趋近你。从你的视角出发，这两个事件——离开地球和到达火星，是发生在同一地点的。哪个地点？你所在之处。

所以，你测量所得的两个事件之间的空间距离应为0。也就是说，在你的参考系中，两个事件之间的空间间隔为0。虽然这听起来似乎有些诡异和费解，但这确实就是爱因斯坦的相对性原理所主张的观点。

时空间隔——所以，此情况下的时空间隔又是多少呢？由于空间间隔为0，所以时空间隔就等于时间间隔。因此，以你为参考系，离开地球和到达火星之间的时空间隔就等于你所戴腕表上流逝的时间（此例中，该时间为15分钟）。物理学家也将此时间称为固有时（proper time）。

其数学推导过程如下：

ΔS 2 | =Δt 2 -Δx 2
| =152 -02
| =152

ΔS =15分钟

图8.8以图像和“闵可夫斯基”时空示意图的形式呈现了这一趟地球到火星的旅程。横轴依然代表空间，竖轴代表时间。物理学家们将你在时空中的穿行路径称为你的“世界线”。所谓的世界线就是指观察者或物体在时空中从一个事件到另一个事件的运动路径。

图8.8　腕表记录的时间
若两个事件你均置身其中，那么它们之间的时空间隔就等于其时间间隔（即你所戴腕表记录的时间）。

每看到一个时空示意图，你都必须确认这样一个问题：“它处于哪个参考系？”在这个案例中，示意图所处的是那个始终与你相伴的参考系，即以你自身作为参考系。

由于是以你自身为参考系，因此你总是保持着静止，不在空间中做任何位移（从你自身的视角看）。但是，在时间轴上，你又始终处于运动状态。因此，图8.8中，你的世界线是一条沿着时间轴方向延伸的垂直直线。

这其中的关键点在于，这两个事件——离开地球和到达火星，你均置身其中。请牢记，从你的角度看，你始终保持着静止，是火星朝你行来。所以，在你的参考系中，两个事件之间的空间间隔是0。

但是，对于火星的居民而言，情况又是怎样的呢？他们将如何确定这两个事件之间的时空间隔？

以火星商场为参考系——定居火星的人们以他们自身为参考系，对两个事件之间的时间间隔和空间间隔进行测量，而后，应用闵可夫斯基的公式计算时空间隔。由于他们与你处于相对运动状态，他们量度所得的时间间隔和空间间隔势必与你测量的结果有所差异，不过，他们最后演算得出的时空间隔与你的计算结果却是一致的，均为15分钟。

事实又一次证明，两个参考系（火箭中的你以及火星上的居民）中的时间间隔和空间间隔虽有不同，但时空间隔是恒定不变的。（计算结果总结见表8.2）

演算过程如下：

你驾驶的火箭速度为0.8c ，此速度下的洛伦兹因子F 为：

F =sqrt （1-0.82 ）=0.6

（A）以你自身为参考系（火箭中）：

时间间隔为15分钟，空间间隔为0。

因此，时空间隔ΔS =15分钟。

在你看来，地球和火星之间的距离应为：

距离=速度×时间=0.8×15分钟=12光分

（B）对于火星居民而言（地球-火星参考系）：

（为了方便计算，暂且假设地球和火星处于相对静止状态。）

时空间隔为ΔS 2 =252 -202 =625-400=225

因此ΔS =sqrt （225）=15分钟

表8.2　地球-火星参考系和你-火箭参考系中的时空间隔是一致的

参考坐标系 | 时间间隔 | 空间间隔 | 时空间隔
火星商场（地球-火星） | 25分钟 | 20光分 | 15分钟
你（你-火箭） | 15分钟 | 0光分 | 15分钟

假设我们身处的是进行相对论级速度的时空旅行已是家常便饭的时代，银河系太空委员会应当会把时空间隔选定为量度“距离”的唯一度规。地球居民、飞船上的太空旅行者、来自遥远星系的外星人等或许会为哪个才是正确的时间间隔和空间间隔争吵不休，但他们毫无例外都将对时空间隔的数值一致认同——时空间隔便是时空的度规（即度量标准）。

岁数相差很大的双生子

扎斯洛这对双胞胎兄弟打算挑战一个难以想象的任务，为了完成该任务，他们将要分开一段时日。新近建成的千米太空望远镜在绕葛利斯581恒星运行的一颗行星上检测到了神秘信号——该行星距离地球足有20光年之远。神秘信号大约每三天重复一次，似乎具备某种特定模式。

这是某种智慧生命发出的信号吗？科学家尚无法确定，于是他们请求联合星球的政府拨款，支持他们派遣人员前往该星球探察信号来源。科学家把该星球定名为“特拉”。

扎斯洛兄弟双双入选特拉探险任务，因为他们年轻力壮且极富太空飞行经验。此外，他们在惯性天平事件中展现出的领导能力也让科学家们大为赞赏。不过，史蒂夫不幸患上了火星呼吸道感染，该病以症状明显、发病持久著称。

“我好难受，我连头都快抬不起来了，”史蒂夫哀号着，“这趟任务我肯定是去不了了。”

“如果是这样的话，那我也不去了，我留下来陪你。”阿里安纳说道。

虚弱的史蒂夫笑了笑，鼓励道：“你该不会是认真的吧？嘿，这可是千载难逢的机会，你应该去的。去吧！”

阿里安纳在无法留下陪伴兄弟的歉疚和对星际旅行的渴望之间犹疑彷徨。最终，在史蒂夫的鼓励下，阿里安纳决定随队出发，前往探险。

他们两人都知道这意味着什么——陌生之地的未知危险，两人的长时间分别，以及阿里安纳归来时他们需要共同面对的永久性变化。

就这样，阿里安纳启程前往遥远的未知星球，史蒂夫则留守原地。在最新研发的物质-反物质引擎的推动下，阿里安纳搭乘的飞船可加速至光速的90％（0.9c ），并保持该速度行进。

即便飞船速度高达0.9c ，也需要22年方能抵达特拉星球，返回地球甚至需要更长时间——从地球居民的角度看，这趟旅程来回共需45.1年。

与留守地球的史蒂夫处于相对运动状态的阿里安纳势必经历效果显著的时间膨胀效应。此时的洛伦兹因子F 为：

F =sqrt （1-0.92 ）=0.436

所以，对于阿里安纳而言，这趟远程之旅只须花费：

45.1年×0.436=19.7年

因此，返回地球时，阿里安纳衰老尚不足20年，但史蒂夫却已经老了45岁。他们现在正值25岁的青春年华，但是，待到阿里安纳返回地球时，史蒂夫将是70多岁（25+45.1）的古稀老人，而阿里安纳却只有44岁（25+19.7）。

让我们来为这个所谓的“双生子悖论”（该悖论由法国物理学家保罗·郎之万于1911年首次提出）绘制一个时空示意图。图8.9以地球为参考坐标系，描绘反映了阿里安纳前往特拉星球以及返回地球的过程。

图8.9　双生子悖论
史蒂夫的世界线为线段AC ，只与时间轴重叠；阿里安纳的世界线由线段AB 和BC 共同组成，且具有空间组构成分。由于时空间隔等于时间间隔的平方与空间间隔的平方之差的平方根，因此，阿里安纳的时空间隔（腕表上记录的时间）应小于史蒂夫的时空间隔，因此，当他返回地球时，他将比史蒂夫年轻。

为了简化过程分析，我们在此假设：（a）地球和特拉星球处于相对静止状态；（b）在阿里安纳进行星际探险期间，留守地球的史蒂夫始终保持静止；（c）阿里安纳的飞船一抵达特拉星球便返航。

史蒂夫的世界线——如图所示，史蒂夫在时空中的世界线是一条由A 指向C 的垂直直线。为什么呢？因为以地球为参考系，史蒂夫始终处于静止状态，从他的角度看，他只在时间轴上运动，在空间中并没有发生任何位移。

阿里安纳的世界线——阿里安纳往返地球和特拉星球的世界线由路线ABC 表示。阿里安纳沿着两道斜线运动，既经历了时间上的变化，也经历了空间中的迁移。

谁的世界线更长？是史蒂夫的路线AC ，还是阿里安纳的路线ABC ？接下来，我们将利用时空间隔来找出答案。

时空间隔

以史蒂夫为参考系，事件A 到事件C 之间的时空间隔应等同于时间间隔，即史蒂夫所戴腕表记录的时间（固有时）——45.1年。（因为史蒂夫在空间中没有进行运动，所以不存在空间间隔，因此时间间隔的平方无须减去空间间隔的平方，可直接等于时空间隔的平方值。）

但是，阿里安纳的世界线从A 到B ，再从B 到C 均经历了空间和时间上的运动，因此，在计算阿里安纳从事件A 到事件B 、再从事件B 到事件C 的时空间隔时，必须从时间间隔的平方值中减去空间间隔的平方值。

此番相减运算势必令时空间隔数值减小，缩短的时空间隔意味着阿里安纳所戴腕表记录的时间（固有时）应小于史蒂夫的。

其数学运算过程具体如下（以地球为参考坐标系，约数，非准确值）：

（A）史蒂夫的世界线

事件A （飞船离开地球）与事件C （飞船返回地球）之间的时空间隔推算如下：

飞船运动速度为0.9c ，特拉星球距地球20.31光年。

所以飞船从地球达到特拉星球所需的时间为：

时间=距离/速度=20.31光年/0.9光年/年≈22.56年（应为22.57年）

因此，飞船往返所需时间为2×22.56≈45.1年（史蒂夫所戴腕表记录的时间）

（B）阿里安纳的世界线

事件A （飞船离开地球）与事件B （飞船抵达特拉星球）之间的时空间隔推算如下：

ΔS 2 | =Δt 2 -Δx 2
| =22.562 -20.312
| ≈96.4

ΔS 2 =sqrt （96.4）=9.82年

这就是阿里安纳从地球到特拉星球所需的固有时。

因此，阿里安纳的往返旅程（从地球到特拉星球再回到地球）所需的时间为：

2×9.82≈19.7年

以上运算表明，对于史蒂夫而言，事件A 与事件C 之间的时空间隔或腕表时间为45.1年，而对于阿里安纳而言，从事件A 到事件B 再到事件C 的时空间隔或腕表时间为19.7年。所以，阿里安纳衰老的年岁应小于史蒂夫。

但是，以上运算均是以地球为参考系进行的，若以阿里安纳搭乘的飞船作为参考坐标系，运算过程又会有怎样的异同呢？ [3]

史蒂夫世界线上的时空间隔数值将保持不变，阿里安纳世界线上的时空间隔数值也将保持不变。请记住，时空间隔具有绝对性，不受匀速运动影响，所以我们采用哪个（匀速运动）参考系作为计算基准其实无关紧要，因为最后得出的结果总是相同的（总结详见表8.3）。

表8.3　双生子悖论

地球到特拉星球的距离为20.31光年（以地球为参考系），飞船运动速度为0.9c 。

星际探险结束回到地球时，史蒂夫已年过70岁，而阿里安纳却还在等着举行45周岁生日聚会。

返程

2950年8月，一个阳光明媚的早晨，派往特拉星球的伟大探险队终于回到地球。早晨总有晴朗的好天气，据报道，只有下午两点到五点才会下细微小雨。飞船降落地点附近的广场和路边挤满了前来迎接探险队的民众，电视台将对降落过程进行全程直播，不仅地球，太阳系中有人类定居的其他四个行星和两个卫星以及十七个空间站均能收看此盛事。

此时已是古稀之年的史蒂夫也带着其妻子、两个孩子以及他们的配偶，还有四个孙子一齐来到了肯尼迪-鹰羽太空中心，只为第一时间迎接他的双胞胎兄弟阿里安纳。

飞船终于穿过云层，出现在人们的视野中，缓缓着陆。舱门徐徐打开，探险队人员陆续下机。“他们看起来好年轻！”民众惊呼道。

阿里安纳是最后一个走下舷梯的，他身旁还跟着两个身高约5.5米的外星人。两个外星人包裹在由透明乙酸纤维素做成的密不透风特制套装里，以免受到地球有毒气体的侵害。他们的皮肤五颜六色，在太阳光的映照下，闪耀着液体般的光泽。围观人群无不震惊。

史蒂夫的视线像钉子一般牢牢盯着阿里安纳，而阿里安纳也一眼就从汹涌的人潮中找到了史蒂夫。他们遥遥相望，泪水涌上眼眶，如决堤的洪水奔涌而出。他们走向对方，紧紧相拥。情绪稍稍平复之后，史蒂夫开始向阿里安纳介绍自己的家人。

“这是你们的阿里安纳叔叔，他终于平安回家了，”史蒂夫语带哽咽，“阿里安纳，你看起来精神真好。”

阿里安纳只是轻声应道：“是吗？”再无法说出任何宽慰之语。

阿里安纳与探险队成员于2905年离开地球，对于他和飞船上的成员而言，时间的流速与往常无异。在他们看来，待他们再次踏上地球的土地时，地球日历上的年份应是2925年，毕竟，他们只衰老了20岁。

但是，当他们回到地球，日历上却清晰地标示着，此时地球已是2950年。尽管他们已然充分预料到这个局面，但是，当这一刻真的来临时，他们内心依旧十分震骇——自己竟一脚踏进了25年后的未来！

从理论上讲，只要飞船速度足够快，阿里安纳甚至可在一年内完成这趟从地球到特拉星球再返回地球的旅程，并在回归地球的瞬间穿越至几千年后的未来。如果阿里安纳搭乘的飞船速度可达0.9999999c ，洛伦兹因子F 将为0.0004472，倘若阿里安纳以该速度进行为期一年的太空飞行，等他重归地球时，地球已然度过了2236个（1除以0.0004472）年头！

不过，在这里我们必须注意一点——根据狭义相对论，这样的时间旅行只能是一趟单向行程。“或许你可以轻松地买到一张遨游外太空的往返双程票，”物理学家爱德文·F．泰勒和约翰·阿奇博尔德·惠勒这样写道，“但是，对于通往未来的车票，你永远只能买到单程票。”阿里安纳可以跨越进入未来，却无法回到过去。

在日常速度下，时间旅行的影响自然是微乎其微并可忽略不计的，但不管效果多么微弱，它们都是真实存在的！只要你处于运动状态，你就会经历这种效应。

我们都是时间旅行者！

谁变老了？为什么

“我还是不明白，”史蒂夫疑惑道，“他们说，这个所谓的时间膨胀效应是双向进行的，也就是说，如果我和你处于相对运动状态，那么，在我看来，你的时间流速将减缓，可是在你看来，我的时间流速应该也会减缓的，不是吗？”

“应该是的吧。”阿里安纳答道。

“那你怎么会老得比我慢呢？我的意思是，从你的视角看，你的飞船是静止的，而我则处于运动状态，所以，为什么不是我老得慢一些呢？”

“嗯……这个嘛……”阿里安纳思索道，“我们两个人不可能同时都老得慢。我的意思是，假如时间层面真的有所改变，那么我们两个人之间势必有一个比较年轻。”

“嗯，这一点我明白。虽然我理解这个时间膨胀的理论，但我还是想不通为什么你会老得比我慢。”

“我有个提议，”阿里安纳说道，“不如我们去请教一下帕特吧。”

于是，这对双生子再次向他们的物理学家妹妹投去求援的目光。帕特首先向阿里安纳发问。

“在飞船改变巡航速度、掉转方向启程从特拉星球返回地球的那一刻，身处飞船中的你有什么样的感受？”

“当飞船的前推进器开启且飞船开始降速时，我的身体整个前倾，紧紧压在座椅安全带上。”

“飞船完成掉头，开始往地球方向行进的时候，你又有什么感觉呢？”

“在飞船加速至匀速巡航速度的过程中，我感觉身体整个压挤着座位。”

“那么，史蒂夫，在阿里安纳外出探险的这段时间里，你曾有过类似的感受吗？”帕特询问道。

“没有，一点也没有。”

“你看，阿里安纳，这就是问题所在了，”帕特解释道，“在飞船掉头返航的过程中，你经历了加速度效应，而史蒂夫没有。”

“正是这个加速度过程，导致阿里安纳所处参考系的时间流速减缓。有一点需要注意的是，在物理学中，加速度过程既包含加速也包含减速。”

“所以……这一切的根源就是飞船在特拉星球掉头返航时的减速与加速过程？”史蒂夫震惊道。

“是的，就是掉转方向时的加速度造成的，那就是阿里安纳的时间流逝速度慢于你的原因所在。”

“好的，我大致听明白了。妹妹，可太感谢你的‘简单’讲解了！”两兄弟挠着头跟妹妹道谢。

验证

你对这番解释依然存疑？有这样的念头是非常正确的。对于新兴的理论观点，真正具有科学精神的人是不会仅听几个凭空想象出来的案例分析就全盘接受的。在物理学中，一切还需要实验证据说话。

如今现有的技术尚不足以支撑我们将宏观物体（如飞船和人类）加速至相对论级速度，不过，对于微观物体，我们的技术已可满足。所以，让我们再一次把目光投向我们的“老朋友”——μ介子。

1975年，意大利粒子物理学家埃米利奥·毕加索领导的国际性实验团队利用欧洲核子研究组织全新建成的μ介子储存环进行实验。他们将μ介子射入实验设备，使其在磁场的牵引控制下，不停循环进行“旋转木马”式的圆周运动（圆周直径约为14米）。此实验旨在检验电子理论中的一个基本观点，同时，也是对双生子悖论的加速度解释的一个验证。

在这种圆周运动中，物体的运动方向时刻变化，由于方向的改变也是加速度的一种表现形式，因此，做圆周运动的μ介子始终具有加速度。

μ介子与实验室的相对运动速度可达光速的99.4％。若以静止状态下的μ介子生命周期为判断基准，μ介子只能在储存环中做14～15圈圆周运动。

倘若爱因斯坦的理论是正确的，加速的μ介子势必经受时间膨胀效应，其时间流速必然减缓，相应地，其生命期亦会延长（从身处实验室的实验者的角度看）。多次实验结果表明，高速运动的μ介子平均可绕储存环做400圈圆周运动。换句话说，μ介子的生命期足足延长了30倍。值得一提的是，实验的测量结果与爱因斯坦的预测仅有不到1/500分的误差。

所以，是具有加速度的μ介子（经历了加速与减速过程的阿里安纳）经历了时间流速的减缓。此后，无数实验室实验以及太空飞船、火箭和卫星中放置的原子钟均证实了这一点——经历了加速度过程的参考系将显示出时间变慢的效果。大量的实验证据再次掷地有声地宣布，爱因斯坦是正确的！

（狭义相对论和广义相对论均可解释双生子悖论。详解请见尾注。）

时空与万有引力

闵可夫斯基这篇阐述时空本质的论文起初并未引起爱因斯坦的关注，因为爱因斯坦认为，它“只是”一种数学层面的抽象推理，无法实际应用于物理世界。爱因斯坦曾写下这样的嘲弄文字：“你可以用数学证明一切。”或许，他对闵可夫斯基的主观感情影响了他的客观判断。

多年后，爱因斯坦对这些言论感到深深的懊悔。在研究有关万有引力的新理论时，爱因斯坦开始领会“闵可夫斯基的研究成果的强大解释力以及其中所蕴含的深刻哲学内涵”。他意识到，有关时空的数学运算对于其新理论的发展具有关键作用。爱因斯坦后来承认：“若没有闵可夫斯基的四维数学运算，相对论或许难逃胎死腹中的命运。”

闵可夫斯基的时空理论框架最终成了爱因斯坦广义相对论的基础核心。时空间隔的绝对性为爱因斯坦提供了一个度量标准以测量这个充斥着相对运动的宇宙——一把可用于量度宇宙一切事件的通用“标尺”。

最令人震惊的是，爱因斯坦竟提出，时空并不是刚性平直的静态构造，相反，它可在质量和能量的影响下弯曲。而正是此“时空曲率”将我们紧紧束缚于地球表面，它是一切天体运动的动力，把各行星、恒星、星系和星系团的运转精心编排成一曲悠扬和谐的宇宙之舞。时空曲率就是万有引力。

而这便是本书第二部分的叙述主体。

假设现在是公元3000年，以相对论级速度进行太空旅行早已是稀松平常之事。在这样的一个世界里，我们不知道第几代后人已根本不会再质疑时间膨胀是否存在以及如何将其应用于实际的问题。对于他们而言，时间膨胀只是其日常经历的一部分。

图8.10　前往木星庆祝新世纪的广告

以上这个广告（图8.10）正在宣传一个前往木星庆祝新世纪的狂欢活动。该飞船的巡航速度将达到光速的三分之二，也即约7.19亿千米/小时，在此速度下，飞船仅需两个地球时便可往返木星和地球，不过，由于运动会令时间流速减缓，对于飞船中的乘客而言，该趟往返之旅仅需一个半小时。

注解：

[1] 　爱因斯坦指的是磁场中流通电流所产生的极化电流。（所谓“极化”指的是波的方向）

[2] 　此处应是算数平方根，后同。——编注

[3] 　对于阿里安纳而言，实际上共存在两个参考系——地球到特拉星球以及特拉星球到地球。一旦飞船掉转运动方向，参考系就马上改变。

第二部分
宇宙的奇迹

——

爱因斯坦所揭示的：

广义相对论、万有引力与宇宙

第9章
我想知道上帝是如何创造这个世界的

我想知道上帝究竟是如何创造这个世界的……

我只是想了解他的想法，其他的只不过是细节问题而已。

——阿尔伯特·爱因斯坦

倘若狭义相对论的各则基本原理以及推论预测已叫你眼花缭乱、应接不暇，那接下来的广义相对论恐怕会令你更加头疼。狭义相对论揭示了匀速运动是如何压缩空间以及减缓时间流动的，揭露了质量与能量之间的当量关系，展现了空间间隔（距离）和时间间隔如何统一成一个不受匀速运动影响的单一结构（即时空间隔）。

广义相对论则告诉我们，在质量与能量的作用下，空间可延展、时间会缓下流逝的脚步以及时空会被“弯曲”；并且，万有引力并不隶属“力”的范畴，它其实是时空的几何结构。这些观点乍听上去极度怪异，彻底颠覆了我们对宇宙的既有认知，但它们为我们呈现的将是一个令人惊叹的全新世界。

万有引力与时间变慢

广义相对论预言，万有引力将减缓时间的流逝。为了理解其原理，请你把你手中的腕表举过头顶，然后再放低到地上。（不要在意周围人的嘲笑眼光，他们懂些什么？）根据爱因斯坦的理论，你的手表越接近万有引力的源头——在这种情况下即地球——其指针行走的速率就越慢。虽然该效应极其微弱，肉眼压根无法察觉，但它确实是真实存在的。

在过往的许多实验中，物理学家将地球上的原子钟与太空飞船、火箭和卫星等飞行器上的原子钟进行了精确对比，而收集到的数据均显示，原子钟离地球越近（海拔高度越低），其时间流速就越慢；离地球越远（海拔高度越高），其时间流速就越快——这些实验证据均与广义相对论的预测相吻合。

近来进行的一项研究与我们前文提及的手表小实验十分相似。2010年，美国国家标准技术研究所的物理学家将两个极其精确的铝离子原子钟呈上下放置，两者相隔约30厘米。实验数据表明，下方原子钟的指针行走速率慢于上方原子钟，一年累计相差约十亿分之一秒——与爱因斯坦公式的预测结果高度一致。

万有引力与空间延展

现在请你拿起一支钢笔，笔尖向下，举过头顶，然后再放到地上（保持笔尖向下）。从远处观察你会发现，钢笔越靠近地面，笔尖到笔尾端之间的距离就越长，因为越靠近地球，空间延展的幅度就越大。

此空间延伸（与时间变慢）效应在1919年的一次日食中首次得到实测验证，而正是这次测验使得爱因斯坦名扬世界。

在后文我们将看到，此类时间变慢和空间延展现象——物理学家称其为时空曲率——正是导致物体在引力场中下落的原因。实际上，时空曲率就是引力！

在21世纪初临之际，广义相对论依然是对万有引力描述最为准确的科学理论，依然是创下无数辉煌的现代宇宙学的理论根基。连光也无法逃出其“魔爪”的黑洞、可能连通另一时空的虫洞、辐射能量可超越一整个星系恒星的巨大类星体、引力波、中子星、行星轨道的岁差、引力透镜效应、惯性系拖曳效应、空间膨胀、大爆炸中的宇宙起源与进化……这种种现象的发现与研究，其背后无一不潜藏着广义相对论的身影。

接下来，我们就将循着爱因斯坦的步伐，重走一遍广义相对论的探索之旅。

始于一个冲突

阿尔伯特·爱因斯坦带着巨大的勇气——或许还有些许傲慢——推翻并取代了牛顿于1687年提出的万有引力定律。德高望重的物理学家马克斯·普朗克曾这样告诫爱因斯坦：“我虚长你二十余岁，并且，作为你的朋友，我必须劝导你不要这样做，因为首先，你是不会成功的，其次，即便你成功了，也不会有人相信你的理论的。不过，倘若真的让你成功了，你肯定会被人尊称为第二个哥白尼。”

爱因斯坦还是按照原来的一贯做法，以一个具有普遍意义的提问开启他的探索之旅。他于1905年提出的理论，也即狭义相对论是以相对性原理为根基的。相对性原理认为，一切物理定律（包括公式）对于所有匀速运动的观察者而言都是等价的。

1907年，爱因斯坦抛出了这样一个问题：为什么这个原理只适用于运动速率和运动方向不变的观察者？倘若观察者身处的是一辆正在加速或减速的汽车之中，处于非匀速运动状态，情况又会怎样？如果观察者置身的是一个旋转平台呢？在这些处于加速度参考系中的观察者眼中，事件又会展现出怎样的面貌呢？

难道物理定律不应该对一切观察者、一切参考系——无论其是否处于匀速运动状态——均是等价的吗？

到目前为止，我们只将相对论，即自然定律独立于参考系的运动状态的假设应用于匀速运动……那么，相对论是否也可能适用于非惯性参考系（具有加速度）呢？

——阿尔伯特·爱因斯坦

假设现有两个完全相同的科学实验室可供进行一切物理实验，其中一个实验室设在地面，处于静止状态，另一个则在进行匀速运动。根据爱因斯坦的相对性原理，一切物理实验，无论是在处于匀速运动状态的实验室进行还是在处于静止状态的实验室进行，其最终结果都是一致的。

但是，倘若处于运动状态的那个实验室并不是匀速行进的，其结果又会发生什么改变呢？比如，假如相对于静止实验室，另一个实验室一直不断增速，或者，将第二个实验室设置在一个巨大的旋转平台上，那么，我们还会得出完全相同的实验结果吗？

日常经验告诉我们，当置身匀速运动的密闭车厢内，我们无法判断车辆是处于运动状态还是静止状态。不过，如果此时司机猛踩一下刹车或者油门，抑或掉转方向，我们的身体将会相应地突然前倾或后倾，或倒向一侧。加速度是不同的，我们可以感受到速度或方向的改变。我们可以感受加速运动——但我们无法感受匀速运动。

万有引力又如何呢？若实验室正落入某个引力场——为什么相对性原理不能适用于该参考系呢？

爱因斯坦试图提出一个可将一切参考系——加速、旋转和万有引力——悉数囊括在内的理论，而这个理论便是日后的广义相对论。这项研究工作是爱因斯坦开始其学术生涯以来所遭遇的最困难的挑战，他充沛无垠的想象力、敏捷锐利的科研能力以及较为薄弱的数学知识都将受到严峻考验。

与眼前的问题（广义相对论）相比，狭义相对论简直太轻松了。

——阿尔伯特·爱因斯坦

爱因斯坦的广义相对论探索之旅始于狭义相对论与牛顿万有引力定律之间的一个冲突。

牛顿的困惑

20世纪早期，没有人会去质疑牛顿的万有引力定律，这条定律被视为揭露宇宙运转规律的终极答案。为什么呢？原因很简单，因为它十分奏效，从未出过差错。

牛顿的万有引力定律准确地解释了各行星绕太阳的运转规律、“月球的精确运转轨道”、木星和土星的卫星的运动路线、太阳引力作用下的彗星偏心运行轨道、地球的赤道隆起效应、月球和太阳引力影响下的地球潮汐现象，以及地球在其旋转轴线上的岁差现象。它还成功地预测了两颗新星——海王星和矮行星冥王星——的位置。

不过，牛顿的理论并非毫无瑕疵。水星是离太阳最近的行星，科学家的精确观测数据显示，其实际运行轨道与牛顿的预测有些许偏差。法国数学家于尔班·勒威耶试图对这一误差做出解释，他提出一个假设，认为水星运行轨道内侧可能存在一颗未知的小行星，而正是这颗小行星影响了水星的运行轨迹，导致预测出现误差。不过，科学家至今未曾发现这颗“瓦肯星”的踪迹。

由于万有引力定律先前的成功名册过于厚重，加之测量所得的水星运行轨迹偏差又较为微小，因此，并没有学者胆敢公开质疑牛顿的理论——直至爱因斯坦横空出世。

那么，究竟是什么原因使得爱因斯坦有勇气和自信挑战牛顿这位伟大物理学家的权威呢？这是因为爱因斯坦非常清楚地看出了牛顿万有引力定律与狭义相对论之间的根本性分歧。如果爱因斯坦的理论是正确的，那么艾萨克·牛顿必然是错误的！

爱因斯坦认为，牛顿理论存在如下三个关键纰漏：

（A）瞬时引力——假设某一天的某个瞬间，《星际迷航》中无所不能、不生不灭的Q [1] 突然把我们赖以生存的太阳变没了，那么，多长时间之后我们的天空会陷入黑暗以及地球会开始凝固结冰？

近似球体的太阳向四面八方辐射光子，太阳与地球之间的空间里时刻充满了以光速从太阳向地球进发的光子。

在太阳消失的那一瞬间，地球和太阳之间的空间中依然弥散着太阳先前放射的光子，而太阳在泯灭之前辐射出的最后一批光子此刻方才到达太阳表面。

来自太阳的最后一批光子须传播约1.5亿千米的漫长距离、花费大约8.3分钟才能到达地球，这就意味着，在太阳消失之后的8.3分钟里，我们仍能看到太阳闪耀的光辉，在那之后，天空才会陷入黑暗。

那万有引力呢？根据牛顿的理论，使地球围绕太阳按既定轨道进行旋转的正是万有引力。倘若太阳突然消失，地球是否会立即脱离运行轨道，飞向外太空？

对于这个问题，牛顿将给出肯定的回答。在牛顿的理论体系中，引力传播是一种超距作用，引力可以在瞬间传播至任意远处。（见图9.1）

图9.1　牛顿的观点
太阳一消失，地球即刻脱离运行轨道（图像未按比例绘制）。

不过，爱因斯坦并不赞同引力场扰动具有瞬时性的说法，因为它有悖狭义相对论中“光速是自然界已知的最大速度”这一观点。

而且，假若万有引力真如牛顿所言具有瞬时性，那么你可利用引力扰动使所有时钟同步，包括处于运动状态的时钟，可为所有观察者定立一个唯一的绝对时间，在这种情况下，时间将不再具有相对性——如果这一切均成立的话，爱因斯坦的狭义相对论将再无立足之地。所以，爱因斯坦坚定地认为，引力的传播绝不是瞬时的。相反，引力是以光速进行传播的。

爱因斯坦的观点如图9.2所示。太阳消失的一瞬间，太阳所处位置发生引力扰动，并以光速朝四面八方辐射，在扰动传播至地球期间，地球仍旧按照原有轨道进行绕日运动。

图9.2　爱因斯坦的观点
太阳消失8分钟后，地球脱离既定绕日运转轨道（图像未按比例绘制）。

太阳消失8分钟后，引力扰动终于传播抵达地球，到此时，地球才会脱离原有运行轨道，飞向外太空。

（B）长度收缩——牛顿的平方反比定律认为，两个物体之间的万有引力与其距离的平方成反比关系。如果两个天体之间的距离扩大2倍，那么它们之间的万有引力将减弱到1/4；如果两个天体之间的距离扩大3倍，其万有引力作用则减弱到1/9。以此类推。

然而，根据狭义相对论，空间中两点之间的距离随着相对匀速运动（朝着运动方向）而收缩，而宇宙中各天体与太阳以及彼此之间的相对运动速度均不相同。

以太阳与水星之间的距离为例。两者距离的具体数值并非恒定不变，而是根据你选择的参照系而变化，比如你在太阳上测量得出的距离与你在水星上测量所得出的距离是不同的，两组数据的差异或许不大，但我们依然必须将其考虑在内。

（C）超距作用——与以往提出的三则运动定律不同，牛顿的万有引力定律所描述的是一个不可见的力，它“可在不与物体发生直接物理接触的情况下，对该物体施加力的作用”。换言之，牛顿只提供了计算这个力的公式，却不能对这个力的传递原理做出有力解释。

那么，太阳究竟是如何跨越1.5亿千米的遥远距离，将地球牢牢束缚在既定绕行轨道上的？究竟是什么从太阳出发，一路抵达地球，并“叮嘱”地球千万不要脱离轨道飞射至外太空？

太阳必定输出了某种事物，并通过该种事物与地球发生联系，或许是具备形态的实体物质，或许是某种在太阳与地球之间传播的非物质能量，或许是某种微粒，或许是某种波，又或许是其他某种完全在我们意料之外的事物。

牛顿时代的物理学家将此种事物称为“超距作用”——1.5亿千米之外的太阳可通过某种“无须借助任何媒介、能够穿越真空”的无形之力对地球施行控制。

牛顿对这个问题又有什么样的看法呢？简单来说，他的答案可大略概括为四个字——我不清楚。牛顿自己的正规学术语言表达如下：

以我目前掌握的知识，还未能推断出一个合理答案……我尚无法为万有引力的确切来源提供一个合理假设。

——艾萨克·牛顿，《原理》

“‘万有引力是物质与生俱来的固有属性，一个物体可穿越真空并超距地对另一个物体施加力的作用，而且这种传递无须借助任何介质’——在我看来，这种观点简直荒谬至极。我想，任何一个具有独立思辨能力的人都不会赞同这种观点。”牛顿如是写道。

牛顿的理论虽然难以确切地解释万有引力的作用原理，但依然受到大家的普遍认可，因为事实证明，根据其公式所得出的预测结果十分准确。随着时间的流逝，有关万有引力究竟是如何进行传递的探讨逐渐退出了物理学界的热点研究行列，直到爱因斯坦尝试提出一个解释万有引力的全新理论，此研究课题方才重新回到学界的视野之中。

总的来说，爱因斯坦亟须解决以下三个问题：（1）引力作用的瞬时性传播；（2）物体与物体之间的相对距离；（3）万有引力是如何进行远距离传递的。同时，爱因斯坦的新理论也需要阐明水星运行轨道不规则这一牛顿理论无法解决的问题。毋庸置疑，这将是一个巨大的挑战，而就在这个挑战征途即将启程之时，爱因斯坦也开始了他全新的学术生涯之旅。

图9.3　爱因斯坦教授

爱因斯坦用了许久才最终厘清了狭义相对论的各个深奥的概念。1907年12月，他首次出版关于狭义相对论的详细阐释报告，其中也涉及了有关万有引力的新相对论理论。爱因斯坦探讨了如何将狭义相对论应用于非匀速运动参考系的问题，同时，也粗浅地阐述了一些有关广义相对论和等效原理（正如我们此后将看到的，正是该原理搭建起了连接加速度与万有引力的桥梁）的早期观点。

1907年6月，爱因斯坦向瑞士伯尔尼大学投递简历，试图谋求一份教职。虽然他的研究成果正逐步受到学界认可，但此番他依然未能如愿，伯尔尼大学又一次将他拒之门外。直到8个月后，他才在全新的学术道路上迈出了艰辛的第一步。

1908年2月，这位专利局技术员终于接到伯尔尼大学的聘请书，接收他成为伯尔尼大学的编外讲师。“编外讲师”多为博士后，工资由学生学费直接支付，学校不额外发放薪酬。这一聘任制度在欧洲由来已久，最远可追溯到中世纪时期。这个制度便于大学在正式全职聘用教师之前对其进行全方位考核。

出于经济方面的考量，爱因斯坦没有辞去专利局的工作，只在夜间前往学校授课。事实证明，讲课授学并非爱因斯坦的强项——第一学期只有三名学生选修其课程，第二学期只剩一名，最后校方无奈只能取消该门课程。

苏黎世大学

1909年5月，30岁的爱因斯坦准备应聘苏黎世大学理论物理系的副教授一职，他的主要竞争对手是他的一位老熟人，弗里德里希·阿德勒。他们两人均为犹太人，这是一个不利条件，不过，阿德勒拥有一个得天独厚的优势——当时，大学里的许多教职工都对奥地利社会民主党深怀同情，而阿德勒的父亲正是该党的创始人之一。

年轻的阿德勒深知，单论物理研究能力，爱因斯坦绝对比他优秀得多，无私的他决定亲自撰写一封书信，向理论物理系推荐爱因斯坦。由于阿德勒令人敬佩的自我牺牲精神，爱因斯坦最终应聘成功，成为一名“临时教授”。虽然此时的爱因斯坦“尚未获得终身教授职位，但比起从前的编外讲师也算向前迈进了一大步”。

爱因斯坦这位大人物又会以怎样的面貌出现在与学生初次见面的第一节课上呢？“他穿的衣服看起来稍显破旧，裤子也有点短，”一位学生在后来回忆道，“手里拿着一叠写满了潦草讲义的草稿纸。”

现在我也成了娼妓工会的正式成员了。

——爱因斯坦成为教授时写给雅各布·罗伯的信件

爱因斯坦向其专利局的上司弗里德里希·哈勒正式请辞时，哈勒还十分不解地询问爱因斯坦为何愿意放弃这样一份前途光明的工作。

1909年9月，爱因斯坦参加了他人生中的第一场国际学术会议——德国科学家与医生年会，并于会上展示了一篇关于电磁辐射理论（光量子）的论文，这是科学界首次提出光波既以波的形式进行传播，又具备粒子的特性。

10月，爱因斯坦首次获得诺贝尔物理学奖提名。（此后，爱因斯坦总共获得9次诺贝尔奖提名，直到1921年终于凭借光电效应这一研究成果获此殊荣。）

爱因斯坦的物理研究之路越走越顺畅，但他的家庭生活却不尽如人意。在这期间，他与妻子米列娃·玛丽克之间的关系愈加疏远。不过，米列娃在1910年7月产下了她与爱因斯坦的第二个儿子爱德华。

布拉格

1910年4月，布拉格德意志大学以两倍于苏黎世大学的重薪，邀请爱因斯坦至该校任正教授，并且许诺让爱因斯坦担任该校理论物理研究所所长。而向布拉格德意志大学引荐爱因斯坦的不是别人，正是马克斯·普朗克，他在推荐信中这样写道：“相对论所言观点之大胆，或许连思辨科学的前沿研究内容也无法企及。”

布拉格德意志大学还承诺，爱因斯坦任正教授期间只须专注科研，无须再上讲台授课。虽然布拉格德意志大学的物理系并不出名，但求新求变的爱因斯坦还是欣然地接受了这个诚意满满的邀请。现在，爱因斯坦终于可以全情投入他挚爱的科研事业了。

爱因斯坦的办公室毗邻一家精神病医院，他常指着那些住院患者对来访的客人感叹：“你现在看到的是不搞量子力学的那些精神病人。”

据物理学家约翰·斯塔赫尔所言，在布拉格德意志大学，爱因斯坦全神贯注地研究广义相对论，在这期间，总共发表了6篇有关广义相对论的高水平论文，同时，还发表了5篇论述辐射理论（光量子）和量子理论的论文。这是他第一次提出“星光弯曲源于太阳引力”这一观点。

在布拉格理论物理研究所的幽静高墙里，我重新找回了从前那份沉稳泰然的心态，也为我早期萌生的某些想法找到了更加确切成形的表达形式。

——阿尔伯特·爱因斯坦

此时的爱因斯坦已扬名学界，每次公开演讲都座无虚席。1911年，比利时工业化学家兼社会改革家恩斯特·索尔维在布鲁塞尔召开首届索尔维物理学会议，亨德里克·洛伦兹被推选为会议主席。如今，该会议已成为国际闻名的科学学术大会。

爱因斯坦自然也在受邀之列，并与众多欧洲顶尖物理学家——包括英国的欧内斯特·卢瑟福和詹姆斯·金斯、法国的亨利·庞加莱、玛丽·居里、路易·德布罗意和保罗·郎之万，以及德国的瓦尔特·能斯特、马克斯·普朗克和阿诺德·索末菲——一同入选“会议名人册”。

不过，对于玛丽克而言，布拉格的生活并不若想象中那样轻松愉悦。“黄棕色的饮用水、如何清理也摆脱不掉的跳蚤以及令人厌烦的官僚作风”，如此种种皆使人不快。而且，作为一个塞尔维亚人，她难以融入当地生活，倍感孤单。她甚至嫉妒起自己的丈夫，因为他可以同自己的同事或友人进行社交互动，再加上当时的爱因斯坦全神贯注于探索万有引力的奥秘，无暇分神顾及家庭生活，这一切都给他们早有裂隙的婚姻蒙上了更为晦暗的浓厚阴影。

我一旦沉浸于严肃的学术思考，就很难对那些爱的叨念给予恰当反应。

——阿尔伯特·爱因斯坦

1911年末，爱因斯坦的旧友、苏黎世工业大学教授马塞尔·格罗斯曼询问其是否有兴趣回母校任教，在布拉格深觉孤独的爱因斯坦毫不犹豫地点头答应了。格罗斯曼请许多有名的物理学家（包括玛丽·居里）为爱因斯坦写推荐信，并以此说服校方授予爱因斯坦终身教职。就这样，爱因斯坦只在布拉格短暂停留了17个月，于1912年仲夏回到了苏黎世，而这也让玛丽克尤为高兴。

此时的爱因斯坦正值33岁壮年，重归苏黎世工业大学就任理论物理学教授的他心底想必五味杂陈，12年前，同样是这所学校将苦心求职的他一手拒之门外。

下一章节

爱因斯坦究竟能否成功找到一个理论，将狭义相对论推广至包括万有引力场在内的一切参考系？换言之，爱因斯坦究竟能否成功地提出一个针对万有引力的相对论性理论？这是一次大胆且注定充满艰辛的挑战，而爱因斯坦非凡过人的洞察力助他顺利地迈出了征途的第一步——等效原理。这是下一章节着重讨论的主题。

注解：

[1] 　Q是电影里的一个神秘而又强大的种族，都是非物质、非能量的生命体，而Q经常以人的形态出现。Q是无所不能的，他可以随意操纵时间、空间、物质、能量和现实。Q在电影中经常表现出瞬间移动、在物质与能量之间转化、时间旅行等能力。——译者注

第10章
人生中最美妙的一次顿悟

伽利略与牛顿之后、爱因斯坦之前，竟未曾有人意识到，此处蕴藏着如此值得人类探索的奥秘……

——巴尼什·霍夫曼

在刚开始探索针对万有引力的相对论理论时，爱因斯坦只是尝试在狭义相对论的框架内对万有引力进行解剖，他试图将牛顿的瞬时性万有引力替换为以光速进行传播的万有引力，然而，推算结果显示，这种简单的直接替换是有问题的，因为若按这个构想进行计算，自由下落的物体的下落速度会因其水平速度而异。

然而，伽利略的实验已经清楚明白地告诉了我们，同等高度下，加农炮水平射出的炮弹与自由下落的炮弹的下落速度一样快。换言之，物体的水平速度不会对其垂直方向的速度造成任何影响。（见图10.1）

图10.1　根据伽利略的自由落体定律
（a）炮弹从某一高度垂直自由下落（见左）；（b）同一时刻，加农炮于同一高度水平射出炮弹（见右）。
两颗炮弹以同一速度下落，因此将同时落至地面。

这促使爱因斯坦重新转换角度来审视伽利略提出的自由落体定律——在同一引力场中，无论物体的质量和物质构成如何相异，其下落速度都是相同的。“这个（有关下落物体的）定律的意义实在太重大了，我甚至回到家都还在思考这个定律，”爱因斯坦后来写道，“它蕴藏的内涵令我极度惊讶，我甚至猜测，它或许就是我们揭下万有引力神秘面纱的关键要素。”

事实再次证明，爱因斯坦对物理现象的确具有一种难以言明的敏锐直觉。基于伽利略的自由落体定律，爱因斯坦找到了万有引力与加速度之间的关键联系——这个联系将成为支撑起广义相对论这一庞然理论大厦的核心支柱。他将这一关系称为等效原理。

锤子与羽毛

1971年8月2日，阿波罗15号飞船的宇航员大卫·R．斯科特按照指令进行第三次也是最后一次舱外活动，登上月球表面，执行其本次航行的最后一项科研任务——重现伽利略的假设实验。斯科特旁边停着送他上月球的“猎鹰”登月舱，身后是约3962米高的哈德利三角洲高地，他右手紧握一柄地质锤，左手轻拈一片羽毛，片刻调整之后，他同时松开了双手。（见图10.2）

图10.2　地质锤和羽毛的落体实验
“1971年8月2日，在电视的实时转播画面中，站在月球表面的宇航员大卫·R．斯科特将处于同一高度的一把锤子和一片羽毛同时扔下，令其自由下落至月球表面。”

率先亲吻月球土壤的会是哪个物体？地质锤还是羽毛？抑或它们将同时落地？

锤子和羽毛将同时落至月球表面。为什么呢？首先，月球具有万有引力，且几乎不存在空气。月球较小，其万有引力只有地球的约六分之一，由于该引力过于弱小，较难束缚住气体，所以月球表面的大气十分稀薄。

因此，锤子和羽毛所处的是一个几近真空的特殊环境。在地球上，自由下落的羽毛势必受到空气阻力的影响，经一番上下飘浮方才落地。月球上几乎不会出现这种情况，羽毛将与锤子一样直接垂直落地。

不过，难道羽毛的重量不应该小于地质锤吗？羽毛的质量不应该更小吗？较重的锤子不应该先落地吗？这是亚里士多德所持的观点，但这种观点是错误的。正如伽利略指出的，若忽略空气阻力的影响，所有物体的自由下落速度都是相同的，因此，同等高度自由下落的物体都将同时落地——不管其质量如何相异。这就是伽利略的自由落体定律。

现代已有许多实验证明，伽利略的自由落体观点是正确的。比如，NASA喷气推进实验室（JPL）的J．G．威廉姆斯与其科研团队使用激光技术测量地球和月球绕日运转的速度，实验数据（精确至0.00000000000015，即1.5×10–13 ）表明，虽然地球的质量是月球的80余倍，但它们朝太阳方向的向心加速度是一致的。

牛顿的万有引力理论体系对此问题又做何解释呢？很遗憾，没有。牛顿理论将伽利略的自由落体定律定性为“难以解释的孤立实验现象”。换句话说，牛顿认可这是一个切实存在的物理现象，但无法为其提供合理的理论解释。

为此，爱因斯坦十分苦恼。他确信，加速度与万有引力之间必定存在某种尚未被人发现的联系，而这一联系或许就是解释同一引力场中物体自由下落速度一致的关键所在。

美国物理学会是这样描述这一现象的：“在忽略空气阻力的情况下，一切物体，无论各自如何相异，只要从同一高度释放，都将以相同的恒定加速度自由下落。”爱因斯坦苦心冥想，这个相同且恒定（恒定表示不发生变化）的加速度究竟从何而来。狭义相对论中也有一个恒定不变的物理量——光速，于是，爱因斯坦推想：“或许可将恒定不变的光速作为开展万有引力研究的切入点。”

我们通过观察得知，同一引力场中，物体具有相同的自由下落速度。然而，在人类目前已有的庞大的物理理论体系中，却无一能为这个（实验）现象提供理论支撑。

——阿尔伯特·爱因斯坦

那么，加速度与万有引力之间究竟有怎样的联系呢？物体在同一引力场中获得的加速度为何完全一致？带着对这些问题的深度思考，爱因斯坦即将迎来“人生中最美妙的一次顿悟”。

倒霉的油漆工

1907年11月的某一天，阿尔伯特·爱因斯坦静坐在专利局的窄小办公桌前，身子倚靠在椅背上，眉头微蹙，与往常一样，兀自沉浸于奇妙的物理世界之中。忽然，或许是因为太专注于思考，爱因斯坦一个不小心，竟连人带椅整个向后翻倒在地。就在这倏忽之间，一个念头从爱因斯坦脑海中闪过，他如醍醐灌顶，瞬间顿悟：“在自由下落的时候，我是感觉不到重力的，我是处于失重状态的！”

换言之，若爱因斯坦以其自身为参考系，在他以自由落体运动摔落的片刻间，他是静止的，处于相对运动状态的应是地板，地板向上运动，最后与他发生碰撞。在这一瞬间，爱因斯坦感觉自己仿佛飘浮于零重力的空间。由此，他意识到，从物理层面上看，在引力场中做自由落体运动应无异于在零重力的外太空做自由落体运动。

之后，他又去医院拜访了一位从屋顶摔落的油漆工，具体询问了他摔落过程中的感受，并从油漆工的视角对自己的失重观点做了一番详细解释。这个小故事虽富传奇色彩，但科学历史学家们普遍认为，这位所谓的油漆工并不是真实存在的。

那是我人生中最美妙的一次顿悟……引力场只有一个相对存在……因为对于一个从屋顶自由坠落的观察者来说——至少在其当时所处的环境中——是不存在引力场的……

——阿尔伯特·爱因斯坦

让我们一起来思考一下爱因斯坦提及的那位倒霉的油漆工所经历的状况。事发当天他穿着夹克，头上还戴着防晒用的帽子，从楼顶坠落的时候，身上的衣物和手里的油漆刷也跟着他一起掉下楼了（见图10.3）。油漆工和他的随身物品正以1-g的加速度朝地面自由下落。

10.3　爱因斯坦的顿悟
油漆工从屋顶坠落，他感觉自己的身体以及随身物品都好似飘浮在空中。为什么呢？因为所有物体都以相同速度下落，而置身密闭空间（由虚线勾画）的他无法判断自己究竟是在引力场中自由下落（a），还是在零重力的外太空自由下落（b）。

什么是1-g？在地球表面，物体自由下落的加速度大致为32英尺/二次方秒（约9.8米/二次方秒），这就是加速度1-g。在此加速度下，油漆工下落的起始速度为0，一秒之后，他相对地面的相对速度增至每秒32英尺，两秒之后，增至每秒64英尺，三秒之后，增至每秒96英尺，以此类推。

按照伽利略的自由落体定律，油漆工的油漆罐、油漆刷和帽子将以相同的速度以及相同的加速度1-g向地面下落（忽略空气阻力）。从油漆工的视角看，他自己是静止的，地面则以1-g的加速度朝他快速趋近。同时，在自由下落的过程中，他眼中的油漆罐、油漆刷和帽子也都是静止的。实际上，在下落过程中，油漆工是感受不到引力的存在的，他始终处于失重状态。

在空气阻力忽略不计的情况下，假如下落的观察者随手扔出一些物体，不管这些物体有怎样的化学或物理特征，它们都将与观察者保持相对静止或相对匀速运动状态。这位观察者有权将自己的状态解读为“静止”。

——阿尔伯特·爱因斯坦

现在，我们将油漆工以及他的油漆罐、油漆刷和帽子统统塞进一个密闭盒子（如图10.3中的虚线所勾画），如此一来，油漆工便无法察觉自己所处的周遭环境。他看不到周围飞速掠过的房屋，看不到头顶急速远离的蔚蓝天空，也看不到越来越近的粗糙地面。

在这短暂一刻间，原本的惊惧如潮水般退去，取而代之的是升腾的希望：“或许我并没有在下坠，或许我正和我的油漆罐、油漆刷、帽子一同在外太空飘浮游荡。”遗憾的是，即便他拒绝接受现实，片刻之后他还是会猛烈地撞落到地面上。

现实残酷，但这位油漆工看似幻想的美好希冀却是有其物理依据的。若他飘浮在零重力的外太空，他势必感觉失重，而他的随身物品也将飘浮在他身旁，就像在地球上坠楼时那样。爱因斯坦瞬间领悟，置身密闭盒子的油漆工是无法判断他究竟是在地球做自由落体运动，还是在外太空飘浮游离。

现在的关键在于解释以下这个问题：为什么在坠落地面的过程中油漆工会感觉失重？因为他的自由落体加速度抵消了重力的作用。由于两者产生的物理效用等同，所以它们可相互抵消。换言之：

加速度与万有引力是等效的。

这又会产生什么结果呢？在油漆工下落的过程中，万有引力为0，也就是说，在自由落体运动中，不存在万有引力，这就是为何从地球坠楼等效于在外太空飘浮的原因。在这两种情形下，万有引力造成的影响为0。

为什么呢？因为在自由落体过程中，加速度与重力相抵消。

爱因斯坦意识到，在密闭系统（如密封盒子）中，观察者无法判断自身是在恒定引力场中自由下落，抑或是在零重力的外太空飘浮。

这是否意味着在自由落体过程中万有引力消失了？难道爱因斯坦是在告诉我们，当我们从飞机上跃身跳下并自由落向地面时，万有引力是不存在的？这可能吗？如果这是真的，使我们下落的又是哪个力呢？

下落时，除非你携带跳伞装备，不然你将会有一番迥异于日常的体验——你会感觉失重。你还能在哪里体验到这种失重感呢？零重力的外太空。这两个物理效应是一样的。这就是爱因斯坦所主张的观点。

不过，以你自身为参考系时，你是静止的，地球则加速朝你逼近。在此自由落体状态中，对于你而言，万有引力的效果确实等于0，并且，从你的角度看，地面正快速上升，逐步向你靠近。

接下来，就让我们从另一角度对等效原理进行解析。

外星人绑架测试

“这些外星人长得可真奇怪。”亚里斯托克斯跟指挥官感叹道。

“是啊，你看，他们的头怎么这么小！”指挥官伊戈涅特兹里布拉波普回应道，“不过，他们就是用这么小的脑袋发展出了核技术的基本类型，我们还得向他们学习才是。”

“他们以为，我们是用圆盘状的太空飞船进行星际航行的，他们把我们的飞行器称为‘飞碟’。他们到底是怎么想出这么个名字的？”亚里斯托克斯说道，“要是他们能见到我们的火箭飞船，肯定会觉得我们的设计还挺符合他们的传统。对了，你知道在他们的想象中，我们长什么样吗？可好玩儿了！瘦弱枯槁的躯体，顶着圆胖的大头，双眼又大又凸。他们怎么……”

“好了，等会儿再说吧。”伊戈涅特兹里布拉波普说道，“现在准备远程瞬间传送。”

这两位远征探险家来自距地球37光年之远的双子星座星系，他们的定居之所是一颗围绕行星而动的巨大卫星。他们关注地球已有一些时日。为了更深入地了解人类，他们决定施行一个周全的绑架计划。

假设你现在依旧在我的课堂上，正和其他同学一起认真听讲。此时，教室的所有窗户都被盖上厚重的幕帘，唯一的出口也被封锁了，屋外发生的一切我们均不得而知。

接到指令后的亚里斯托克斯立即启动远程瞬间传送程序。眨眼间，我们已然置身外星人的飞船、置身零重力的外太空，加速前往他们定居的卫星。（见图10.4）

图10.4　外星人的绑架计划
我们究竟是在地球上的教室里，还是在以1-g的加速度飞驰于外太空的飞船中完全相同的教室里？

不过，我们并未感觉到有任何改变。外星人在飞船上也建造了一个教室，这个教室与地球上我们讲课用的那个教室一模一样，桌椅、天花板、地板、墙壁甚至连黑板上的板书也分毫无差。飞船教室里的空气也全盘复制了地球上的空气，相同的温度、相同的化学构成。外星人十分细致，没有遗漏任何细节。

万有引力的情况又如何呢？火箭飞船此刻正疾驰于外太空，远离一切星体，显然不受万有引力的影响。如此说来，我们岂不应该失重飘浮在教室地板上方？

但是，你会发现你依然安坐在座位上，而我也好好地站在地板上，一切都与我们身处地球重力场时毫无二致。为什么会这样呢？因为为了完全模拟出地球重力场的效果，指挥官伊戈涅特兹里布拉波普将飞船的加速度设置为9.8米/二次方秒，即1-g。

有什么方法可以帮助我们判断我们身处何地吗？究竟是地球表面的教室，还是以1-g的加速度飞驰于外太空的飞船中的教室？

假设我们手头有一切我们想要的科学设备和科学仪器，但有一点，我们不可观察教室外部或测量教室外部的一切物理现象。比如我们不可揭开幕帘望向窗外，也不可打开教室的紧闭大门。同样，我们无法收到来自教室外部的任何信号，如电话或无线电广播。

所以，到底有没有什么手段可以帮助我们判断我们所在之处究竟是地球还是外星人的飞船？ [1]

不得已，我开始向学生求助，询问他们是否能想出办法辨别万有引力和加速度，而我收到的最普遍的建议是，让物体自由下落到地板上。

假如我们是在地球上，当我们放开手里拿着的物体，毋庸置疑，物体会下落到地板上。但是，如果我们是在加速航行的飞船上，当我们放开手里的物体，物体依旧会落到地板上吗？让我们再给这个实验增添点趣味吧！假设我们丢出的是两个质量不同的物体——较轻的小球和较重的立方体，又会发生什么状况呢？（空气阻力忽略不计）

地球表面的教室（静止于地球万有引力场中）

我们身处地球表面的教室。我抓着两个物体，伸直双手放在身前，然后放手。你可以用摄影机拍摄记录这个实验。根据伽利略的相对性原理，摄影机将拍到较轻的小球和较重的立方体同以1-g的加速度垂直下落（如图10.5所示），并且于同一时刻落至地板上。

图10.5　地球表面的教室
两个轻重相异的物体以同样的加速度垂直下落至地板（空气阻力忽略不计）。
（可在marksmodernphysics.com查看此等效原理的动画演示。）

加速火箭上的教室（位于外太空——万有引力为0）

我再次拿起两个物体，伸直双手，然后放手。这次会发生什么事情呢？

这一次的状况稍微有些棘手。小球和立方体均飘浮于零重力的外太空，不过，飞船的地板正以1-g的加速度向物体靠近。

让我们从两个不同的视角来剖析这一问题——飞船之外与飞船之内。

在飞船之外观察这一情景。假设宇航员劳拉正飘浮静止于飞船外的无垠太空，飞船正从她眼前加速飞过。

宇航员劳拉用她手中的摄录机拍摄记录这个实验。摄录机拍到的画面是怎样的呢？摄录机呈现的画面是，小球与立方体悬浮于空中，飞船的地板则向上加速运动，朝物体趋近。（如图10.6所示）

图10.6　飞船之外的视角——火箭以1-g的加速度在外太空加速前进
劳拉手中的“静止”摄影机记录到，被释放的物体均悬浮于空间，静止不动，而地板则向上运动，朝物体趋近。然而，在飞船中的学生们眼中，却是物体垂直下落至飞船地板。
（可在marksmodernphysics.com查看此等效原理的动画演示）

在飞船外的劳拉看来，被释放的小球和立方体处于静止状态，飞船则向上加速。她看到，太空飞船的地板向上运动，直至触碰到静止不动的小球和立方体。那么，地板向上运动的速度有多快呢？以1-g的加速度即9.8米/二次方秒向上运动。

在飞船之内观察这一情景。飞船中的我们要么站在地板上，要么坐在椅子上。从我们的视角看，我们与地板均保持静止，被释放的小球和立方体则朝下坠落。在我们看来，小球和立方体似乎均以1-g的加速度落到地板上。

在地球上，释放的小球和立方体以同样的速度加速下落到地板上；在飞船中，地板加速向上运动，趋近飘浮的物体。但是，在身处教室的我们看来，这两种情况是一致无异的。在地球上，我们看到物体自由下落；在飞船中，物体似乎也在自由下落。

事实果真如此吗？让我们来对比一下两部“位于内部”的摄录机——地球表面的教室内部以及飞船中教室的内部——记录的画面。我们会发现，两则画面展示的是一样的情况：小球和立方体一齐以1-g的加速度自由下落至地面。

其实，单从画面上我们根本无从判别两台摄录机中是哪一台记录了地球上的事件、哪一台记录了飞船上的事件。而这正是等效原理的核心内容——万有引力和加速度产生的物理效应是等价的。

此时的爱因斯坦已然领悟，等效原理之所以成立，其根源是伽利略的相对性原理，因为所有物体的下落速度是相同的。还记得吗，在我们所举的这个案例中，立方体重于小球。在地球上，正如伽利略的理论所预测的，它们将同时落至地面。在加速的飞船上，它们一经释放，便一同悬浮于外太空中，因此，在飞船中的人们看来，轻重不同的两个物体会像在地球上一样，同时下落到地板上。

要是伽利略的理论是错误的呢？要是较重物体的下落速度快于较轻物体呢？倘若果真如此，在地球上，较重的立方体的下落速度应较快，将先于较轻的小球落至地面。但是，在外太空，小球和立方体将照旧一同悬浮。假如这些均成立，我们就可以清楚地将加速度和万有引力区分开来了。

如果立方体先于小球落至地面，我们即刻就能断言我们身处地球；如果立方体和小球一同落至地面，我们则可清楚得知，我们身处于外太空中加速航行的飞船中。

但是，小球和立方体（一切物体无论质量皆是如此）的下落速度确实是相同的（忽略空气阻力），而所有物体一到外太空也必然处于飘浮状态，所以，我们无从得知我们究竟是在地球的重力场中还是在外太空进行加速运动。等效原理成立。

因此，对于等效原理而言，伽利略的理论——不管物体的质量与构成成分如何相异，其自由落体速度都是相同的——是必不可少的理论根基。

爱因斯坦未改其一贯的大胆作风，于1907年提出，等效原理适用于一切物理现象。而这也为他提供了理论根基，让他有底气宣布，与匀速运动一样，加速度也是相对的。为什么呢？因为万有引力与加速度之间的区分“取决于选取的参考系”。从某一角度看应是万有引力的物理现象，从另一角度看可能可以诠释为加速度。

爱因斯坦从这一点出发，拓展了相对性原理，提出我们无从辨别某物理定律（以及代表这些定律的数学表达式）究竟是处于加速参考系还是处于重力参考系。

这一理论在数学层面的表达彼时尚未完成，但是爱因斯坦已然掌握了一个此前尚无人充分认识到的物理基本原则，而正是这个原则引领爱因斯坦对光的行为进行了全新的探索，并最终获得了全新的领悟。

电梯冒险

你要明白，我想弄清楚的是，当电梯掉落时，电梯里的乘客会发生什么事情。

——阿尔伯特·爱因斯坦写给居里夫人的信

“这太疯狂了，”比尔说道，“你简直就是在找死！要是电梯在下落的时候不小心断开了怎么办？电梯挂靠的那个悬崖牢固吗？要是不小心坍塌了呢？还有电梯四周的玻璃，肯定会碎的，你准备怎么处理？最重要的是，电梯落到地面的时候，你肯定会被压扁的！”

比尔的太太桑迪要到中国四川的张家界 [2] 旅行，准备搭乘当地十分有名的观光娱乐项目——百龙电梯（百龙天梯）。这部电梯建造在足有300米高的巨大峭壁上，是世界上最高、最重的观光电梯，每年都有成千上万的游客来此体验、乘坐。

那么，这有什么大不了的？为什么比尔如此激动？因为桑迪想尝试乘坐自由下落的百龙电梯。

政府当局正准备拆除这引起舆论争议的电梯，人们觉得它破坏了张家界国家森林公园中壮丽山体的原始风貌以及这处世界自然遗产的完整性。

桑迪天生热爱冒险，她觉得这是一个机会，或许这将是她一生中最惊险刺激的经历。她成功地说服相关部门在拆除电梯之前，让其中一部电梯不系带任何缆绳或附加装置，从顶部自由下落至地面。她为何拥有如此巨大的能量，竟能说服当地政府同意这样一个极其疯狂的计划？因为她提出，这是一个实验，一个可以展示并验证爱因斯坦的等效原理的实验。

空中跳伞、高崖跳伞、蹦极，桑迪都尝试过了，她甚至还试过不带降落伞从飞机上径直跳下，高速俯冲到她的跳伞搭档旁侧，伸手抓住他，然后两人一起降落。比尔常责备桑迪做事脱线，不顾后果，但不知怎的，桑迪似乎天生少了恐惧高空这个基因。

与桑迪相反，比尔喜欢踏踏实实地待在地上，他甚至都不怎么喜欢搭乘飞机。桑迪以往的冒险行为尚在比尔可容忍的范围内，但这一次显然超出了比尔的承受范围。

桑迪读了爱因斯坦有关等效原理的著作，跃跃欲试想测验其真实性。所以，她决定在百龙电梯拆除之前，叫上她从前合作的飞行伙伴，在现实生活中进行一次实验。

他们对电梯的几个关键部位进行了增强改装，在电梯四周加装侧撑杆和肋板，并在电梯底部系上一组充了气的大气球以缓解落地时的冲击。他们还为桑迪贴身打造了一个塞满软性材料的护具，让其可以在落地之前爬进去。桑迪也从附近一个大学的物理实验室借来了必要的实验装备，一个激光发射器，一个检测器，两台精密摄录机以及两台分光仪（用于测量光的频率的仪器）。

“冷静点，亲爱的，”桑迪宽慰道，“我们对每一个环节、每一个细节都进行了彻底的检查。我们还安装了一个备用降落伞以防万一，而且，在实验正式施行之前，我们将进行三次事前测试，确保万无一失。对了，我们还在电梯里安装了加速计，测量地球引力。”

比尔明白，桑迪铁了心要进行这次实验，最后，他只能无奈同意，并负责地面的测量工作。他不忍心观看实验，却又不忍心不在场守护桑迪。

桑迪和她的团队进行着最后的准备工作。他们给电梯装上结实的架杆和尾架，安装更厚、更重的玻璃门，搭建好护具，最后再装上备用的降落伞。一切准备就绪。

在一开始的事前测试中，他们发现虽然底部的气球卸去了大部分的冲击力，但也很难确保电梯玻璃在坠地时不碎裂，所以，在气球之外，他们又在电梯底部安装了一个弹簧装置。测试结果显示，这个装置十分奏效，电梯落地停下后不会再引发连锁事故。

桑迪究竟想通过演示论证什么？万有引力对光的作用。她的团队在电梯的一面墙上装配了激光器，并在其对面的墙上装上相应的检测器。实验的计划是，在电梯释放的瞬间启动激光器，然后观察光的传播路径。放置于电梯内部的特制摄录机将完整记录下光的传播路径，到时电梯内将释放一种特殊的烟雾混合剂，确保光束肉眼可见。（空气阻力忽略不计。）

在电梯下落的过程中，地面上的比尔将用他的摄录机拍摄下电梯中光束的传播路径。那么问题来了：电梯里的桑迪观察到的光束传播路径与地面上的比尔观察到的路径是否一致？

从桑迪的角度看——等效原理提出，自由落体等效于自由悬浮，因此，在自由下落的桑迪看来，她自身和电梯里其他未固定的物体将处于失重状态，如同飘浮于外太空。

一切就绪。桑迪和电梯都已在悬崖顶端，她竖起大拇指，表示已做好准备，于是，工作人员绞断缚住电梯的缆绳，令其自由下落。桑迪感觉脚下的电梯地板瞬间踏空。

“呀！”她在半空中欢呼。电梯中，激光器即刻启动，小铁罐持续释放烟雾，激光束的传播路径显露分明。桑迪看到光束以水平直线从电梯的一端传播至另一端的检测器（如图10.7所示。为清晰起见，图中描画的是单一光子的运动路径）。

图10.7　电梯中的桑迪视角——电梯自由下落至地球表面
根据等效原理，自由落体等效于零重力环境中的自由飘浮，因此，在桑迪看来，电梯中的所有物体同她一样，均处于静止的自由飘浮状态，因此，光子从发射器沿直线传播至检测器。

位于地面的比尔又将观察到何种情景呢？他看到电梯不断加速，朝地面径直而落，他极尽所能地按捺狂躁的心，迫使自己冷静，用摄录机拍下电梯里发生的一切。他观察到的光束传播路径又是怎样的呢？他看到光子以曲线路径从电梯一端的发射器传播到另一端的检测器（如图10.8所示）。

图10.8　电梯外的比尔视角——电梯自由下落至地球表面
在电梯下落的过程中，光子从发射器沿曲线传播至检测器。
光束的弯曲是加速度的作用——根据等效原理，也就是万有引力的作用（图示放大了弯曲弧度）。

在这两种情况下，光子都从发射器传播至检测器。从桑迪的视角看，发射器和检测器均处于静止状态，所以，光子以直线在两者之间传播。

不过，从比尔的视角看，发射器和检测器均加速朝下运动。这便是问题的关键所在：光子从电梯一端的发射器传播至另一端的检测器所经过的时间十分短暂且有限，而在这期间，电梯处于不断加速下落的运动状态（在比尔看来），所以，当光子传播抵达检测器时，检测器所处的位置应低于光子发射瞬间检测器所在的位置。因此，光子必须以曲线传播，必须向下弯曲方能与检测器交会。这就是比尔所见的情景。

也就是说，光子一经发射器发出，也会做自由落体运动。在比尔看来，光子在加速运动的电梯中是沿曲线进行传播的。

这意味着什么呢？正如比尔所见，电梯的向下加速导致了激光束的曲线传播路径，根据等效原理，加速度与万有引力等价，因此，比尔仿照爱因斯坦在1907年所提出的理论，做出如下结论：

光束在重力场中发生了弯曲！

致读者：由于光束传播的速度极快，该电梯光束实验并不具备实际可操作性，但是，就像光钟思想实验那样，它所展现的物理规律是坚实可靠的。重力场下的光束弯曲是确实存在的，只不过受电梯宽度所限，其弯曲弧度极其微小。

桑迪的电梯呼啸而落，底部的弹簧装置和气球群组与地面发生剧烈碰撞，发出巨大而沉闷的响声，电梯只轻微弹跳了几下便在地面安稳静止了。守候在地面的人群屏住了呼吸。只见桑迪从厚重的护具里探出一只手，虚弱地挥了挥。人群之中响起了欣喜的欢呼声。

桑迪从护具里爬了出来，伸手推开电梯门，带着满脸的微笑朝比尔狂奔而去，给了他一个大大的拥抱。

令人意想不到的是，桑迪在与丈夫短暂拥抱之后，立即转身走进了备用电梯。

“你要干什么？”比尔在身后焦急地喊道。

“我想利用朝下指的激光来论证重力时间膨胀效应。亲爱的，麻烦你赶紧帮我设置好分光仪，然后留在地面仔细观察电梯中的光束传播情况。”

激光光束朝下发射。团队成员将激光发射器固定到备用电梯的天花板上，发射方向垂直向下，同时，在电梯地板上安装激光接收检测器。设备准备就绪后，电梯升到悬崖顶端，然后断开固定的绳索，且在同一瞬间启动激光发射器。

电梯自由下落，失重感再次席卷而来，桑迪又一次感觉仿佛置身外太空。她看到激光束垂直向下传播至地板〔如图10.9（a）所示〕。

图10.9　垂直向下的激光光束——电梯自由下落至地球表面。
（a）根据等效原理，内部视角等价于零重力下的自由飘浮，所以光源（即激光发射器）与桑迪处于相对静止状态，在她看来，光的频率不发生任何改变。（b）自电梯外部看，光源加速趋近比尔，所以在他看来，光的频率变高（蓝移效应）。

激光束如火般红艳，桑迪使用安装在电梯内的分光仪记录激光的频率，设备的测量数据显示，激光的波长为0.6238微米，符合氦氖激光发射器的预期设定值。

静立于地面的比尔又将看到什么呢？他在激光光束传播至电梯地板的瞬间测量了激光光束的频率，只不过，在比尔看来，激光发射器正随着电梯向下加速运动，也就是说，比尔观察到激光束的光源，即激光发射器，正逐步朝他趋近〔如图10.9（b）所示〕。光源朝比尔方向的移动将引起多普勒效应。

多普勒效应描述的主要内容是，光的频率（及颜色）受相对运动的影响而发生改变。光源移动越趋近观察者，光的频率越高；光源移动越远离观察者，光的频率越低。（光速不受相对运动的影响。）

由于激光发射器正朝比尔加速运动，比尔将看到光束颜色逐渐变化趋向光谱的蓝色一端（蓝移现象），且他的分光仪测量得出的激光频率高于桑迪的测量结果（频率越高，波长越短）。从比尔的视角看，电梯处于加速向下的运动状态，而它的加速度同样等于地球的万有引力（即重力）。因此，他（像爱因斯坦那样）得出结论：

万有引力场影响光的频率。

根据普朗克和爱因斯坦的理论，光的频率与其能量成正比，因此，万有引力也会影响光束的能量。

为了更好地理解其原理，我们来看两个例子。

蓝移：假设在零重力的外太空，有一艘静止的宇宙飞船向地球发射一道光束，地球上的我们将观测到光束频率变高，即向电磁频谱的蓝色端移动。为什么？因为在穿越地球重力场、朝地球趋近的过程中，光束获得了能量。

反之亦然。

红移：假如是由地球向外太空发射光波，情况又将如何？在克服地球重力场、向外太空移动的过程中，光束失去能量，所以，外太空的观察者将观测到这道来自地球的光束的频率逐渐变低，即向电磁频谱的红色端移动。这就是引力红移效应。

可想而知，爱因斯坦在初次发现万有引力可影响光波频率时该有多么兴奋！何出此言？因为这一发现对于认识时间的本质具有深刻启示。

万有引力作用下的时间弯曲

如前所述，光是一种以规律间隔上下波动的电磁波，因此，电梯里发射的激光光束的频率可划分出相等的时间间隔，正如嘀嗒作响的时钟（时间记录精度极高的原子钟就是据此原理设计制作的）。

对于下落电梯中的桑迪而言，光束的频率与预期一致。以其自身为参考系，时间的流动正常如故。

但是，对于比尔而言，电梯中激光的频率更高，所以，从比尔的角度看，以其自身为参考系，电梯里时间的流速快于地面时间的流速。

而根据等效原理，加速度产生的物理效应与万有引力所产生的等价，因此，爱因斯坦的电梯思想实验可得出一个意义极其重大的结论：

万有引力影响时间的流动！

在牛顿构筑的物理宇宙中，地球上的一秒与外太空中的一秒无丝毫差异——在无垠宇宙的任何角落，时间都是绝对的，它总以相同的速率流逝。爱因斯坦先持狭义相对论这柄利剑对这一断言发出挑战，提出空间的相对运动将减缓时间流速；而今，他又以等效原理为理论基础，预言万有引力场也将减缓时间流速。在爱因斯坦构筑的宇宙时间中，时间是相对的——归因于运动和万有引力的双重影响。

比如爱因斯坦预测，地球表面的时钟比静止飘浮于零重力外太空的时钟一年累计慢0.02秒。事实上，地球上任何有关时间流速的事件，包括人类的衰老，均稍慢于外太空（其他条件相同）。

总而言之，爱因斯坦的等效原理以及电梯思想实验预测：（1）在万有引力场中，光束的传播路径将发生弯曲；（2）万有引力场将减小光波频率；（3）万有引力场将减缓时间的流速。

1907年11月，爱因斯坦在《放射现象与电子学年鉴》上发表狭义相对论的最新研究成果，并在论文的最后一个小节探讨了他对于万有引力的思考。他以等效原理为框架，第一次预测了引力场光波弯曲与引力场时间膨胀现象。

旋转的圆盘

至此，欧几里得几何学的整体框架已然摇摇欲坠。

——马克斯·玻恩

1912年，爱因斯坦迎来第二次顿悟——万有引力不仅影响时间，也影响空间。他的此番顿悟源自他的朋友、物理学家保罗·埃伦费斯特三年前的一次思想实验。

圆的周长除以半径等于2乘以π（约等于6.28）——这是欧几里得几何学中的一则基本公理，而所谓的“埃伦费斯特悖论”似乎违背了这道经典公式。

物理学家们对埃伦费斯特悖论当中的微妙之处仍存在争议。以下是其简化版释解。

假设现有一个不停旋转的圆盘，科学家诺亚正静止于圆盘上方（如图10.10所示），从他的角度看，圆盘的周长随着圆盘一同旋转。根据狭义相对论，运动中的物体的长度将沿其运动方向发生收缩（即长度收缩效应），因此，在诺亚看来，比起静止状态，圆盘的周长似乎收缩了。

图10.10　旋转的圆盘。
在静止的诺亚看来，由于长度收缩效应，圆盘周长有所缩短，而半径却无变化，也即于他而言，圆周长与半径之比不等于2乘以π。

而圆盘半径始终垂直于圆盘的运动方向，所以，根据狭义相对论，半径的长度不受圆盘运动的影响，不发生长度收缩。

因此，从诺亚的视角看，旋转圆盘的周长缩小了，半径则无变化。站在圆盘上空观察圆盘转动的诺亚得出了一个惊人的结论，圆的周长除以半径不等于2乘以π，而是略小于2乘以π、略小于6.28！

以这个小小的圆盘为支点，狭义相对论似要撬动欧几里得几何学的根基。换言之，从某种意义上讲，旋转圆盘的相对运动引起了空间的弯曲。

1912年，业已掌握等效原理的爱因斯坦，在埃伦费斯特所述的这个旋转圆盘思想实验中洞见了强而有力的深刻内涵：圆盘圆周上的任意一点，其旋转速率不变，但旋转方向时刻变化。如前所述，物理学中的加速度指的是速度在运动快慢或运动方向上的变化，因此，圆盘周长具有加速度。根据等效原理，加速度产生的物理效应与万有引力所产生的等价，所以，爱因斯坦推断：

空间在引力场中发生了弯曲。

为了更好地理解这一点，请再想一想在诺亚眼中发生了长度收缩的旋转圆盘的周长。爱因斯坦告诉我们，是空间本身发生了收缩、弯曲或改变。更确切地说，是空间中两点之间的距离在旋转运动、在加速度的影响下发生了改变。

而根据等效原理，在万有引力场中，这一切依然成立。

这又是怎么一回事呢？想象一下，你正置身某处零重力的空间，测量该空间中某两点之间的距离。然后，你将完全相同的两个点沿着引力方向放置到引力场中，结果发现，从远处看，此两点之间的距离测量数值竟发生了变化。

请回想一下第九章中那支垂直地面放置的钢笔，离地球表面越近，其测量长度越长（从远处看）。这个所谓的空间延展现象其实就是引力场中空间弯曲的另一个例证。

通过等效原理、电梯思想实验以及埃伦费斯特悖论，爱因斯坦提出，引力场中空间和时间都将发生弯曲。

事实果真如此吗？在下一章节，我们将看到爱因斯坦这一颠覆性假设的有力实证。

注解：

[1] 　地球自转的影响忽略不计，因为此时我们关注的是地球的万有引力场。

[2] 　张家界是湖南省辖地级市，位于湖南西北部，此处为原著误。——编注

第11章
空间与时间弯曲后会发生什么

不管你如何聪明，不管你的理论如何精彩，只要它与实验证据相悖，那它就是错的。

——理查德·费曼

转眼已是2525年，人类依然坚守于地球，繁衍生息。我们这个种族极具智慧，却调和不了内部处处充斥的冲突矛盾，但无论如何，我们还是在种种危机——核战争、气候变暖、海洋酸化、平流层臭氧耗竭、氮磷循环失衡、生物多样性丧失、全球性病毒、全球性污染、全球性饥荒、水资源严重枯竭、小行星撞击、特级地震海啸、火山爆发、身体萎缩、人口爆炸、手机短信以及毫无营养的社交推文中顽强地生存了下来。

在这个未来世界里，走时极度精确的腕表成为新近流行的时尚单品，这些令人惊叹的计时器采用的是最先进的夸克分离技术，就连制作最精密的原子钟也比不上其精确度。上了年纪的人觉得这样的产品毫无意义，年轻人却竞相追捧。

一群青少年正在为即将到来的冰上表演勤加练习，他们个个手上都戴着夸克手表。其中有一个名叫利瓦伊的16岁大男孩，他对科学研究兴趣浓厚，自幼儿园起便开始在“第一物理”课堂学习相对论，如今热衷于自己做一些小实验。

利瓦伊召集了九个朋友，一群人浩浩荡荡一起前往当地的室内溜冰场。利瓦伊让他的朋友们穿上溜冰鞋，同步手上的夸克表，然后手拉着手排成一横排，开始旋转滑行，他自己则静立在场边，观察他们的运动情况（如图11.1所示）。

图11.1　思想实验——离心加速度令时间弯曲
几圈旋转之后，时间变得不再同步。旋转的速度越快，时间变得越慢，因此，外圈溜冰者的手表走得最慢，中心溜冰者的手表受到的影响最轻微。

持续旋转几分钟之后，他们停下来，观察各自的夸克表。他们惊奇地发现，他们的超级手表所显示的时间竟已不再同步，与利瓦伊一直处于静止状态的手表相比，他们的手表稍微慢了一些。事实上，手表的快慢程度与他们在队列当中的位置息息相关。站在队列最中间的阿卜杜勒发现，他的夸克手表受到的影响最小，而位于队伍首末两端的默里和玛丽则注意到，他们的手表变得最慢。

利瓦伊十分激动。“这个实验结果和我预想的一模一样！”他的声音竟有些颤抖，“阿卜杜勒，你在圆圈的最中心，所以你的运动位移最少，这也是为什么与我的手表相比，你的手表受到的影响最小。默里和玛丽，你俩站在最边上，所以你们的运动速度保持最快才能保持圆周的完整。”默里和玛丽喘着粗气，点头表示赞同。

“时间的流逝速度随着空间中的相对运动而减缓，”利瓦伊解释道，“运动越多，减缓越多。这就是你们的手表变慢的原因所在。爱因斯坦预言的时间膨胀效应是真实存在的！”

有几个朋友觉得这个实验纯粹是在浪费时间，他们把这个想法如实告诉了利瓦伊。玛丽听后说道，“我倒是有一个想法。课上老师说，我们在冰面旋转时，其实是在做加速运动。”

“真的吗？”代市罗子疑惑道，“我还以为只有速度有所增快才是加速运动呢，比如踩了油门的汽车。”

“没错，不过除了速度变快，加速度也包括减速和方向改变。”玛丽解释道。

“这也太奇怪了吧！”卓尔斯说。

玛丽没有搭理卓尔斯的大惊小怪，继续道：“我们伟大的先人爱因斯坦还提出过等效原理对吧？他认为，加速度等价于万有引力。”利瓦伊点头附和。“所以，假如是我们的加速度导致了时间的变慢，那我们应该也可以认为，是万有引力引起手表变慢。”

利瓦伊补充道：“而且，你在引力场中的位置越靠下，你的手表变得越慢。”玛丽对利瓦伊报以赞许的微笑。“我之前怎么没注意到她呢？”利瓦伊暗忖。

利瓦伊和玛丽成功地说服队友参与另一个实验，就连卓尔斯也在低声抗议几句后点头同意了。完成滑冰练习后，小团体成员们拖着疲累的步伐搭乘巴士去市区。一到市区，他们便直奔著名的闵可夫斯基时空纪念大厦，该建筑高达90层（如图11.2所示）。

图11.2　地球高楼里的时间
根据等效原理，引力场中位置较低处的时间比位置较高处的时间流逝得慢。

他们聚集在一层大厅，再次集体调整夸克手表以同步时间。利瓦伊留在大厅，其他人搭乘电梯上楼。按照计划，阿卜杜勒前往10层，默里前往20层，玛丽在30层，以此类推，去往最顶层90层的是卓尔斯。他们在各自所在楼层边听音乐边做作业，几个小时后下楼到大厅会合，接着就对比各自手表的时间。

那么，他们手表显示的时间究竟是否一致？（上下楼时的相对运动忽略不计。）

根据爱因斯坦的理论，引力场中较低位置处的时间走得比较高位置处的时间慢，因此，此时他们的手表时间快慢均不一致。从始至终待在一楼的利瓦伊受时间收缩影响最大，因为他离地球最近；在10层活动的阿卜杜勒次之，去往20层的默里再次之，以此类推，待在90层的卓尔斯所受影响最小，他的手表走得最快，因为在这些人之中，他在地球重力场中的位置最高。

“我们又一次重现了爱因斯坦的预言，”玛丽感慨道，“越往高处走，受时间收缩的影响就越小。刚才待在30楼的时候，就连我的心跳都比待在楼下的人跳得快。不过老得最快的不是我，是卓尔斯，因为他在最高层。”

“没错，就是这么一回事。”利瓦伊说，“我的心跳跳得最慢，老得也最慢，因为我就在一楼，这可以算是地球重力场中最低的位置之一了。”

就连卓尔斯都发出了惊叹。“你是说，住在海平面位置的人比住在山顶的人老得慢？”

“是的，你终于明白过来了！”玛丽说道，“在忽略其他因素比如气候和环境对人的影响的前提下，住在高处的人老得比较快。这就是‘引力时间膨胀’效应。”

爱因斯坦的预言

1907年，爱因斯坦以等效原理为理论基础，第一次断言称，光的频率，也即时间的流动受引力场影响。爱因斯坦此番革命性的顿悟实在太过超前，还得等一等发展前进中的科学技术追赶上来，方能验证其正确性。直到52年后，引力时间膨胀才被首次证实存在。

哈佛高塔实验

假设现有一频率固定不变的光束，爱因斯坦认为，若从高处向地球发射该光束，地球上的观察者测量得到的光波频率较高；若从地球往高处发射该光束，高处的观察者测量得到的光波频率较低。

1959年，哈佛大学的物理学家罗伯特·庞德和G．A．雷布卡着手实验，以检验爱因斯坦的预言。杰弗逊实验室顶部有一个高22.5米的塔楼，他们在塔楼底部放置了一个由放射性铁（57 Fe）制成的光源，同时，又在塔楼顶端安装了同样由放射性铁制成的接收检测器。

图11.3　哈佛测试验证了引力场红移——较低高度的时钟走得较慢
测试结果与广义相对论的预测相符，精确度高达99.9％。

理论上讲，在光束克服地球重力向上传播的过程中，其频率应有所减少。而两位物理学家就是要对此减少量进行测量（如图11.3所示）。

他们还反过来重复了实验——将放射性源放置于塔顶，放射性检测器安装于塔底。如此一来，在光束沿着地球重力场向下传播的过程中，其频率将增加。两位物理学家取两次实验的平均值作为最后的实验结果。

爱因斯坦预测，22.5米的距离下，地球重力场引起的光波频率变化值应为一千万亿分之二点四五（2.45×10-15 ）。庞德与雷布卡的实证测量数据与爱因斯坦的预测结果相符，仅有10％的误差。1964年，庞德和J．L．斯奈德再次重复实验，将数据误差缩小至1％。

正如前文所述，我们可以把光的频率当成时钟，换言之，引力红移应等价于引力时间膨胀，用于论证引力场减小光波频率的实验数据同样可用于验证引力场减缓时间流速这一理论假设。

此后，还有许多实验和观测数据证实了爱因斯坦的预言，下文仅罗列二三。

飞行时钟

1971年深秋，两位科学家用真实（而非存在于思想实验中）的时钟展现了引力时间膨胀效应。来自圣路易斯华盛顿大学的约瑟夫·C．海福乐以及来自美国海军气象天文台的天文学家理查德·基廷在几架全球环航的商务飞机上放置了几个极其精确的铯原子钟。

他们必须考虑两个效应：（1）狭义相对论的预测，即处于运动状态的飞机上的时钟走得比在地上静止的时钟慢；（2）广义相对论的预测，即由于所处高度较高，随飞机航行的时钟走得较快。在这两个影响因素中，高度居主导地位。海福乐和基廷得出的数据与爱因斯坦的预测相吻合，误差仅在10％左右。

火箭时钟

1976年6月8日，哈佛大学史密森尼天文物理观测台的罗伯特·维索特和马丁·莱温在巡航者-D火箭上放置了一个最新发明的氢微波激射器原子钟，并将其与地面上的同款原子钟进行对比（如图11.4所示）。该实验证实了爱因斯坦在狭义相对论和广义相对论中关于时间弯曲的预测，误差只有百万分之七十！

图11.4　搭乘火箭的时钟证实了相对运动和引力作用下的时间膨胀效应
1976年，史密森尼天文物理观测台的罗伯特·维索特和马丁·莱温将地面上的时钟与巡航者-D火箭前锥体中的时钟进行了比较。

标准时间

如今的原子钟为了达到世界标准时间的精确度要求，必须将引力时间膨胀效应考虑在内。比如位于科罗拉多州落基山脉大圆石山麓的美国国家标准局里有一个原子钟，该原子钟所处海拔约为5 400英尺（约1 646米）；在伦敦泰晤士河畔的大不列颠皇家格林尼治天文台里也有一个一模一样的原子钟，不过，这个原子钟所处的位置几乎与海平面齐平，海拔仅为24米。

正如爱因斯坦的广义相对论所预测的那样，所处海拔更高的科罗拉多州原子钟每年比格林尼治的原子钟多5微秒（一百万分之五秒）。

全球定位卫星（GPS）

现今的全球定位卫星无时不在验证引力时间膨胀效应。根据广义相对论和狭义相对论，海拔高度和相对运动均会对时间流逝的快慢造成影响，基于此，为与地面的时钟实现同步，卫星搭载的时钟必然需要作出相应调整。假如全球卫星定位系统忽略了这些因素的影响，只需两分钟，其定位就会出现错乱。

实验室

1997年，三位物理学家——加州大学伯克利分校的霍尔格·穆勒、柏林洪堡大学的阿齐姆·彼得斯以及前加州大学伯克利分校的朱棣文——运用量子技术进行了一系列迄今为止精度最高的实验。实验的测量结果证实了引力时间膨胀效应的存在，其实验误差仅为十亿分之七！

因此，爱因斯坦所言的引力时间膨胀效应的确真实存在，而且，我们还将看到，时间旅行绝不仅是一个有可能实现的未来构想——它时刻都在发生。

与高度有关的时间旅行

“不行，我接受不了！”梅纳尔激烈地反对道，“他们才这么小，一点自保能力都没有。”

“亲爱的，你也知道的，这是法律规定的，双胞胎必须分开，”卡勒布劝慰道，“我们可爱的蒂娜要去的是中子山，那里肯定有许多家庭正翘首以盼孩子的到来，我相信他们一定会像我们一样好好照顾蒂娜的。况且，我们不是还有萨米吗？这是我们必须面对的，躲不掉也逃不掉。来，我们一起帮蒂娜做好出发的准备工作吧。”

富有的地表居民可以设法留下孩子，但梅纳尔和卡勒布家境贫寒，只能无奈接受法律的判决，让萨米和蒂娜这对双胞血亲一出生就经历分离。萨米将与父母继续生活在星球表层，蒂娜则会被送给定居高山进行拓荒的家庭抚养。

他们居住的星体叫中子体（从当地语言翻译成英文是为Neutronium），是超新星爆炸后的残余物，质量极大，密度极高，因此，该星体表面的万有引力远大于地球表面的引力。该星球表面的最高峰便是中子山，海拔极高。

该星球面临人口爆炸危机，大批居民被迫从星球表面移居到中子山峰顶。然而，由于中子山峰顶与星球表面的高度差过大，万有引力降低过多，定居于此的人们丧失了生育能力。

在该星球，双胞胎非常普遍，因此，法律规定，凡是双胞胎，出生之后只有一个可留在原生家庭，另一个必须送往中子山山顶，交由山顶拓荒家庭抚养。

中子山顶峰与星球表面过大的引力差还造成另一个重大影响——严重的引力场时间弯曲。山顶时钟走得比山脚时钟快两倍，这就意味着，山顶发生的一切与时间流逝有关的事件皆快于星球表面（如图11.5所示）。

图11.5　利用高度进行时间旅行。中子体星地表与中子山

星球表面的居民觉得自己所处的时间流速正常，而山顶处的时间流逝过快；山顶居民的看法则恰好相反，认为自己所处的时间流速正常，而星球表面的时间流逝过慢，流速仅为山顶时间的一半。

萨米在星球表面长大成人，他偶然得知自己有一个双胞胎妹妹就住在中子山上，于是他亲切地称呼她为蒂娜·峰顶。蒂娜也了解到她有一个双胞胎哥哥住在星球表面，她也给他起了一个昵称，叫萨米·地表。

按照中子体星的习俗，马上迎来30岁生日的蒂娜·峰顶即将正式成年。她富有的养父母十分宠爱她，为她举办了隆重的30岁成年礼仪式。

如今已是成人的蒂娜终于可以自己自由做决定，其愿望清单的第一项便是好好看一看这个星球的地表，看看那里究竟是怎样一番风貌。她一次用尽积攒了30年的礼品卡，向中子山天文观测台租用其最先进的天文望远镜，只不过她不用它瞭望幽深星空，而是朝下对准了星球表面。

虽说她早有心理准备，但真正目睹这一切还是让她深感震撼。地表的一举一动都仿似慢动作回放，无论是交通工具还是行人，其运动速度都仅为山顶的一半。“原来这就是书上所说的引力时间膨胀啊！”蒂娜·峰顶暗自感叹。

望着这番稍显诡异的画面，蒂娜心底突然涌起一个念头，很想见一见她的亲生父母和双胞胎哥哥。于是，她立马赶回家收拾行李，并且预订了最近一班下山的车票。

蒂娜·峰顶的地表之旅 [1]

虽然蒂娜先前也从书中了解过星球表面的社会状况，但是当她亲身踏足这片土地，其拥挤程度还是令她深感震惊。而且，她发觉身边车辆行人的移动速度并不似她在山上通过天文望远镜观察到的那样迟缓，红移现象也不复存在，事物的颜色显得十分正常。

她立即前往国家档案馆查找自己的出生证明、原生家庭状况以及其亲生父母的现居地。档案馆的工作人员依流程询问蒂娜·峰顶的出生年月，蒂娜回答：“3700年6月19日。”工作人员的脸上露出了不可置信的表情。这位工作人员才刚入职，此前还未碰到过来自中子山顶的定居者。此时的中子体星地表是3715年，这就意味着，按照蒂娜的出生年月，她应该才15岁，可她的自报年龄却是30岁，而且她看起来也正是30岁的模样。

蒂娜确定自己生于地表的3700年，只不过中子山顶的时间流逝速度是地表的两倍，因此，对于她而言，时光的脚步已然匆匆走过了30年，此时应当是3730年——然而，地表的年历上却分明写着3715年。显然，蒂娜·峰顶穿越了15年的光阴，回到了过去。

虽然蒂娜对这些时间效应早有了解，但此刻仍不免感到混乱。她努力恢复镇定，迅速走完程序办好手续，终于获得她想知道的信息——亲生父母的名字和他们现在的居住地址。“没想到手续还挺简单的。”蒂娜暗道。

蒂娜怀着满溢的兴奋和几分忐忑，前往档案馆提供的住址。方一见面，蒂娜的亲生母亲梅纳尔和亲生父亲卡勒布便止不住地掉眼泪，一把抱住了蒂娜。

“我的哥哥呢？”蒂娜·峰顶问道。

“哦，萨米练习微粒球去了，应该快回来了。”

言笑间，萨米·地表回来了。他一进门就发现家里来了一个打扮奇怪的女人。“我是你的双胞胎妹妹。”蒂娜抽泣着自我介绍道。

“双胞胎妹妹？可是……可是你看起来似乎有些老相。”萨米说。

“你现在几岁，萨米？”蒂娜问道。

“马上15岁了。”

“我30岁了。”蒂娜回答说。

“科学课上老师好像说过什么相对论，难道这就是它导致的？”萨米问道。

“没错，”蒂娜说道，“但无论如何，我们都是双胞至亲。”

萨米点了点头，给了双胞胎妹妹一个大大的拥抱。

蒂娜清楚，自己不能在这里久留。一方面是因为她的身体还无法完全适应地表的强劲引力，陡增的重量压得她筋疲力尽。另一方面是因为她自己也想尽快回归中子山顶的生活。

毕竟，待在山顶的亲朋好友正以两倍的速度衰老，她想在引力时间弯曲效应导致显著差异出现之前回到中子山。

她与定居地表的至亲一一告别，而萨米也许诺，会在自己30岁生日时到山上看望蒂娜。

萨米·地表的中子山之旅

萨米·地表30岁生日的中子山之旅会发生什么故事呢？动身出发之前，他先在地表找了一台天文望远镜观察中子山顶人们的生活。他看到山顶的车辆行人均以飞快的速度穿梭移动，就像一部二倍速播放的纪录片，并且望远镜中的图像都诡异地透着一层蓝光。

不过，待到亲身登上山顶，萨米发现周遭的一切其实都十分正常。事物运动的速度与地表无异，颜色也十分正常，全无蓝移现象。他迫不及待地拜访了双胞胎妹妹蒂娜，此时的蒂娜已是60岁的老人。自萨米出生起，山上的岁月已过去了60年。

从萨米和蒂娜出生到萨米踏足中子山峰顶，这期间的时间间隔在地表是30年，在山顶则是60年。对于萨米·地表而言，他仿佛穿越了30年的光阴，去了未来！

时间旅行悖论？

不知你是否听说过时间旅行悖论？所谓时间旅行悖论是指，若你通过时间旅行回到你出生之前的某个时间点，然后不小心杀死了你的母亲，但是，如果你的母亲在你出生之前就已经死亡，你又怎么会存在于这个世上呢？假如你不存在，你又如何能够回到过去杀死你的母亲呢？

我们成功地驳倒了伟大的爱因斯坦博士吗？我们竟然找到了他预言中的逻辑谬误？不，这显然不可能，他可比我们聪明多了。引力时间膨胀理论规避了时间旅行悖论。

根据爱因斯坦的理论，蒂娜·峰顶虽然可以回到过去，但她永远无法回到她离开地表之前的任意时间节点，因此，对于在那之前也即她出生之前发生的一切事件，蒂娜皆无力改变。不管中子体星的质能密度多大，不管引力时间膨胀相应对中子山顶的影响多大，她都不可能穿越回到她离开地表前的任意时间节点。因此，基础的因果逻辑关系得以维护，未遭任何破坏。

与地球有关的思考

当然，这只是一个完全虚构的故事，但它所展露的物理现象却是真实存在的。地球上，引力时间膨胀效应产生的影响微乎其微，因为地球的引力相对微弱。不过，只要我们所处位置的海拔高度发生改变，就会经历与蒂娜·峰顶和萨米·地表一样的时间旅行。只不过它们的效果实在过于微弱，我们无法察觉到它们的存在。

空间又如何呢？引力对空间又会产生怎样的影响？接下来我们就来看一看吧。

欧几里得已经不住在这里了

马克斯·塔木德与爱因斯坦家是世交，他在众多藏书中选中了《欧几里得几何学》，将其送给尚且年幼的阿尔伯特·爱因斯坦。书中展示的精妙逻辑和几何艺术固有的视觉冲击令年仅12岁的爱因斯坦如痴如醉，他将其称为“神圣的几何之书”，此后他还写道：“如果连欧几里得都无法点燃你的热情，那么你或许生来就不适合当科学思想家。”而彼时尚是青少年的爱因斯坦全然不知，他的伟大成就——广义相对论将彻底倾覆欧几里得几何学这幢恢宏的大厦。

图11.6　欧几里得几何学示例
（a）两点之间的最短距离是直线；（b）三角形的内角和是180°；（c）垂直于同一条直线的两条直线相互平行；（d）圆周长除以直径等于π。

在牛顿的理论中，欧几里得几何学无往不利（如图11.6所示）。1912年，爱因斯坦从旋转圆盘思想实验得出结论，引力可弯曲空间。这意味着，但凡万有引力存在之处，都会违背欧几里得几何学。

图11.7　球体表面的几何示例

欧几里得平面几何学适用于平面。倘若表面是弯曲的呢？比如图11.7中所示的球体，当仔细观察其表面的直线、圆形和三角形，我们发现：（1）三角形的三个内角之和不等于180。；（2）在平面中原本平行的两条直线相交了；（3）两点之间的最短路径不是直线；（4）圆形周长与直径之比不等于π。以上种种均与欧几里得平面几何相悖。

爱因斯坦推断，凡是存在万有引力之处都会与欧几里得几何相悖。由于一切物质和非物质能量——包括亚原子粒子、原子、分子、岩石、人、建筑、流星、彗星、小行星、月亮、行星、恒星以及银河系——皆为万有引力之源，因此，我们寄身的世界是一个非欧几里得的世界。

比如，太阳周长与其直径之比要比π小百万分之几，因为太阳的存在弯曲了其附近的空间。在质量更大的恒星身上，该效应将更加显著。

1919年爱丁顿日蚀观测队的观测结果首次验证了引力空间弯曲的存在。我们将在第15章中看到，它将证明广义相对论的正确性，并使爱因斯坦声名大噪。

下一章节

时间弯曲了，空间弯曲了。那么，质能影响下产生的翘曲度在数学层面又该如何呈现呢？这个问题难住了爱因斯坦。苦苦思索中，他将目光投向了他的数学老师赫尔曼·闵可夫斯基，投向了四维空间。经过谨慎思考，爱因斯坦决定收起自己无谓的自尊心，接受时空以及时空间隔是表现时间和空间弯曲的最好形式这一事实。这将是下一章节的讨论主题。

注解：

[1] 　上下山过程中相对运动对时间的影响忽略不计（狭义相对论）。

第12章
缝合时空

时空连续体只在很小的范围内符合欧几里得几何原理。

——马克斯·玻恩

1912年夏，阿尔伯特·爱因斯坦已依据等效原理在理论上确认了空间与时间弯曲的存在，眼下他所急需的是为此建立一个合理的数学模型。就在几年之前，他对庞加莱和闵可夫斯基提出的时空概念嗤之以鼻，认为那只不过是好奇心驱动下的纯粹数学产物，与物理毫无关联。

四年之后，爱因斯坦发觉自己错得离谱，他深刻地意识到，以四维时空为数学工具来表示时间与空间在万有引力场中的弯曲实为上佳之选。

同时，他也看出了等效原理的局限性，它只适用于无限时空中的有限区域——空间足够小且时间足够短。爱因斯坦将其称为局部时空区域。

聪明绝顶的爱因斯坦博士不把此理论限制视作阻碍，反而将其，当作发展广义相对论的关键利器。为将万有引力以统一形式进行表述，爱因斯坦提出须在数学层面“缝合”局部时空区域。

爱因斯坦又是如何想到此方法的？它有怎样的深层含义？在本章节，我们将再一次走进爱因斯坦的思想世界，领略他描绘的万有引力的绮丽的新图景。

怎样分辨我们所处的是地球还是火箭飞船

假设大家重返我的课堂，我们仍在试图分辨我们的教室究竟正静止于地球表面，还是身处正以1-g的加速度航行于外太空的外星飞船中。

事实证明，只要教室足够大，就有办法分辨我们所处的是地球还是火箭飞船。假设我站在教室的最左端，一名学生站在最右端，我们每人手里都拿着一个小球，之后，我俩同时于同一高度释放小球。

若从火箭内部看，这会是怎样一番情景？

于外太空（零重力）加速航行——两个小球一经释放，瞬间漂浮静止于同一位置，未有位移，我们则与飞船地板一起以1-g的加速度朝上加速运动。现在的关键点在于：由于两个小球是自由漂浮于外太空的，因此它们之间的距离不随时间而改变。因为小球所处的外太空不存在万有引力，所以它们将一直飘浮于同一位置，直到向上加速运动的地板与其相遇。

我们身处加速火箭内部，从我们的视角看，我们与火箭地板处于相互静止状态，两个小球看起来则正以1-g的加速度朝下加速运动。换言之，在我们看来，两个小球仿佛正同时落向地板。因两个小球只进行垂直方向的自由落体运动，所以它们之间的水平距离保持不变。

若在地球观察这一过程又会如何呢？

静止于地球表面——若在地球表面释放两个小球，毋庸置疑，它们会以1-g的加速度落至地面。但是，它们并非垂直下落，而且以微小的角度朝地球中心运动（如图12.1所示）。

图12.1　两个小球在地球上方水平分开
两个小球不会垂直下落，而是朝向地球中心下落，并随着时间流逝逐渐靠拢。
（右图大幅放大了下落偏角。）

我和学生离得越远，两个小球下落形成的角度越大。假如教室够大，小球朝向地球中心的向心运动是可以测量的。

因为两个小球同样朝向地球中心下落，因此它们相互汇聚，它们之间的水平距离将随时间的流逝逐步缩小。

太好了！我们终于知道该如何分辨自己身处的是地球还是加速运动的火箭。通过精确测量小球释放之前的水平距离以及落地后的水平距离，我们可能获得以下两种结果：（a）小球之间的水平距离落地前后保持不变；（b）小球距离变近了。

假如两个小球距离不变，说明我们正于零重力的外太空随飞船加速航行；假如两个小球下落后距离变近，说明我们还在地球。显然，在这种情况下，等效原理——万有引力产生的物理效应等价于加速度产生的物理效应不再成立。

但是，要是两个小球之间的间距足够小，它们下落的角度差便会微弱得可以忽略，而它们落体时的交会趋势也将变得微不足道。因此，在足够小的房间中，等效原理依然奏效，人们往往很难分辨自己是在做加速运动还是处于万有引力场中 [1] 。

垂直间隔

下面我们将采用垂直放置的小球来进行这一思想实验。

于外太空（零重力）加速航行。我站在椅子上，一手将一个小球举过头顶，一手将另一个小球置于胸前（如图12.2所示），两个小球所连成的直线与地板垂直。当我放开双手，由于位于零重力的外太空，两颗小球依然飘浮在原先的位置上——一颗在另一颗上面。

图12.2　两个小球垂直分开
在地球表面，位于下方的小球其下落速度快于上方的小球，因为位于下方的小球离地球更近，所受重力更大，因此，两个小球将逐渐远离。然而，若是处于加速航行于零重力环境的飞船中，在两个小球下落的过程中，其垂直间隔不会发生任何变化。

现在的关键在于，在零重力的外太空，两个小球被释放后，其距离不随时间而改变。

飞船地板正以1-g的加速度向上加速运动，但在我看来，是两个小球加速朝地板趋近，因为我与地板处于相对静止状态。由于两个小球下落的瞬时速度始终保持同步，因此它们之间的间隔依然不变。

静止于地球表面——假如我不在外太空而是在地球表面，情况是否会发生变化呢？如果房间足够高，两个小球之间的垂直间隔将会产生显著变化。高处的小球离地球较远，所受重力较小，因此，其下落的加速度小于处于低位的小球。

相对地，处于低位的小球离地球较近，受到的重力大于上方的小球，下落的加速度更大。所以，在下落过程中，随着时间流逝，两个小球之间的垂直间隔将逐渐增大。

分别精确测量在释放瞬间两球的垂直间隔以及下方小球落地瞬间两球的垂直间隔，若下落过程中两个小球之间的垂直间隔始终不变，说明我们身处于外太空加速航行的宇宙飞船之中；相反，若下落过程中两个小球之间的垂直间隔逐渐变大，说明我们身处某个引力场中——也即地球表面的教室中。

只有两个小球之间的原始垂直间隔足够大，引力差所造成的差异才足够显著，方可测量。如果空间不大，引力差距导致的垂直间隔变化将太过微小而难以测量。

总而言之，在局部时空——空间足够小且时间足够短的小型时空，我们既无从区分两个小球在水平方向是否具有相交趋势，也无从区分两个小球在垂直方向是否具有相离趋势。换言之，我们无法分辨我们到底是身处地球还是身处外太空。因此，只有在局部时空，万有引力才可与加速度等价。

而在全局时空——空间足够大且时间足够长的大型时空，我们可以区分万有引力与加速度。

那么，爱因斯坦是想告诉我们什么呢？爱因斯坦想告诉我们，在局部时空——在小的空间与时间里，万有引力无法显露其作用，只有在全局空间我们方能感受万有引力的作用。

把它缝起来

为了更好地理解爱因斯坦的下一步研究，我们必须再次以时空思维审视眼前的问题。

我们已知，根据狭义相对论，两个事件之间的空间间隔（距离）和时间间隔是相对的——它们受匀速相对运动的影响；而空间间隔与时间间隔在数学层面的结合物，即时空间隔，却是绝对的——它不受匀速运动的影响。

如前所述，时空间隔等于时间间隔的平方与空间间隔的平方之差的平方根。

时空间隔的公式为（以光速作为一个单位，即光速为1）：

（时空间隔）2 =（时间间隔）2 -（空间间隔）2

∆S 2 =∆t 2 -∆x 2

此处：∆t 是两次事件之间的时间间隔；∆x 是两次事件之间的空间间隔。

1912年，爱因斯坦正式提出，在引力场中，空间和时间将发生弯曲。换言之，相同两个事件，其在引力场中的空间间隔和时间间隔数值与其在零重力、零质能空间中的数值相异。更确切地说，身处远离一切质能环境中的观察者测量所得的空间间隔与时间间隔数据与身处引力场中的观察者测量得到的数据不同。

那时空间隔呢？我们已然知悉，时空间隔是绝对的，丝毫不受匀速运动的影响——注意，是匀速运动。倘若不是匀速运动呢，它是否受加速度的影响？

加速度与时空间隔

勇猛无敌的赛车手克拉什正乘坐火箭加速航行，与待在地球的斯塔迪·艾迪相比，他正在做加速运动。

地球上的斯塔迪·艾迪将观察到什么呢？在任意一个瞬间，艾迪均能测量到克拉什所乘火箭的速度——这就是人们所说的瞬时速度。在那个瞬间，克拉什所乘火箭与艾迪的相对速度是唯一的，因此，狭义相对论对其适用。

所谓“瞬间”其实属于局部时空，并且，在足够短暂的片刻里，克拉什的运动快慢与运动方向是不变的，也就是说，他在进行匀速运动。因此，在任意一个特定瞬间，对于克拉什与艾迪而言，时空间隔是相同的。

那下一个瞬间呢？克拉什处于加速运动状态，其速度势必有所改变，时空间隔的数值也必然随之改变。

因此，对于时间轴上的任意一个瞬间（具有局部性），时空间隔不受匀速运动影响；但是，对于一系列不同的时间点（具有全局性），时空间隔在加速度的作用下发生改变。也就是说，时空间隔受加速度（或非匀速运动）影响。

而依据等效原理，加速度等价于万有引力，所以，万有引力也可影响时空间隔。就如空间间隔与时间间隔：

在引力场中，时空间隔将发生弯曲或改变。

烦请您多花一点时间理解上文所述推断，因为它是我们叩开广义相对论奥秘之门的关键的敲门砖。

局部与全局时空

爱因斯坦发觉，万有引力场中的时空间隔弯曲与万有引力在局部时空和全局时空的不同表现存在着千丝万缕的牵连。足够小的时空区域（即局部时空）不存在引力效应——相同两个事件之间的时空间隔不发生改变；而在足够大的时空区域（即全局时空），时空间隔会有变化。这些想象可总结如下：

局部时空——足够小的空间和时间间隔中不存在可测量的引力效应。在此类时空中，引力场中的自由落体等价于零重力外太空中的自由飘浮；在此类时空中，狭义相对论依然奏效，时空间隔是绝对的。

此类局部时空也被称为“平直”四维时空。

全局时空——在足够大的时空区域中，引力效应是可察觉且可测量的。全局时空中，狭义相对论的种种法则全然崩解——在具备质能的引力场中，时空间隔将发生弯曲，并非一成不变。

由于在全局时空中，时空间隔会发生变化，因此这类时空背景也被称为“弯曲”时空。

局部时空是平直的，全局时空是弯曲的。这就是爱因斯坦对引力场中时空间隔的伟大洞见。

地球表面

以地球表面为例（假设地球是一个完美的正球体）。如图12.3（a）所示，若两点之间的距离足够小（即为局部时空），其间的地球表面可认为呈平直状；但是，若离远了看（即为全局时空），地球表面显然是一个弧面。从局部看，地球表面是平直时空；从全局看，地球表面是弯曲时空。

图12.3　全局曲率与局部曲率示例
（a）地球表面在局部呈平直状，但全局呈弯曲状；（b）一系列平直直线缝合在一起得到一条近似曲线。

若取一系列直线，并将它们“缝合”在一起，可得到一个近似弯曲表面〔如图12.3（b）所示〕。所用直线长度越小，得到的表面越近似弧面。如若直线长度足够小，那么真正的弯曲表面与由直线线段缝合而成的近似弯曲表面之间的差异将变得极其微弱，甚至可忽略不计。

因此，我们可依样画葫芦，将一系列局部直线缝合在一起表示弯曲表面。同样，我们也可将一系列局部时空缝合在一起表示引力场中的全局弯曲时空。

把你的公式拿出来我看看

1912年夏，阿尔伯特·爱因斯坦在时空理论的框架内，将最新提出的万有引力理论中的核心概念以公式的形式进行表示。

但是，这还不够，他还必须建构出相应的数学等式，清清楚楚、分毫不差地展示出这些概念之间的定量关系。就像在商业世界中，人们常说“先让我看下你有多少资本”，物理世界里的通行语是“把你的公式拿出来我看看！”或许，这就是大多数物理学家都不是富人的原因吧。

33岁的爱因斯坦已做好准备，正式踏上了将其物理理论数学公式化的伟大征途。他必须弄清究竟怎样的数学公式才能准确描述局部时空间隔的“缝合”，也必须弄清究竟怎样的数学公式才能准确描述质能引力场对全局时空这幅“织锦”（爱因斯坦称其为时空曲率）的影响。

这就是接下来两个章节的论述主题。

注解：

[1] 　我们再次忽略地球自转的影响。

第13章
宇宙的“背景”

是什么在掌控着地球绕行太阳的路径？

是什么在空间真空中延伸铺展，将地球牢牢钳制在其运行轨道上？

——时空曲率（宇宙的“背景”）。

1912年的夏天悄然远去，秋意渐浓，此时的阿尔伯特·爱因斯坦已是苏黎世工业大学的理论物理学教授，眼下他正专心致志地钻研“万有引力问题”，但不久之后，他便遇上了他研究之路上的一个大麻烦。

如何建构一个不断变化的时空坐标

在牛顿物理学中，空间和时间可用一个等间距坐标系来表示。这个简单的方法之所以可行，是因为在牛顿构筑的物理世界中，空间和时间是绝对的。也就是说，对于任何人而言，不管其身处何地，空间中两点之间的距离都是一样的，同时，时间流逝的速度也没有任何差别。

因此，人们可将不变的空间和不变的时间划分为相等的增量——以此来代表宇宙中的空间和时间，而这一等间距坐标系亦可就此无限延伸。

时空坐标

爱因斯坦的狭义相对论为这一构想增添了一个变数：由于长度收缩和时间膨胀，匀速运动会对空间间隔和时间间隔造成影响。

假设有一名正在进行匀速运动的观察者（即是说，他正处于一个单一的匀速运动参照系之中），对于这个个体而言，他可使用一系列相同的标尺将空间划分为相等的增量。同样，用于记录时间的时钟也可被划分为相等的增量（此时的标尺和时钟须与观察者保持相对静止）。在狭义相对论中，这名观察者还可将宇宙分割成相等的空间间隔与时间间隔。

对正处于匀速运动的不同人来说，这些间隔的具体数值可以有所不同。因此，每一名处于相对匀速运动状态的观察者都能够各自构建出一个不同的坐标体系来代表空间和时间，且每一名观察者所建立的坐标系中的相等空间间隔和时间间隔都是唯一的。而且，和牛顿的构想一样，每一个坐标系都有可能延展至整个宇宙。

为了更直观地感受这个过程，下面我们就来着手构建一个典型的空间时间示意图（见图13.1）。（匀速运动）参照系一旦选定，就可将空间和时间划分成相等的增量。

图13.1　狭义相对论框架下的等间距时空坐标系

那么，对于时钟、标尺和万有引力，情况又如何呢？现在我们有一个问题亟待解决。爱因斯坦提出的等效原理指出，在万有引力场中，空间和时间均会弯曲，其“单位”会随着地点的不同而发生变化。只要存在万有引力，这样的等间隔网格就无法有效地反映空间间隔与时间间隔，无法准确描述现实情况。

先前我们已然知晓，空间间隔与时间间隔会随着海拔高度的变化而变化。对于身处高层的利瓦伊和他的朋友们来说，他们手中的时钟比位于低矮楼层时（即是说，更加靠近地球）走得慢。随着他们一层一层往下移动，越发接近地球，垂直放置的标尺会被拉伸得越来越长（在远处的观察者看来便是如此）。

假设现有十亿把首尾相连的尺子整齐地摆放在一个巨大的三维网格中，如同一座特大型建筑的横梁。这些尺子长度相等，可在一切三维空间中标画出相同的间隔。

现在，在尺子相接的每个交会点都放上一个时钟，然后，把这个宏伟庞大的结构放到一处远离一切星体的真空区域——即万有引力影响为零的空间。此时，所有尺子测量所得的空间间隔均一致无二，所有时钟的嘀嗒声间隔也都完全同步。

但是，若把这个由尺子和时钟组成的巨型网格放置到某个巨大星体（如太阳）附近——也即放置于万有引力场中，又会有什么不同呢？从远处观察，相同的尺子所标示的空间间隔不再一样，结构部件完全相同的时钟也不再以相同的速率发出嘀嗒声响。它们被改变、被弯曲了，而改变和弯曲的程度取决于它们在引力场中所处的位置。

那么，对于引力场中的时间与空间，我们又该创建怎样的坐标系来表示它们呢？种种物理现象的共同发生背景不再保持静态，不再固定不变。事实上，它是动态的——随空间地点的变化而变化，假如引力源处于运动状态，那么，它也会随时间的变化而变化。也即，物理现象的发生背景随空间地点和时间，即时空的变化而变化。

以太阳系为例，太阳和各行星一直处于旋转运动状态，它们产生的叠加万有引力场自然也处于时刻变化的状态。太阳系中的时间间隔与空间间隔不仅划分不均匀，就连这些不均匀的间隔也在随着时间不断变化。

这就是爱因斯坦在1912年遇到的难题——如何建构一个不断变化的时空坐标系以描绘引力场中的空间弯曲与时间弯曲。

局部时空

有一处时空可作为爱因斯坦创立全新万有引力理论的起始点。在这个时空中，时空坐标系的间隔始终相等；在这个时空中，狭义相对论的各个推论依然成立。这处时空是哪里呢？局部时空，也即自由落体与自由飘浮状态下的参考系。

在这个足够小的时空区域中，万有引力是均匀的，大小相等，方向相同，所以在此区域中的所有粒子其运动状态皆一致无差，也因此，此局部时空框架中的万有引力效应可忽略不计。

由于在这个局部自由漂浮参考系中狭义相对论成立，时间和空间均可以相等间隔进行标示，而且，在此处，欧几里得几何学也依旧奏效。

所以，爱因斯坦对闵可夫斯基四维时空和时空间隔的数学表述方式产生了浓厚的兴趣。为什么呢？一方面，在局部时空中，引力场中的时空间隔是绝对的，对于该空间足够小、时间足够短的时空中的一切处于匀速运动状态的观察者而言，它的数值是一致的。这让事情变得极其简单。

此外，还有一个突出优势——时空间隔既包含了时间，也囊括了空间。因此，爱因斯坦可用一个简单的形式来描述引力场中的时间弯曲与空间弯曲。

而正如前文所见，他可将一系列局部时空间隔“缝合”在一起，建构出一个全局的万有引力场。

全局时空

足够大的时空区域里的一系列不同局部的自由飘浮参考系可反映出全局性的万有引力效应。在上一章节中，我们提到了两个在下落过程中逐渐相离的小球，就像那两个小球一样，在全局时空中，粒子受到的万有引力其大小以及（或者）方向各不相同，我们可以轻易分辨出它们正处于引力场之中。

时空间隔又如何呢？从前文可知，从一个局部时空跳跃转换至另一个局部时空时，时空间隔的数值将有所变化，也即，时空间隔在全局时空并非恒定不变。而且，在全局时空，欧几里得几何学再难发挥其神奇的作用。

爱因斯坦深知，他需要一套全新的几何学理论来表示全局时空中的万有引力以及描述时空间隔在全局时空中的变化，这套几何理论必须契合持续变化的时空坐标系。在这个审视宇宙的全新视角下，引力场中三角形的内角和不等于180度，圆周长与直径之比不等于π，原本相互平行的两条直线可以相交。

到底要去哪里才能寻得这样一个与欧几里得几何全然相悖的几何体系呢？这一次，也仅有这一次，爱因斯坦的卓绝天赋、惊人物理直觉与固执也难以支持他顺利地完成这趟寻找非欧几何之旅，因为他缺少解决该问题的必要的数学知识。从前，他总以傲慢的姿态对待数学这门学科，如今，他终究要为此付出代价。

格罗斯曼，你得帮帮我

在我此前的人生中，从未有哪件事情让我如此苦恼郁闷……此刻我的心中溢满了对数学的无限崇敬，其中那些精妙的细节完全是奢侈的享受。与我现在面对的这个难题相比，狭义相对论简直就像小孩子的游戏那样简单。

——爱因斯坦写给马塞尔·格罗斯曼的信

幸运的是，大约14年前，爱因斯坦曾上过几节卡尔·弗里德里希·高斯教授的数学课，对非欧几里得几何学尚算稍有了解。1912年8月上旬的某一天，爱因斯坦蓦然回想起，自己曾在高斯教授的课上学习过高斯有关二维曲面的理论模型。他思忖着，或许可用这个模型来描述引力场中时刻变化的时间与空间坐标系，于是，他即刻尝试采用这个方法的几个基本要素进行计算，但统统失败了。爱因斯坦明白，眼前这座大山单凭自己恐怕是跨不过去的了。

格罗斯曼，你得帮帮我，我已经要疯了。

——阿尔伯特·爱因斯坦写给马塞尔·格罗斯曼的信

或许是机缘巧合，或许是上帝眷顾，爱因斯坦的大学同窗、亲密老友、苏黎世工业大学数学系教授马塞尔·格罗斯曼的研究领域竟恰好是几何学。帮助爱因斯坦在专利局谋得一职、告诉爱因斯坦的母亲她的儿子有朝一日必将“成为大人物”的也是格罗斯曼。

在苏黎世工业大学上学的那几年，数学课上罕能见到爱因斯坦的身影，而多亏了格罗斯曼的课堂笔记，爱因斯坦才得以逃脱挂科。那两门几何课，爱因斯坦最后只得了4.25分（满分6分），格罗斯曼则满分通过。“他（即格罗斯曼）很受老师们的喜爱，好像什么都懂似的，”爱因斯坦后来写道，“我则恰好相反，是个不受欢迎的差生。”格罗斯曼专攻非欧几何，“发表了好几篇有关这一课题的论文，现在已是数学系的主席。”（见图13.2）

图13.2　阿尔伯特·爱因斯坦与好友马塞尔·格罗斯曼

格罗斯曼的博士论文题目与非欧几里得几何学有关，我虽然不太清楚它的具体内容，但一看就知道没什么太大的用处。

——爱因斯坦写给米列娃·玛丽克的信

爱因斯坦只能向老友求助。“格罗斯曼的兴趣瞬间被点燃。”爱因斯坦后来回忆道。这位数学家兴致勃勃地向爱因斯坦详尽介绍了非欧几何的复杂之处和精妙所在。

非欧几何这一数学分支学科起始于19世纪，由德国数学家卡尔·弗里德里希·高斯、伯恩哈德·黎曼等发扬壮大，主要适用于曲面。如今，人们将这门学科称为微分几何学。

图13.3　曲面几何之父

高斯

卡尔·弗里德里希·高斯出生于1777年的不伦瑞克公国（现位于德国境内），他一生成就非凡，尤其是在数学领域成绩斐然，与阿基米德、牛顿和欧拉并列为世界四大数学家。

高斯自小就展现出极高的数学天赋。据闻，他在三岁时就能够帮助父亲纠正账目记录的错误。小学自修课上，老师要求大家计算1～100的累加之和，高斯只用了几秒便算出了正确答案。

高斯的计算思路如下：

1+100等于101

2+99等于101

3+98等于101

以此类推。

所以从1到100共有50（100/2）组这样的数，因此答案就是5050（50乘以101）。

天性寡言内向的高斯只有少数几个密友，其中一位就是他的同窗、匈牙利数学家法尔卡斯·玻尔约。法尔卡斯的儿子亚诺什也是一名数学家，他始终执着于发展一套不同于欧几里得的几何体系，这个研究课题难度极高，不过，最后亚诺什还是成功了——他所取得的突破在过去的两千年间从未有数学家触及。

我的发现成果实在太过奇妙，连我自己都备受震惊……

我仿佛凭空创造了一个诡异的新奇世界。

——亚诺什·玻尔约写给父亲法尔卡斯的信

高斯早在几十年之前就对非欧几何有所钻研，不过这位完美主义者并未将其研究成果著文出版，因为他觉得那还不是非欧几何的最完美形式。法尔卡斯将他的儿子亚诺什的研究成果寄给高斯，不料高斯竟回信道：“我无法对这份研究成果极尽赞美，因为那就相当于在夸赞我自己……它与我的研究内容几乎如出一辙……”

闻此，亚诺什·玻尔约崩溃了，自此，他再没出版过有关非欧几何的论文，最后甚至全然放弃了数学科研工作。法尔卡斯怀疑高斯不当剽窃了亚诺什的研究成果，他与高斯之间的深厚友谊出现了不可修复的巨大裂痕。

亚诺什的呕心沥血没有白费，人们没有忘记他。今天的数学界大多将非欧几何的发展归功于三人，高斯、亚诺什·玻尔约以及俄国数学家尼古拉斯·罗巴切夫斯基（罗巴切夫斯基在1829年独立出版了相似的研究成果）。高斯、玻尔约以及罗巴切夫斯基的研究成果表明，并非只有欧几里得公理才能建构出逻辑自洽的几何体系。

在这个全新的几何体系中，三角形的内角和不总等于180度，圆周长除以其直径不总等于π，两条平行直线既可能交会也可能相离。这既是研究范例的革新，也是思维模式的转换；既是数学领域的关键突破，也如爱因斯坦所言，是人类真实观的重大转变。

黎曼的多维几何

伯恩哈德·黎曼出生于1826年，在格丁根大学求学期间是高斯的门下弟子。1854年，黎曼在高斯的出席见证下，进行了一场关于如何将高斯二维几何推广至多重维度（如三维、四维、五维等）的著名演讲。黎曼的数学目光重点聚焦于连续（以及可微分）曲面，包括球面、平面以及双曲面。黎曼几何被赞誉为“数学创造及数学阐释的最佳杰作之一”。

（其研究成果展现出了）耀眼夺目的独创性。

——高斯给黎曼博士论文的评语

黎曼的演讲中有一点令高斯印象深刻，甚至深受震撼。早在三十几年前，高斯就曾向其同事提及，他认为空间本身可能是弯曲的，“我偶尔会笑称，欧几里得几何或许是不正确的”。而眼下，黎曼在演讲中肃然发问，非欧几何是否符合抽象数学逻辑？非欧几何是否可应用于现实世界？

1903年，爱因斯坦与“奥林匹亚科学院”的伙伴们一起拜读了黎曼的著作《关于以几何学为基础的假设》，九年之后，在探索万有引力相对论的艰辛过程中，爱因斯坦骤然回想起了高斯和黎曼的微分几何。微分几何将成为广义相对论的数学根基，成为实现高斯和黎曼的先见预言（我们身处的是一个非欧几里得的世界）的关键工具。

绘制土豆

高斯在担任汉诺威王国一个大地测量项目的顾问时，曾试过运用非欧几里得几何绘制多丘陵的乡村地貌。在此过程中，他提出了“曲线”（与直线相对）坐标系的概念，将如今被人们称为高斯坐标系的网状系统直接应用于弯曲地面。

为了直观地感受这一概念，可以把它想象成在一个土豆表面覆上一层渔网（该类比由物理学家詹姆斯·哈特尔提出）。这个渔网代表的就是直接应用于土豆表面的“坐标系”（如图13.4所示）。

图13.4　适用于曲面的持续变化坐标系
（此为艺术创作，非严谨数学作图。）

请注意一下土豆表面网格线之间的间距，它们在表面各处各不相同，有的小一些，有的大一些。这便是应用于曲面的时刻变化的坐标系。

若把渔网的间隔划分得细一些，又会出现什么情况呢？如图13.5所示，每个局部网格的间距变小了，每个网格覆盖的表面区域也相应变小，并且更趋近于平直表面。

图13.5　覆于土豆上的细密网格状渔网
（此为艺术创作，非严谨数学作图。）

更加细密的网格划分出的间隔相应变小，每个网格覆盖的区域更加趋近于平面。你发现了吗？网格间隔越细密，其覆盖的区域越趋近于平直表面。

每个网格的四条边近似组成一个平行四边形。什么是平行四边形？具有两对平行边的四边形。

正如你所见，网格并不能与平行四边形完全契合，若想提高契合程度，便得把网格划分得更加细密；若想实现完全契合，则网格的间隔划分必须趋向无穷小——不过这就涉及微积分的知识了。

我们可用三个参数来描述每个平行四边形：长、宽和内角。在数学上，它们由三个“g's ”表示——所谓的高斯度量系数。这三个g's ，即长、宽和内角，可以清晰地反映出一个平行四边形的大小与比例。

再强调一次，如果网格间隔划分得足够小，其覆盖的区域将趋近于平直表面，因此，在单个区域内，欧几里得的平面几何是适用的。

假如我们为所有平行四边形网格的三个g's ——长、宽和内角列一个表单，并将此表单交付给另外一个人，那么，那个人就可在数学层面将所有局部平直区域缝合到一起，最后构建还原出整个土豆的全局曲面。换言之，根据这一g's ，即高斯度量系数的表单，我们可绘制出土豆的整个弯曲表面！

局部平直，全局弯曲，听起来是不是格外熟悉？

适用于任何参考系

如果我们将渔网以另一个角度覆于土豆上，或者平移至另一个位置，抑或直接整个旋转，情况又是否有变化呢？每种情况下得到的网格曲线自然都是不同的。

那么，哪一个才是正确有效的呢？每一个都是。覆于土豆表面的渔网其方向和具体位置具有全然的随机性。

高斯不等距坐标系的这一特性引起了爱因斯坦的关注。爱因斯坦于1905年提出相对性原理，即一切物理定律在所有匀速运动参考系中都是等价的。转眼到了1912年，爱因斯坦正力图将这一原理拓展至一切运动参考系以及任意万有引力场。

换言之，爱因斯坦希望他创建的坐标系以及参考系在任意地点、任意运动状态——无论是处于匀速状态、加速状态，或者是处于旋转状态，抑或是处于引力场中——均可适用，同时，他也希望能以一种完全任意的方式来表现这一在引力场中连续变化的时空坐标系。在数学中，人们称其为广义协变。

这就意味着，物理现象背后的物理机制不会随着地点或时空中坐标系的变换而改变。爱因斯坦将这个看似简单的原理称为广义协变原理。

爱因斯坦深信，无论他将坐标系应用于何处，各物理规则都将保持不变。乍听之下这似乎顺理成章且无关紧要，然而，爱因斯坦并不知道该如何建构符合该原则的数学公式，而这也就是他向马塞尔·格罗斯曼求助的主要原因。

爱因斯坦的这位好友向他详细介绍了伯恩哈德·黎曼的数学理论。我们将看到，如何在数学层面忠于广义协变原理——可将渔网以任意的方式覆于土豆表面——将是爱因斯坦在探索广义相对论的数学表述的道路上所遇到的最严峻的挑战。

致读者：下一节将涉及大量数学知识，若你不喜欢，可直接跳过。

像绘制土豆一样绘制时空

爱因斯坦决定将曲面几何（即高斯和黎曼的非欧几何）运用于时空本身。

绘制时空：二维

在绘制土豆时，三个g's 系数可悉数反映每个区域网格的x -长、y -长以及内角；而在广义相对论中，三个g's 系数反映的则是每个局部二维时空的时间间隔、空间间隔以及空间与时间的乘积交叉项，它们可由此定义每个局部区域的时空间隔。

如前文所述，空间中两点之间的距离为空间间隔，两点之间在时间轴上的距离为时间间隔，两个事件之间的时空距离为时空间隔。

局部时空区域（空间足够小且时间足够短）内，万有引力效应为0，因此，在局部时空区域内，任意两个事件之间的时空间隔均为相同数值。

但是，在处于引力场且跨越许多局部区域的全局区域中，时空间隔是变化的。

在爱因斯坦的建构设想中，高斯几何的三个g's 系数可用于描述每一个局部时空间隔——一个g 描述空间间隔，一个g 描述事件间隔，一个g 描述交叉项。这就是广义时空间隔。在引力场中，这三个g's 系数将在时空连续区内随着地点的改变而改变，也即，在全局时空中，它们将发生变化。

广义时空间隔——两个时空维度

（时空间隔）2 =（空间间隔项）2 +空间间隔项乘以时间间隔项+（时间间隔项）2

dS 2 =g xx dx 2 +2g xt dxdt +g tt dt 2

此处：g xx 、g xt 与g tt 均为度量系数，

dx 与dt 表示区域内时空中任意给定一点的百分比或比率。

绘制时空：四维

为准确描绘四维时空，我们将数学公式拓展至三维空间（x 、y 、z ）以及一维时间（t ），因此时空为四维。

此时，g's 的数量应增至10个。为什么是10个呢？因为四维广义时空间隔一共有16（4×4）个项：xx 、yy 、zz 、tt 和各自的交叉项。不过，其中有6项为冗余项，比如，x 乘以t 这一项就等同于t 乘以x 这一项，因此，最终只剩下10个独立项。

因此，四维时空具有10个高斯系数，用以描述此四维时空的数学公式具有10项。同样，在单个局部区域内，g's 的数值恒定不变；在处于引力场的全局区域内，g's 的数值产生变化，而这就是时空间隔的全局性变化。

广义时空间隔——四个时空维度

（时空间隔）2 =（x空间间隔项）2 +（y空间间隔项）2 +（z空间间隔项）2 +（时间间隔项）2 +所有交叉项

dS 2 =g xx dx 2 +2g xy dxdy +2g xz dxdz +2g xt dxdt +g yy dy 2 +2g yz dydz +2g yt dydt +g zz dz 2 +2g zt dzdt +g tt dt 2

此处：g's 均为度量系数，dx 、dy 、dz 和dt 表示区域内时空中任意给定一点的百分比或比率。

我们为什么不会掉下去

上一节详述了爱因斯坦为描述引力场中时空间隔的全局性变化而建构的数学表达式，这一节将探讨它究竟是如何与时空曲率以及万有引力本身产生联系的。

对于自己居住在一个巨大的球体表面这一事实，你初次得知时便欣然接受了吗？你难道没有心生疑问，为什么我们不会掉下去？又或者，你是否有过这样的疑惑，为什么我们在向上跃起之后，总要落回地表？我们总将这些现象归因于“万有引力”。想必我们中的大多数人都曾在课堂上获得过这样的知识：根据艾萨克·牛顿的理论，万有引力是一种力，一种存在于宇宙万物之间的神秘吸引力。

爱因斯坦却说，这是不对的，万有引力不是一种力。他提出，任何物体（例如地球）的质能都会拉伸空间，并减缓其邻近空间内时间的流逝。他采用时空间隔的全局性变化来描述这一时间和空间的弯曲，同时，爱因斯坦还宣称，就是这种持续变化的时空间隔、这种所谓的时空曲率控制支配着万物在宇宙间的运行轨迹。

因此，是时空曲率将我们的身体牢牢缚在地球表面，是时空曲率用无形之手推动月球绕地球旋转不歇，是时空曲率令众行星绕太阳各自有序运行，是时空曲率使得这个我们称之为“银河系”的涡旋星系中包括太阳在内的几百万颗恒星各安其位。它是宇宙黏合剂，是将无垠宇宙撮合为统一整体的“魔法胶水”。

但是，令物体自由落回地球表面的难道不是万有引力吗？将各行星牢牢钳制在固定轨道绕太阳运行并将各星系黏合在一起的难道不也是万有引力吗？

是的，没错，是万有引力。你看，时间和空间的弯曲就是时空间隔在全局区域的变化，就是时空曲率，就是万有引力！

所有这些名称谈论的都是同一件事情。

由地球质能引起的空间延伸与时间减缓让你此刻可以安然坐在椅子上阅读这本书；所谓的全局时空间隔的变化、时空曲率以及万有引力将你牢牢绑缚于地球表面。这便是爱因斯坦对现实的颠覆性审视。

现在就让我们来了解一下时空曲率发挥效用的机制。

当保龄球落到蹦床表面

我身穿7号球衣站在绿草如茵的高尔夫球场上，眼前是一个3杆洞，而我还有一次大约4.6米的长距离推杆机会，进洞似乎很容易。我拿出推杆，尽量让自己看上去胸有成竹。我弯下腰，盯着眼前的茫茫绿色，发现前面竟不是平直地面，而是起伏的曲面！那么，当我推杆触球，决定高尔夫球走势的将是我击球的力度、击球的方向以及绿地的弯曲起伏程度（摩擦力与球的旋转情况自然也会造成影响）。

假如绿地朝我的右侧弯曲，那么高尔夫球自然也会滚向右侧；如果绿地朝我的左侧弯曲，高尔夫球则会滚向左侧。

我试着挥了一下杆，做好击球准备，然后坚定地推击了一下那颗表面布满粗粝颗粒的小球，但是遗憾的是，我推杆时用的力太大了。小球随着绿色的弯曲地面，先是向左滚去，而后又稍微往右偏移了一点，接着欢跃着直接滚过球洞，顺着一个小斜坡向下掉进了水塘里。

“这一下打得可真好。”我的搭档揶揄道。

有两点十分明显：一是，下次再有人约我外出打高尔夫，我最好还是不要答应，待在家自己玩牌更好；二是，对于运动中的高尔夫球，决定其运动轨迹的是摩擦力和绿地的曲率。

以上是关于时空曲率的一个生活性类比。由于太阳的质能会产生引力场，由于它会弯曲空间和时间，由于它会弯曲时空，因此地球“只能”环绕它运行。地球也想沿直线在太空中驰骋，假如没有太阳的话，地球是可以如愿的（此处暂且忽略其他恒星的作用）。但是，就如那颗沿着弯曲绿地滚动的小球，地球也得跟随弯曲的空间和时间、跟随太阳产生的时空曲率（即万有引力）运行。

想象时空曲率

约翰·阿奇博尔德·惠勒在《万有引力与时空之旅》一书中描述了一种将时空曲率具象化的方式，以及介绍了时空曲率是如何通过真空进行传播的。假设现在有一张蹦床，上面空无一物〔如图13.6（a）所示〕。此时的蹦床表面是平直的，因为还没有人站在上面——在无质能体以及万有引力场存在时，时空也是平直的。

图13.6　蹦床结构代表空间
（a）无质能体存在时，蹦床为平直状；（b）保龄球（质能体）使其临近蹦床表面发生弯曲。

图13.6（a）中，蹦床上的直线标画出了规整等距的网格，它代表了一个笛卡儿坐标系，在此处，欧几里得几何完全适用。若把每一个矩形方格视为整个表面的一个“局部”描绘，我们可以看到，所有局部区域都是一致的——既没有相异的间隔，也没有曲率。仔细观察所有矩形会发现，整个全局表面同样也是平直的。

假设此时有一个保龄球落在蹦床上〔如图13.6（b）所示〕。该保龄球代表太阳。它会令整个蹦床表面朝它所在的位置弯曲，如此一来，各网格线的间隔再也无法保持一致，并将处于持续变化状态。此时，就该高斯坐标系出场了。

请注意网格是如何被拉伸靠近保龄球的。从保龄球所在位置逐步向外看，我们会发现，这种拉伸作用逐渐减弱。在远离保龄球的蹦床边缘处，其表面已几近平直，网格线间隔也近乎相等。

同样，太阳的质能会使局部时空朝其所在位置伸展以及弯曲。越靠近太阳，时空曲率越强，不过，当时空曲率通过空间向外扩张时，其延伸程度将逐渐减小。

那么，此时空曲率又是如何从太阳传播至地球的呢？时空曲率具有能量，所以，时空曲率可生成时空曲率！

当保龄球落到蹦床表面时，它会拉伸其所在位置的织物布料，而这些织物又会反过来拉扯其周围的布料，以此类推，此种效应将一直持续延伸至蹦床边缘。同样，惠勒告诉我们：“太阳蕴含的质能会弯曲其所在位置的时空，而它们又会弯曲与太阳毗邻的时空，时空曲率一直朝外扩散其弯曲效应，以此类推，直至地球。”

如同蹦床织物上的每一个局部网格，来自太阳的时空曲率也是沿着各个局部区域一点一点逐渐穿越空间并最后抵达地球的。时空曲率从太阳传播至地球的速度多快呢？光速，或更准确地说，与光的传播速度相同。

而物体又是如何在时空曲率间运动的呢？它们的运行轨迹被称为测地线。

最省力的曲线

非欧几何认为，曲面上两点之间的最短路径并非直线，而是一道称为“测地线”的弧线。测地线是所有物体在弯曲表面上“自然而然”会遵循的路径，这就是“最省力曲线”。

在完美均衡的平直表面上，小球将沿直线滚动，但是在弯曲表面上，小球将沿弯曲路径滚动，就像先前那个在起伏的绿地上滚动的高尔夫球一样，表面的几何特征决定了小球的行进方向，而弧形路径便是该空间中的测地线。（有关如何构建测地线的简单例子请见附录D。）

当爱因斯坦将曲面几何应用于时空时，他发现，只要不存在万有引力，物体依旧会在空间中沿直线运动。然而，若存在质能体，若存在引力场，物体便会在空间中沿弧线路径运动。

那么，物体在时空中的路径又如何呢？若存在万有引力，物体会在四维时空中沿直线运动！此时，这道测地线将不再是最短路径，而是时空中的最长路径。换言之，测地线即是固有时（腕表时间）的路径。英国哲学家、数学家伯特兰·罗素将此现象称为“宇宙惰性原理”。

所以，当你从跳水板上一跃而下，时空曲率的几何结构“已为你设定好运动轨迹”，就像时空曲率的几何结构决定行星绕太阳运转的轨迹一般。而且，时空曲率对运动路径的设定并非随意而为，而是“精心选取”了弯曲时空中最长的一条路径，也即最具惰性的一条路径。

篮球测地线

为了对时空中的测地线有更直观的感知，你可以想象现在我们正在观看一场WNBA篮球比赛。超级巨星坎迪斯·帕克正拿着篮球站在远角处，随后，她转身跑向左侧，而后骤然停住、投篮，动作一气呵成。

让我们分别从两个角度来分析篮球的运动路径：

“不正常”的参考系——坐在看台上的我们看到，篮球先上升，而后落入篮筐。从我们的视角看，篮球进筐遵循的是一道弧线路径〔如图13.7（a）所示〕。是什么导致了这一曲率？是来自万有引力的神秘力量吗？不，惠勒清楚地告诉我们：“这其实是观察者的错觉。”换言之，我们所见的曲率其实是源于我们的视角和我们所处的参考系。

图13.7　运动路径是相对的
（a）看台上的观众观察到的篮球运动路径是一道弧线；（b）处于自由落体运动中的桑迪观察到的篮球运动路径是一道直线。

自由落体参考系——勇敢的桑迪此刻正攀缘悬挂在球场正上方的横梁上。在帕克投球的那一瞬间，桑迪猝然放手，任自己自由下落至地面。从她自己的视角看，她正处于静止飘浮状态，而整个篮球场以及球场中的所有人、事、物正向上运动，朝她趋近。

桑迪观察到的篮球运动路径与我们看到的相去甚远。在处于自由下落状态的她的眼中，篮球是横向沿直线落入篮筐的〔如图13.7（b）所示〕。

我们在地面上，“并不处于‘自然的’运动状态”，因此我们见到的是弯曲的路径。另一方面，桑迪处于自由落体参考系，是“自然的”运动状态，所以，在她看来，测地线，也即篮球（或者任何下落物体）的运动轨迹是一条直线。

因此，正如惠勒所指出的，“篮球画出的‘弧线’其实只是错觉”。所以，从这个意义上讲，“‘万有引力’只是一种错觉，当我们处于自由飘浮状态时，在局部时空里，什么都不存在”。只有放眼全局时空，我们才能感受到万有引力（也即时空曲率）的效应。

全新的万有引力模型

1912年，阿尔伯特·爱因斯坦提出了一个全新的万有引力模型——不是牛顿所言的神秘之力，而是作为时空曲率本身。爱因斯坦发现，高斯和黎曼的曲面几何是为这一崭新视野建立理论模型的最优之选。

他采用时空间隔的全局性变化来描述空间和时间的弯曲。而且，他意识到，决定物体如何落至地球表面、决定行星以何种方式绕太阳旋转的正是时空曲率。

第14章
爱因斯坦的惊世杰作

人们以为，站在巨人的肩膀上，取得进一步成就似乎是唾手可得之事……然而事实是，探索者只能在茫茫黑暗中年复一年地摸索探寻，焦虑与渴望交织，即便精疲力竭但依然怀揣希冀，一直坚持直至曙光初现——只有那些经历过这些的人才会真正懂得成功那一刻的喜悦。

——阿尔伯特·爱因斯坦

爱因斯坦与马塞尔·格罗斯曼的著名合作始于1912年夏，他们旨在成功搭建起时空曲率（即万有引力场）与引力来源（即物体的质能）之间的数学桥梁，核心是实现爱因斯坦新理论的三个宏伟目标。

消失的43角秒

爱因斯坦为尚未最终成形的万有引力相对论设定了三个核心目标：其一，该理论的形式在一切参考系中必须一致无二，也即符合广义协变原理；其二，该理论必须符合质能守恒定律以及动量守恒定律；其三，该理论给出的预测必须符合牛顿“弱”万有引力定律以及“低速”运动定律。

在尝试达成这三个目标的过程中，偶尔会有灵光一现的时刻，此时问题的解决相对简单，然而，更多时候是困难重重，举步维艰，这使得爱因斯坦的探索之路充满了懊恼与沮丧。

现在就让我们来分别看一下这三个目标：

广义协变——爱因斯坦预想中的万有引力理论既具有相对性，也符合广义协变原理。该理论必须保证，一切物理规律在一切参考系〔参考系（或坐标系）的方向与位置完全随机〕中均保持相同形式。

爱因斯坦主张，“坐标系并非先验地存在于自然界”，它们只是“人类用于描述自然的工具而已”，因此，坐标系的选择对“基本物理定律的公式化理应毫无影响”。

在爱因斯坦设定的所有目标中，这一个在数学层面最难理解也最难实现。

守恒定律——爱因斯坦希望他所创建的理论满足特定的物理守恒定律，也即质能守恒定律以及动量守恒定律。这一标准极大地简化了广义相对论数学公式的建构，明显地缩小了数学解答的可能性范围。

牛顿理论限制——爱因斯坦深知，他提出的万有引力新理论在以下这两个情况中，必须与牛顿理论契合：弱万有引力以及低速运动（与光速相较而言）。这一点主要针对太阳系中的观测。

为什么呢？因为在过去两个世纪中，人们对太阳、各行星、各卫星以及各彗星运行轨迹的观察与测量十分符合牛顿理论的预测，爱因斯坦的新理论势必要同这些已知的实证结果相吻合。

爱因斯坦期望广义相对论可在太阳系之外，可在那些万有引力强大以及星体物质运动速度与光速成显著比例的宇宙空间取得全新突破。

我们又该如何定义“弱”万有引力呢？其中一个方法是将天体逃逸速度与光速进行对比。在地球上，假如以11千米/秒的速度朝天上发射某个物体，该物体可克服地球重力，逃逸至外太空。若发射速度小于此速度，物体必然落回地面。

因为质量较大，太阳的逃逸速度约为618千米/秒，而光速恒定为299 792千米/秒，因此，太阳的逃逸速度仅为光速的0.2％。

因此，太阳——我们太阳系中质量最大的天体产生的万有引力依旧十分“微弱”，以至在地球上的所有观测者看来，牛顿的理论与实际数据完美近似。只有当天体的逃逸速度或其相对运动速度与光速的比例十分明显时，爱因斯坦的广义相对论与牛顿万有引力理论相比才会显露出明显差异。

水星测验

在第九章曾提及，在太阳系的弱万有引力场中，有一个现象一直是牛顿万有引力理论难以准确解释的，那就是所谓的水星近日点进动现象。

水星是离太阳最近的行星，因此，它受太阳引力影响最深。由于水星绕日运行的轨道呈椭圆形（其他行星亦是如此），所以它离太阳时近时远。水星绕行轨道上离太阳最近的一点称为近日点（如图14.1所示）。

图14.1　水星绕太阳运行
水星沿椭圆形轨道绕日运行（其他行星亦是如此），太阳位于该椭圆轨道其中的一个焦点上。
近日点指的是水星离太阳最近的一点（极大夸张了该椭圆形轨道）。

水星绕日运行的椭圆形轨道随着时间流逝，总会发生轻微推移或进动。牛顿理论解释认为，这是因为其他行星的万有引力对水星产生了干扰。如图14.2所示，这一进动现象组成了一个近似的“玫瑰图案”。

图14.2　水星绕日轨道的进动
（极大夸张了椭圆形轨道和进动。）

牛顿理论预测，水星离太阳最近一点每世纪会产生531角秒的进动，但天文望远镜的实际观测数据显示，水星近日点每世纪的进动应为574角秒。也就是说，牛顿的预测比实际数值小了约43角秒，（1角秒等于1/60角分，1角分等于1/60度，因此，1角秒等于1/3600度）。

消失的这43角秒实在令人百思不得其解。太阳系其他行星的观测数据与牛顿伟大的万有引力理论均十分吻合，唯有水星近日点的这一轻微进动偏移长期得不到合理解释。那么，爱因斯坦的万有引力理论是否可以为这一现象提供一个合理的解释——并完美达到那三个目标呢？

消失的年月

我心无旁骛，一头扎进有关万有引力的研究之中，我坚信，有这位精通数学的朋友相助，我一定可以克服这一切困难。

——阿尔伯特·爱因斯坦，1912年10月

第一次尝试

1912年8月，爱因斯坦信心满满地开始尝试建构广义相对论的引力场公式。在格罗斯曼的指导下，他逐渐深入理解非欧几何学的数学原理，并逐步掌握它在时空曲率上的应用。

除了高斯和黎曼，格罗斯曼还向爱因斯坦介绍了微分几何学的最新研究成果，包括19世纪德国数学家埃尔文·克里斯托费尔、意大利数学家格雷戈里奥·里奇·库尔巴斯托罗和图里奥·列维·西威塔等人的理论著作。

里奇在黎曼共变张量的基础上进一步发展了表面曲率。格罗斯曼推荐爱因斯坦使用这一所谓的里奇曲率张量来描述时空曲率——质能体导致的时空间隔全局变化。爱因斯坦采纳了这个建议，他的工作开始有所进展。

1912年末，爱因斯坦完成了第一版广义相对论引力场公式。爱因斯坦幸运地一举成功了吗？爱因斯坦以为如此，然而，当他回头评估这一新公式时，遗憾地发现，在这一公式下，相同的质能竟会得出多个不同的引力场。

换言之，某一质能体在此公式下可以产生多个相异但却又合理有效的时空曲率。这显然是不合理的。若公式无法满足某一既定质能体有且仅有一个时空曲率的条件，那该公式就是无效的。

爱因斯坦只能放弃这组公式，而他对数学手段的信赖也随之有所下降。无奈之下，爱因斯坦在马塞尔·格罗斯曼的帮助下，退而求其次，探求能否在不完全符合广义协变原理的情况下找到解决方案。

第二次尝试：梗概

1913年5月，爱因斯坦发表了一篇题为《广义相对论以及万有引力理论梗概》的论文，主要探讨爱因斯坦-格罗斯曼方案。爱因斯坦在文中坦承，这个理论尚有局限性，仍存在许多重大缺陷。

1914年的春天悄然临近，爱因斯坦确信，自己已想出了可行的解决方案。然而，一年过去了，他对水星进动现象的计算仍与实际数据相去甚远。于是，他开始怀疑自己的理论。

正处困境的爱因斯坦收到了一封即将给他带来重大影响的邀请函——格丁根大学盛邀他到校开办讲座，而彼时的爱因斯坦博士并不能预知到，这封邀请函竟会让他陷入那样忧虑苦闷的境地。

黎明前的黑暗

在格丁根我欣喜不已，因为我发现，就连那些细节之处他们也透彻地理解了。我被希尔伯特深深吸引了。

——阿尔伯特·爱因斯坦

1915年6月，爱因斯坦在格丁根大学开办系列讲座，向师生介绍其理论构建工作的现有进展。为什么爱因斯坦选择公开宣讲一个尚存在许多问题的未成熟理论？而且，为什么选择向格丁根大学那些拥有最杰出数学大脑的人宣讲该理论？或许是因为爱因斯坦天性并不避讳向世人公布自己的研究信息，又或许是因为爱因斯坦实在难以抗拒这个机会，这个可以进入高斯和黎曼曾走过的大厅的机会。

天真的爱因斯坦将自己的研究方法向听众一一道出，甚至包括他建构的引力场方程。而在听完爱因斯坦的演讲之后，伟大的德国数学家大卫·希尔伯特决定要尝试找出正确的引力场方程。未料及此的爱因斯坦惊慌了，他发现自己竟在不觉间开始了一场与希尔伯特的竞赛，一场找出广义相对论的最决定性理论的竞赛。

同年9月初，爱因斯坦又在其“梗概理论”中发现了几处漏洞，他觉悟道，这个数学方法从根本上就存在缺陷。于是，在长达三年的艰苦探索之后，爱因斯坦又一次回到了原点。

难以置信，我竟然自己找出了问题所在，毕竟在这个问题上，我的思维一直处于僵化的迟钝状态。

——阿尔伯特·爱因斯坦，1915年9月30日

然而讽刺的是，正是在那个时候，爱因斯坦竟收到了他人生中最负名望的一次工作邀约。

柏林

1913年6月，马克斯·普朗克和瓦尔特·能斯特向爱因斯坦发出一份十分诱人的工作邀请——一份在柏林这一“物理学世界之都”的教授教职和久负盛名的普鲁士皇家科学院的院士资格。到34岁那一年，爱因斯坦将正式成为柏林大学的物理学教授，并当选普鲁士科学院——“全欧科学研究前沿阵地”——最年轻的院士。不过，爱因斯坦并不需要担负具体的教学任务以及任何行政工作。

经过五个月的慎重思考，爱因斯坦决定接受这份邀约。第二年春天，爱因斯坦离开苏黎世工业大学，举家回到他的出生故国。一到柏林，他便记录道：

德国人在我身上下了重注，他们看着我就像看着一只可带来收益的母鸡，不过我并不确定我能不能成功地下出蛋来。

1914年6月28日，爱因斯坦准备于普鲁士科学院发表就职演讲的四天前，一位塞尔维亚民族主义者在萨拉热窝刺杀了奥匈帝国皇位继承人斐迪南大公夫妇，奥匈帝国皇帝弗朗茨·约瑟夫立即以此为借口，在一个月后对塞尔维亚正式发动战争。至此，“以战止战”的第一次世界大战拉开序幕。

7月31日，塞尔维亚的盟国俄国开始纠集军队；第二天，奥匈帝国的盟国德国向俄国宣战；两天之后，德国对法国宣战，之后又向中立的比利时宣战，意图从侧面夹攻法国；作为回应，英国向德国宣战；8月6日，奥匈帝国向俄国宣战。整片大陆瞬间被战火点燃，由此陷入欧洲史上最血腥而又最莫名其妙的一场战争。

1914年9月，德国包括马克斯·普朗克在内的93名杰出的科学家、学者和艺术家共同签署了一份宣言，声明支持德国皇帝发动的战争行为。而阿尔伯特·爱因斯坦立场坚定，拒绝在宣言上签字。两个月后，爱因斯坦在一份反战宣言上郑重地写下了自己的名字，而这份呼吁和平的宣言一共只有五个人勇敢落笔签名。

欧洲大陆已然陷入癫狂状态，匪夷所思的事情正在一件件持续发生，而只有在这样的时刻，人们才能意识到，人类是一种多么可悲的动物。

——阿尔伯特·爱因斯坦

雪上加霜的是，爱因斯坦与米列娃·玛丽克的婚姻在此时也遭遇了危机。随着爱因斯坦名声渐盛，米列娃也开始时常抱怨爱因斯坦花费了太多时间在物理研究以及家庭以外的事务上。

爱因斯坦的表妹艾尔莎·洛温塔尔与丈夫离异，独自住在柏林，有两个已成年的女儿。1912年春，在布拉格任教授期间，爱因斯坦与表妹重新取得了联系，两人再次熟络起来。在家中郁郁不欢的爱因斯坦与表妹开始了浪漫的书信往来。

在几次努力和解无果之后，米列娃于1914年7月搬离柏林，与两个孩子回到苏黎世（见图14.3）。在车站送别儿子时，爱因斯坦“哭得像个小孩”。他在给艾尔莎的信件中这样写道：“以前我在家陪他们玩的时候，他们笑得可开心了，那种欢乐感觉都要溢满整间屋子了……可是现在他们都离我而去了。”

图14.3　爱德华·爱因斯坦、米列娃·爱因斯坦和汉斯·阿尔伯特·爱因斯坦
摄于1914年。

爱因斯坦的母亲听到这个消息后欣喜不已，她一向不喜欢米列娃，她甚至跟自己的儿子说：“如果你爸爸还在世的话，他听到这个消息肯定也很开心！”

1915年那个似乎连空气都弥漫着苦涩的夏天，阿尔伯特·爱因斯坦正处于人生的最低谷。就连当年父母移居意大利，让他一人留在慕尼黑路易波尔德中学读书时，都未曾如此沮丧压抑。因食物短缺，身体健康日渐恶化，至亲骨肉又远在苏黎世遥不可及，新万有引力理论的探索也走入了死胡同，如此种种叠摞在一处，如一座大山似要压垮爱因斯坦，彼时，他唯一的慰藉便只剩下艾尔莎的温存关心了。

好在，这只是黎明前的黑暗。

这个理论处处透着无与伦比的美感

1915年9月末，爱因斯坦做了一个或许是他学术生涯中最艰难而又最重要的决定。在爱因斯坦-格罗斯曼方法宣告失败之后，所谓的“梗概理论”也证明它并非通向万有引力相对论的正确道路，爱因斯坦也只能无奈地放弃这一尝试。

爱因斯坦将审视的目光再次投向那个他早在1912年便已摒弃的方法——采用黎曼和里奇张量描述时空曲率，并以此为基础建构引力场方程。

在幽深黑暗里苦苦摸索的那些岁月并非全然无用，就是在这个过程中，爱因斯坦对研究问题有了真正深刻的理解，渐渐掌握了运用微分几何和张量分析等复杂数学手段的技巧。而今，经过再一次的检审分析，爱因斯坦发现，根据他提出的广义协变原理，微分几何和张量分析在数学层面和物理层面其实是等价的，而在此之前他并未意识到这一点。换句话说，它们代表的其实是同一种问题解决方案。

如同一块逐渐成形的四维拼图，一切终于就位。这个时候爱因斯坦的学术判断能力有所提升，注意力也空前集中，36岁的他笃定，胜利就在不远的前方。他一心扑进研究，近乎疯狂，不闻不问外界一切事端，只用了三个月时间，便迈过了这段史诗般伟大旅程的最后一道难关。然而，这一路走来的艰辛是我们穷尽一切想象也无法描绘完全的。

1915年11月4日，爱因斯坦在普鲁士皇家科学院进行了系列演讲，每周一次，共进行四周，向学术界介绍其最终解决方案的逐步发展过程。在第一次演讲中，他先指出“梗概理论”存在的各种缺陷，然后详细阐述了采用里奇曲率的新方案构想。在第二次演讲中，爱因斯坦指出，与梗概理论不同，新解决方案具有广义协变性。爱因斯坦一直梦想创建一套适用于一切参考系的真正意义上的广义理论，而眼下的这个解决方案完美地实现了他的梦想。

之后，爱因斯坦继续潜心研究，反复测算检验，力图找出那道可解释水星近日点进动现象的终极引力场公式。每次验算都必须算出十道极其复杂的引力场方程的一级近似解，但无论如何，爱因斯坦还是及时地在第三次演讲之前完成了这个“令人精疲力竭的艰巨任务”。

11月18日，爱因斯坦公布了他的计算结果——水星进动额外偏移的数据是42.9角秒！这一结果实在振奋人心！

我激动得快要发狂了。

——阿尔伯特·爱因斯坦

在爱因斯坦的运算中，水星是自发沿椭圆轨道绕太阳旋转的——与来自其他行星的引力摄动无关。也就是说，水星每世纪8.6角秒的轨道进动是其自发发生的。所以，水星的固有轨道并非如牛顿所言固定不变，而是一个变化旋转的椭圆形。

其实，该效应并非水星独有，只不过其他行星距离太阳较远，其固有的进动旋转相较水星而言便弱得多。比如，金星的近日点进动偏转每世纪仅为8.6角秒，地球为每世纪3.8角秒，火星则更小，只有每世纪1.4角秒。

在第三次演讲中，爱因斯坦提出了一项新的预测——太阳附近的星光将发生弯曲。他考虑了时间和空间的弯曲，最后演算得出星光偏转的角度应为1.7角秒。这是爱因斯坦新理论指导下得出的第一个真正预言——为一个尚未被人观测到的天文现象计算出具体数值。

最后一次演讲

1915年11月25日，爱因斯坦在科学院详细阐述了他的解决方案。他骄傲地宣布：“广义相对论终于成形，可称得上是一个逻辑严密的理论体系了。”他的方程式组也完全独立于任何参考系，也即独立于坐标系的选择。无论处于何种运动状态，它们的形式皆保持恒定不变。“自然的普遍性原则……就应适用于任何坐标系。”爱因斯坦在后来这样写道。爱因斯坦看重的广义协变原理终于得以满足。

这个理论处处透着无与伦比的美感。

——阿尔伯特·爱因斯坦

爱因斯坦的方程式组满足质能守恒定律与动量守恒定律，同时，在弱万有引力以及非相对论级速度下，方程式组可退化为牛顿重力定律。这趟始于1907年（那一年，爱因斯坦提出等效原理）的探索之旅至此终于画上句号，而在终点迎接爱因斯坦的是一个全新的研究范式，一个全新的万有引力模型。

之后，爱因斯坦给远在瑞士的11岁儿子写了一封信：

我以后一定会努力每年抽出一个月的时间陪你，你要明白你的父亲其实也是非常爱你的……几天前，我刚刚完成了我人生中最出色的论文之一，等你大一些，我再给你讲一讲。

在狂喜之中，爱因斯坦得知大卫·希尔伯特已在他进行最后一次演讲之前的四天，即11月21日在格丁根一本科学杂志上发表了他自己对于引力场方程的解法。

希尔伯特在最后时刻反戈一击战胜了爱因斯坦吗？1997年一个学术团队研究得出，希尔伯特的原始方程组其实并不具备广义协变性。显然，希尔伯特在看过了爱因斯坦的正确解法之后，修正了自己的解法，不过他的论文明确标示了“由爱因斯坦首次提出”。

即便如此，爱因斯坦还是感觉受到了背叛，并毫无遮掩地向希尔伯特表达了自己的感受，而值得赞扬的是，大卫·希尔伯特落落大方地给出了回应。他诚恳地承认，爱因斯坦才是广义相对论的唯一作者。不过，这次风波之后，爱因斯坦对于提早公布未发表成果已变得十分谨慎。

阿尔伯特·爱因斯坦向普鲁士皇家科学院阐释广义相对论引力场方程的那一天注定是人类科学编年史上具有开创性的一刻——那是爱因斯坦十年艰苦奋斗的结晶。这是爱因斯坦最欢欣的一次胜利，是他一生中最伟大的成就，是他献给世界的杰作。

下面就让我们一起来领略一番爱因斯坦的卓越之作。

宇宙的方程

当我向学生介绍爱因斯坦的惊世杰作时，我总感觉得给它配上一曲气势磅礴的交响乐——就如电影《2001：太空漫游》的开场：

小号：嗒，嗒，嗒……嗒嗒……

鼓声：咚咚……咚咚……咚咚……咚咚……咚咚…… [1]

我清楚我可能有些过于夸张了，不过我想也是情有可原的吧。毕竟，这些方程式向世界第一次呈现了我们寄身的宇宙其起源、结构以及演化过程。实际上，它们就是宇宙的方程。

让我们来看一下爱因斯坦引力场方程的最简形式：

时空曲率=质能密度

相对论主义者约翰·阿奇博尔德·惠勒以简洁（且有少许修改）的语言阐述称：

质能支配着时空，告诉它该如何弯曲。时空支配着质能，告诉它该如何移动。

换言之，质能产生时空曲率（万有引力）。更确切地说，质能密度的分布以及它在时空中的运动生成了时空曲率，即万有引力场。

而时空曲率反过来又支配着质能体的运动。更确切地说，时空曲率支配着物质和其引力场中非物质能量的运动。

在牛顿构筑的宇宙中，一个物体对另一物体产生力的作用；而在爱因斯坦构筑的宇宙中，一个物体导致时空弯曲，而“作为对该曲率的回应”，另一物体发生了运动。比如地球的质能导致了其邻近时空的弯曲，将一个物体往上抛，它便会沿着该弯曲时空中的固有路径——测地线进行运动。

爱因斯坦方程

爱因斯坦的引力场方程可用张量符号速记为一个称为爱因斯坦方程的单一等式：

曲率张量等于常量乘以能量-动量张量

简单来说，张量指的是一个符合某些转换规律的数学阵列。

致读者：这一小节接下来的内容涉及较多数学概念，如愿意，可直接跳至下一小节。

爱因斯坦方程包含一组共10个等式。如果要把它们全部详细写下来，“即便用最小的字体也得写满三大页纸”。直至今日，物理学家们仍能从这些极度复杂高难的方程式中汲取学术养分。

在数学层面，爱因斯坦方程可表示为：

G ab =KT ab

此处：G ab 为具有10个组成成分的曲率张量，代表时空曲率；

K 为常数，8πG /c 代表引力场常数；

T ab 为具有10个组成成分的能量-动量张量，代表质量密度、能量密度以及动量密度。

曲率张量可进一步表示为：

G ab =R ab -1/2Rg ab

此处：R ab 为里奇张量，代表时空曲率的变化速度（二阶导数）；

R 为里奇纯量，代表该时空曲率的曲率半径；

g ab 为度规张量（10个g's 代表所有“缝合在一处”的局部时空间隔。）

下标的a 和b 分别指代四个时空坐标系，x 、y 、z 和t ，如xx 、xy 、xz 、xt 等。

（关于爱因斯坦方程的详细信息、历史发展以及它具体是如何代表空间和时间曲率的，请详见附录E。）

下面就让我们来看一看爱因斯坦方程的两侧具体代表什么。

等式左侧

爱因斯坦方程左侧的曲率张量描述的是时空曲率（万有引力）以及时空曲率随地点转变（空间中）和时间流逝（时间上）的变化规律，也即时空曲率随时空变化的规律。它包含了时空间隔的全局性变化。

等式右侧

爱因斯坦方程右侧的能量-动量张量是万有引力，也即时空曲率的来源。更确切地说，能量-动量张量代表的是物质和非物质能量的分布以及它们在时空中的运动。

什么是能量-动量？它是数学表达式中质量、相对论性动量以及相对论性能量的整合。而且，就如时空曲率，能量-动量的大小不受匀速运动的影响。质能守恒定律与动量守恒定律合为一体，变成了能量-动量守恒定律。

（有关能量-动量的详细阐释见附录C。）

能量-动量张量包含了万有引力或时空曲率的三个来源：质量密度、能量密度以及动量密度。

质量密度——这一时空曲率来源是粒子质量（或相当于粒子的静止能量），所谓质量密度，指的是一定体积空间内含有的质量总和。

能量密度——无论何种形式的能量都是时空曲率的来源。

动量密度——动量，即物质和非物质能量在空间中的运动，它也可产生时空曲率。

根据爱因斯坦方程，能量-动量密度越大的天体，其在表面产生的时空曲率就越大（万有引力越强）。以中子星这一极端情况为例。

中子星是大质量恒星演变到最后的超浓缩天体。由于受到极度压缩，它的大部分电子和质子被挤压在一处，形成了中子。中子星的密度大得惊人，可达太阳的一百万亿倍。为了逃脱中子星引力的束缚，从其表面发射的物体其逃逸速度须达到539 130 239千米/小时，约为光速的一半。

时空曲率的剧烈增长也会影响中子星表面的时间流速。置于中子星表面的时钟每年要比静止于零重力外太空的时钟慢大约一个月，而太阳表面的时钟每年只比零重力外太空的时钟慢6秒。

爱因斯坦的引力场方程还包含了一个在牛顿宇宙中未曾提及的显著征象。物理学中，粒子动量的变化便是其压强，而由于动量是时空曲率的来源，那么，压强自然也是时空曲率的来源。因此，压强可产生万有引力场！

这里所说的压强和令汽车轮胎充气膨胀的压强是同一概念吗？是的。根据爱因斯坦方程，空气压强越大，轮胎的重量越大（虽然只增加极微量）。

动量以及压强的产生源于粒子在空间中的运动，就如轮胎中空气分子的运动。但是，与光速相比，轮胎中粒子的运动实在过于缓慢，此处压强对时空曲率的影响极其微弱。

那么，压强的影响在何处才会变得显著呢？在粒子运动速度达到相对论级的情况下——比如超大质量恒星的内部坍缩。压强对引力效应的影响对了解超大天体坍缩以及坍缩形成的中子星和黑洞具有重要意义。

万有引力的另一来源——其本身！

爱因斯坦的引力场方程极其难解。为什么呢？因为正如前文所言，时空曲率具有能量，而能量本身就是时空曲率的来源之一。因此，时空曲率本身亦可叠加产生时空曲率。也就是说，万有引力本身可创造万有引力！如今，人们常用计算机以及超级计算机来解决非线性的广义相对论方程。

问题解决

在此章开头我们提到，对于这一全新的万有引力理论，爱因斯坦设定了三个主要目标，而他的引力场方程完全符合这三个目标：

广义协变——曲率张量和能量-动量张量的变换规则是一致的。换言之，从一个坐标系（参照系）变换到另一个坐标系时，两个张量遵循相同的数学规则。因此，当我们在某一特定坐标系中令曲率张量等于能量-动量张量，这一等价关系在“一切想象得到的坐标系”中均自动成立。广义协变原理得到满足，爱因斯坦引力场方程适用于所有参考系！

守恒定律——引力场方程既符合质能守恒定律，也满足动量守恒定律。

弱万有引力——对于弱万有引力和非相对论级速度，如我们居住的太阳系，爱因斯坦引力场方程的预测与牛顿的理论几近一致。

牛顿的万有引力问题

在第九章中，我们指出牛顿的万有引力理论存在三个主要问题，而爱因斯坦的广义相对论一举解决了这些问题：

超距作用——牛顿理论无法解释万有引力究竟是如何进行传播的，比如，到底是什么从太阳穿越了相距1.5亿千米的空间来到地球，伸出它无形的双手将地球稳稳钳制在其运行轨道上？牛顿从未对此作出回答。那么，爱因斯坦给出的答案是什么呢？时空曲率。

正如我们所知，太阳的质能会使其所在位置的时空发生弯曲，而这些弯曲反过来又会使其外围的时空亦发生弯曲，并以此类推。所以，如同被保龄球压弯的蹦床织物表面一样，时空曲率从一个局部区域相继传递至另一个毗邻局部区域，从太阳向四周扩散，直至到达地球以及更远的远方。

长度收缩——广义相对论是如何处理相对距离这一概念的？在爱因斯坦的构想中，并不需要考虑从太阳到地球的全局距离，因为时空曲率具有局部性。

时空间隔从局部自由落体参考系到毗邻局部自由落体参考系的变化是一点一点从太阳传播至地球的，也就是说，从一个局部参考系到另一个局部参考系的“时空缝合”最终产生了全局性的引力场。

瞬时引力——广义相对论引力场方程一经完成，爱因斯坦便立即着手研究确定时空曲率的传播速度。令他兴奋的是，演算结果显示，万有引力并非如牛顿所言是瞬时传播的，而是以光速进行传播的！

爱因斯坦的宇宙

爱因斯坦的万有引力相对论虽在一开始并未受到大多数物理学家的重视，但随着时间的推移，它最终还是取得了令世人瞩目的成功。自艾萨克·牛顿之后，再没有一个科学家像爱因斯坦这样，几乎仅凭一人之力，便如有神助般构筑出一个精确而意义深远的现实模型。广义相对论很快便成为20世纪宇宙革命的最核心理论根基。

爱因斯坦取得重大突破的那个时刻距今已有一百多年，在这期间，广义相对论的各项预测几乎都已得到了直接或间接的实证证明。在最后两个章节，我们将讨论爱因斯坦一手构筑的那个令人惊叹的全新宇宙以及它所蕴含的深刻内涵。

注解：

[1] 　诚意推荐您在阅读此小节时播放此音乐。链接为：http://www.youtube.com/watch?v=SLuW-GBaJ8K.

第15章
展现真容的宇宙

霍雷肖，你可知晓，天穹和地底所蕴藏的奥秘远多过你哲学里的畅想。

——威廉·莎士比亚，《汉姆雷特》，第一幕第五场

1916年3月20号，阿尔伯特·爱因斯坦完成了他对广义相对论的著名阐述，其手稿刊登于《物理学年鉴》。十年之前，爱因斯坦也在这本享誉世界的德国物理学杂志上发表了自己的狭义相对论。

物理学界对爱因斯坦的新理论反响如何？大多持怀疑态度。没错，他的理论确实修正弥补了牛顿万有引力理论中的一些缺陷和不足，如水星的近日点进动偏转问题。但是，在过去的两百年间，牛顿的万有引力定律也成功地解释了地球上物体和天体的运动规律。

“我们是否应该因为这一点小偏差就决定从此抛弃艾萨克·牛顿的伟大理论？”他们发出疑问。毕竟，爱因斯坦提出的第一个理论，即极具颠覆性的狭义相对论，尚未受到学界的全面认可，而如今，这个疯狂的引力相对论理论所作出的种种预言也均未得到任何实质证据的支持。

“预言”是这里的关键词。苦思冥想出一套数学方程去契合已知的现象，如广义相对论推算出了水星进动偏转的数值是一回事，而为尚未施行的实验预测结果又是截然不同的另外一回事情了。毕竟，科学家大都十分擅长为已得数据建构数学模型。

作预测是一件很困难的事情，特别是对未来的预测。

——尤吉·贝拉

当一位科学家根据其新理论作出一个预测，其他一些科学家便会通过详尽的观察与严谨的测量独立验证该预测是否为真。

爱因斯坦曾在马克斯·普朗克公式的理论基础上提出，光是量子化的能量，并由此点燃了量子革命的燎原烈火；后来，爱因斯坦对光传播速度的思考又引领他创建了狭义相对论；如今，他的广义相对论已作出第一个预言，而这个有关引力场中光线弯曲的预言正亟待实质证据的检验。

艾萨克爵士，请原谅我们吧

1919年5月29日，英国天文学家亚瑟·爱丁顿——一个反战主义者和爱因斯坦引力理论的狂热拥护者——带领一支远征探险队赶赴西非几内亚湾的普林西比岛。此次出发的目标是，测量出在全日食期间太阳引力场中星光的弯曲偏角。

同时，爱丁顿还派遣了另一个由天文学家安德鲁·克罗姆林带领的小队，作为后备小组前往位于巴西北部亚马孙热带雨林中的索布腊儿尔观测此次日全食。

为什么要选择在日食期间进行观测呢？因为在寻常白天，太阳的光芒太过耀眼，天上的星星难以观测，尤其是那些距离太阳很近的星星，所以爱因斯坦建议那些想检验其光线弯曲理论的天文学家最好选择日全食期间进行观测，在那期间，即便是白昼也可明显捕捉到星星的影迹。

星星发出光线，掠过太阳边缘传播至地球，牛顿万有引力定律预测，此光线的偏转角度为0.875角秒，爱因斯坦依据广义相对论推算得到的结果则是1.75角秒——一半源于时间弯曲，一半源于空间弯曲（如图15.1所示）。

图15.1　太阳引力作用下的星光弯曲
牛顿万有引力定律预测偏转角为0.875角秒，爱因斯坦依据广义相对论推算得出的结果则是1.75角秒。

十分凑巧的是，日食发生的1919年，太阳正好位于非常少有的一片亮星——毕星团之中。毕星团大致处于金牛星座的正中位置。

爱丁顿的计划并不复杂：将日食期间（有太阳）拍摄的毕星团照片与六个月前在英格兰夜间（无太阳）拍摄的毕星团照片进行对比，以观察太阳附近的星团位置是否有明显改变（结果见表15.1）。

表15.1　1919年日全食观测结果

测量地点 | 有效照片 | 照片中星星数量 | 偏转（角秒）
普林西比岛 | 2 | 5 | 1.60±0.31
索布腊儿尔 | 8 | 至少7 | 1.98±0.12
|  | 牛顿的预测 | 0.875
|  | 爱因斯坦的预测 | 1.75

观测数据较为符合爱因斯坦的预测结果。

普林西比岛的观测数据显示，弯曲角度的平均值为1.6角秒；索布腊儿尔的观测结果则高一些，平均为1.98角秒。爱因斯坦预测的1.75角秒正好落于两个观测数据之间，误差在20％左右。爱丁顿在日食期间所得的观测数据由此成为支撑爱因斯坦新引力理论的第一个实证证据。

那么，爱因斯坦获悉此事后又做了什么事情呢？他向母亲发了一封电报：

亲爱的母亲——今天发生了一件很值得庆贺的事情。洛伦兹打电报告诉我，英国的探险家证实了我先前预言的太阳附近的光线偏转。

1919年11月6日，爱丁顿在伦敦伯灵顿府的宏伟大厅就此次考察的科研成果作正式汇报，会议尾声，皇家学会主席、电子的发现者J．J．汤姆孙发表了如下讲话：

这次科学考察的研究成果是自牛顿时代以来，在引力理论方面所取得的最重要结果……倘若爱因斯坦的推断与理论是正确的……那么它绝对称得上是人类思想史上所取得的最伟大成就之一。

他补充道：“我必须承认，至今尚未有人能够清晰地阐释爱因斯坦理论的真正内涵。”据说，在发表完此番演讲之后，汤姆孙转身面向高悬于大厅上方的艾萨克·牛顿肖像，恳切地说道：“艾萨克爵士，请务必原谅我们，您的宇宙已被推翻。”

1919年11月7日，伦敦《泰晤士报》在头版报道了爱丁顿的研究报告，同时在当天报纸第12页刊登了以《科学革命：爱因斯坦vs牛顿》为题的文章。隔天，《纽约时报》也对此进行了报道。这则消息很快传遍了全球。

崇拜者的各种各样的请求如潮水般涌向爱因斯坦，对于这突如其来的阵势，爱因斯坦一方面觉得挺有意思，但另一方面又感觉有些烦躁。这位早已学会享受孤独的科学家觉得自己快忍受不了这种铺天盖地的关注目光了。

新闻报道如泛滥的洪水，层出不穷，各种各样的问题、邀请、挑战也随之而来，叫人应接不暇，疲于应对，我甚至梦见自己被困于地狱烈火之中，难以脱身……这个世界简直就像个嘈杂无比的疯人院……每个人都想知道我正在干什么。

——阿尔伯特·爱因斯坦

接下来的几年间，爱因斯坦忙于到世界各地，包括欧洲、美国和远东出席各种公开活动，宣扬其新理论，这位“时代的天才”以幽默诙谐的语言、机智敏捷的反应以及谦逊有礼的魅力征服了一批又一批的听众。这种成为名人的状态无疑极大地满足了爱因斯坦的虚荣心，但同时却也掠夺了他专心于科研所必需的私人空间。

这盛大的名气让我变得越来越愚蠢，不过对此我并不感到惊讶，因为这本来是一个相当普遍的现象。

——阿尔伯特·爱因斯坦

大众已将爱因斯坦奉为“新时代的哥白尼”，对此马克斯·普朗克已早有预言。不过，科学界对于爱因斯坦理论的正确性依然有不确定的意见。有些人对爱丁顿实验的精确性提出了质疑，包括星星照片的清晰度以及测量手段等，如美国天文学家、利克天文台主管威廉·华莱士·坎贝尔就曾说过，“英国人的观测数据可没给我留下什么好印象”。

为了得到更为精确的测量数据，坎贝尔决定带领团队前往位于澳大利亚西部、荒无人烟的金伯利地区，观测1922年12月21日的日食。坎贝尔使用业已精心改良过的天文望远镜，在四张照相底板上记录下星星的位置，每张底板上的星星数量为62～85颗。而最终测量所得的平均偏移角度为1.720.11角秒——与爱因斯坦的预测结果高度吻合。来自多伦多大学的另一组观测数据结果与之相似，不过精确度不如坎贝尔的实验。

1919年日食的观测结果震动世界，1922年的这一次观测数据更是令大多数科学家对爱因斯坦的广义相对论彻底信服。

现代无线电干涉测量为广义相对论提供了更为精确的测量证据。在1975年的一次实验中，物理学家测得的光弯曲角度为1.750.019角秒；2005年天文物理学家爱德华·弗马龙和他的同事们利用特产基线电波干涉仪（VLBA）观测四个遥远的类星体，结论再次证实了爱因斯坦的预言，此次实验的误差仅为三百分之一。

种种铁证都在掷地有声地告诉我们，这个世界并不是我们以往所想象的那样。空间是“弯曲的”，时间也是“弯曲的”。正如阿尔伯特·爱因斯坦所精准预测的那样，“无形的”时空曲率在天体光线偏转现象中显露无遗。

现在，就让我们把讨论的焦点转移到爱因斯坦的另一个预言上。

旋转之感

爱因斯坦的广义协变原理将他的相对论从匀速运动参考系成功地推广至一切运动状态参考系。这也就是说，一切物理规律在一切参考系均保持不变。

或许你会想，“无论采取何种视角，物理规律都应该保持不变，好吧，即便如此，那又有什么大不了的吗？”事实证明，它确实很重要。自广义相对论对广义协变原理的依从可推导出一个意义深远的预言。

让我们一起来思考一个叫作“牛顿的水桶”的思想实验（改编自布莱恩·格林所著《宇宙的结构》）。

将一个圆桶盛满水，放在转盘上，并让转盘开始旋转。桶里的水一开始并没有太大动静，但水与旋转桶壁之间的摩擦力很快就使水随着圆桶旋转起来，渐渐地，水开始沿着桶壁向上攀升，圆桶中心也开始形成下沉的洼地。旋转的水面现在已变成凹形。

艾萨克·牛顿用此实验来捍卫空间是“绝对的”这一主张。他问道：“水桶是相对于什么在做旋转呢？”他的回答是：“相对于绝对的空间。”

爱因斯坦却说，世上根本没有绝对空间这回事。他告诉我们，不管我们选择以地面为参考系还是以桶内为参考系，我们都将看到相同的凹形水面。他的广义协变原理要求每一个视角做出的预测都呈现一致的结果。

那就让我们从不同视角来看看爱因斯坦所说的情况。

地面参考系——假设穆菲特小妹妹正端坐在小椅子上，静止于地面，从她的视角看，圆桶和水都在旋转，因此，桶里的水面呈下沉凹形〔如图15.2（a）所示〕。

图15.2　任意参考系皆成立
（a）坐在地面的穆菲特看到圆桶在旋转，正是圆桶的旋转使水面变成凹形。
（b）对于坐在桶上的汤姆而言，圆桶和水均处于静止状态，旋转的是外部世界，但是，水面依然呈凹形。

圆桶参考系——假设汤姆正坐在桶壁上，从他的视角看，圆桶和里面的水均处于静止状态，世界的其余部分则正在疯狂旋转。但是，他眼中的水面也呈凹形〔如图15.2（b）所示〕。

怎么会这样呢？从汤姆的视角看，以他自身为参考系，圆桶和水均为静止，旋转的是外部世界，那么，是什么令水面下沉形成凹面呢？

除此之外，还有一个疑问。汤姆同样能感觉到似有某种力量企图把他向外推移，远离水桶中心，但是，假如水桶是静止的，那么这股把汤姆向外推的力又是从何而来的呢？

牛顿会说：“这正是我想说的。”按照牛顿的理论，显然，水桶在旋转，桶里的水亦是如此，这就是水面呈凹形的原因，而这也是汤姆之所以感受到有股力正把他向外推的原因。你不能采用任意参考系，如坐在桶中的汤姆所在的参考系就不能采用，你必须采用穆菲特的参考系。为什么呢？因为在这个参考系中，物理学的解释行得通；在这个参考系中，方程式可代表正在发生的现实状况。这是一个特殊的参考系，这个参考系与绝对时空保持相对静止 [1] 。

然而，根据爱因斯坦的广义协变原理，一切参考系都是平等且有效的。这就意味着，所谓的特殊参考系是不存在的，汤姆所在的参考系与穆菲特所在的参考系一样有效。

那么我们要向爱因斯坦提出的问题是：假如水桶真的处于“静止”状态，而旋转的是外部世界，那么桶中水面真的仍会呈凹形吗？

我的意思是，如果水桶并没有进行任何形式的运动，只是放在那里纹丝不动，而是整个外部世界不知怎的开始绕着水桶反方向旋转，那么，桶里的水依旧会形成凹面吗？毕竟，在汤姆看来事实便是如此。

这听起来似乎有些荒谬对吧？我们真的可以就此驳倒爱因斯坦吗？或者，至少我们已经成功地利用爱因斯坦自己的逻辑体系将他困住了吧？这显然不可能。这位大师再次从一个看似无可避免的难题中成功脱身。只不过，他的解释乍听之下可能会有些怪异。

爱因斯坦的引力场方程确实认为，在汤姆的参考系中，是水桶外部世界的旋转使得水面呈凹形！所以，根据广义相对论，无论是在穆菲特的参考系还是在汤姆的参考系，桶中的水均会形成凹面。

这是如何做到的呢？让我们通过一个称为“惯性系拖曳效应”的广义相对论预言来回答这个问题。

惯性系拖曳效应

1918年，奥地利物理学家约瑟夫·伦泽和汉斯·蒂林运用广义相对论做出了一个非比寻常的预言：由于物体可弯曲空间和时间，旋转的物体可拖曳周围的空间和时间——就如糖浆桶里旋转的石头。

假设有一质量极大的旋转物体，一个巨大的空心球体（一个壳）。牛顿会认为，在空地旋转的球体不会对其周围的事物产生一丝影响。然而，组成这个空心球体的那些粒子正在空间中运动，粒子一旦运动便会产生动量，而根据爱因斯坦的理论，动量是时空曲率或引力的来源之一。广义相对论方程清楚地指出，空心球体内部和外部的空间和时间（或时空）均会受到球体旋转运动的拖曳。换句话说，就如物体动量可弯曲周围时空一样，物体的旋转动量也会使周围时空一起发生旋转。

因此，空心球体内部和外部的空间都将随球体一起沿相同方向旋转。所以，假如我们把装满水的圆桶放在旋转球体内部，旋转球体将会对静止水面施加力的作用，而这反过来也会导致水面形成凹状。

下面，最令人惊叹的部分来了！计算结果显示，对于这个球体以及宇宙中与球体质能相等的质能体而言，拖曳效应产生的水面下凹效果与宇宙静止而水桶旋转的情况相同。所以，关于究竟是水桶在静止宇宙中旋转还是宇宙在围绕静止水桶旋转的争论就无关紧要了，因为它们产生的结果都是一样的！

下一次若你想原地旋转，请务必记得，在你自己的参考系中，你是静止的，从你的角度看，你在旋转过程中感受到的晕眩，其实是外部世界的质能在做旋转运动而产生的。

这就是爱因斯坦广义协变原理的威力——一切参考系都可行！

拖曳效应是真实存在的吗？

在我们居住的太阳系中，拖曳效应极其微弱，因此很难测量发现。不过，如今物理学家们手头已掌握一些证据，或可证明拖曳效应的真实存在。

2004年，引力探测器B发射升空至地球上方约644千米处，该探测器旨在测量地球质能引起的时空曲率以及地球旋转引起的拖曳效应。2008年12月，探测器团队报告，测量所得的时空曲率——即所谓的测地线效应——与广义相对论的预测数据相符，误差在千分之五以内。

之后，经过数年艰辛的数据分析，团队终于在2011年5月正式对外公布拖曳效应的实验数据。广义相对论预测，地球旋转引起的拖曳效应可导致机载陀螺仪每年偏转0.0392角秒，而探测器测得的平均数据为每年0.03720.0072角秒，这与爱因斯坦的预测大致符合，统计误差约为18％。

虽然该误差范围尚称不上十分精确，但是这个实验结果依然举世瞩目，毕竟要测量一个效应如此微弱的物理现象实非易事。实证再一次证明，爱因斯坦构筑的怪异宇宙就是我们身处的宇宙——真空本身竟也会随着远处的旋转物体一同旋转。

更多宇宙奇迹

广义相对论还预言了许多诡异现象的存在，比如引力透镜与引力波。

引力透镜

假设遥远处有一个类星体，在类星体和地球之间有一个巨大的星系。在我们看来，位于前方的星系将远处的类星体藏在了后方，犹如宇宙“日食”。

根据广义相对论，就像星光经过太阳会受到弯曲一样，来自遥远类星体的光线将在介于中间的星系时空曲率（即引力）的影响下发生弯曲。因此，来自类星体的光线将围绕星系的弯曲偏折，产生从地球看来十分诡异的光学现象。图15.3便是此宇宙光错觉现象，即引力透镜现象的示例。

图15.3　引力透镜
从地球观测：（a）遥远星系形成一个围绕中间星系的光环。（b）在中间的涡旋星云的作用下，同个类星体可产生不同影像。

左边图像便是引力透镜B1938+666。这里的背景星系和前景“透镜星系”均与地球呈一条直线排列。因此，来自背景星系的光线被扭曲成了一个围绕前景星系的巨大光圈。而这个效应被称为爱因斯坦环。

若星体之间不呈完美直线排列，则可形成多种背景星体图像。在引力透镜G2237+0305（见图15.3右侧）中，类星体距离地球约80亿光年，在距地球4亿光年的透镜星系的作用下，在地球可观测到此类星体的四种不同影像，此效应被称为爱因斯坦十字架。

引力波

1916年，爱因斯坦在广义相对论方程中发现了一处就算是在牛顿最荒诞不经的梦境里也未曾出现过的物理现象——引力波。爱因斯坦所说的引力波指的是时空弯曲中的涟漪，它们以光速在真空中传播。

爱因斯坦经推算预言，任何处于加速状态的质量体——以球状或圆柱状进行对称运动的物体除外——都可产生引力波。引力波不是在时空中传播的波，而是“时空结构本身产生的波”！

引力波经过物体时，要么会对其产生挤压，要么会对其进行拉扯（如图15.4所示）。为什么我们此前从未注意到该效应的存在呢？因为时空本身是个十分僵硬的媒介，即便引力波蕴含大量能量，它们导致的挤压或拉伸效果也极其微弱，所以很难被我们察觉。

图15.4　引力波时间顺序
这一圈滚珠承轴均处于同一平面，引力波经过时，滚珠结构或被挤压，或被拉伸，间或成为向这一方向拉伸的椭圆，间或成为向另一方向拉伸的椭圆。

我们正身处引力波研究的开创性时代。许多敏感度极高的探测器已建成投入使用，希望能直接探测到引力波，比如美国的LIGO，意大利的VIRGO以及德国的GEO，除这些之外，全球还有其他许多采用最新技术的设备正准备投入使用。

引力波为什么值得我们如此大费周章检测其存在？除了为广义相对论的预言提供实质证据，这些检测还可帮助我们更深入地了解双子星系、超新星爆炸以及黑洞以及更好地探寻宇宙的起源。假如我们真的能够检测到宇宙大爆炸后瞬间生成的宇宙引力波背景，那么又会有怎样的新奇迹在等待着我们呢？

下面让我们把目光转投到被史蒂芬·霍金称为“宇宙间最神秘的事物”——黑洞上。

时间静止的地方

爱因斯坦引力场方程在数学层面的细节极其复杂，远超本书所能涵盖的范围，况且仅凭作者的能力也绝无可能将其完全厘清。一位德国陆军中尉、著名天文物理学家为爱因斯坦的广义相对论撰写了一个简化注释版本。

第一次世界大战爆发之时，卡尔·史瓦西这位41岁的德国犹太人第一时间便志愿报名加入德意志陆军部队，入伍之后，史瓦西被分配到炮兵部队并被派往俄国。1915年末，史瓦西设法找到了爱因斯坦在普鲁士科学院所做的关于广义相对论的报告，短短两个月后，史瓦西就给爱因斯坦写了一封信，并在信中提出了他对爱因斯坦引力场方程的第一组精确解。

我从没想过，竟然有人能以这么简单的方式，用这么简洁的公式表示这个问题的精确解。

——阿尔伯特·爱因斯坦

为了简化解题思路，史瓦西仿效牛顿的质心法，假设天体（如太阳）的所有质能都集中于中心一点。不过，还有一个问题。史瓦西的解法显示，正如天文物理学家约翰·格里宾所指出的：“任何集中于某一点的质量都会致使时空大幅度扭曲，质量体附近的空间会极大地收拢至质量体周围，令它与余下宇宙分割断裂。”

史瓦西发现，这个所谓的“分割断裂”会扩散到天体区域——包括质量集中的那一点。在这个区域中，没有任何东西可逃逸至外部世界。并且，质能越集中于一点，其周围的隔断区域就越大。

卡尔·史瓦西竟在无意中发现了后来被约翰·阿奇博尔德·惠勒称为黑洞的这类天体在数学层面的立足根基。

什么是黑洞？我们来看一个最简单的例子：既不进行旋转又不带电荷的黑洞。在其中心是一个极小极小的点，叫作奇点。广义相对论认为，这个奇点非同寻常，它具有无穷大的质能密度以及无穷大的时空曲率。

这意味着什么呢？当你解出的答案为无穷，那就意味着你的原始方程式是不成立的，是无效的。广义相对论——人类迄今为止最受认可的引力理论——无法告诉我们黑洞中心的情况。（对于这个问题我们或许需要一个新的物理理论。）

不管奇点具体具有何种特征，有一点是我们可以确定的，那就是它会被隔离天区团团包围。所谓隔离的天区其实就是视界，一种单向球形阻隔，可将时空中的一部分区域与外部宇宙隔离开来。发生在隔离天区中的任何时空事件都无法为外部世界所察，也没有事物有能力从视界中逃逸离开，即便光也不例外。它之所以被称为“水平面”，是因为它就如地球上的水平面，我们无法看到超越它之外的景象（如图15.5所示）。

图15.5　非旋转黑洞
非旋转黑洞的所有质能均集中于一点，该点名为“奇点”（外部世界不可见）。奇点周围的球形边界便成为“视界”。任何物质均无法逃出视界，即便是光也不例外。

为什么黑洞是“黑”的？因为其无穷大的引力来源引发了极限情况下的引力红移，黑洞视界范围内所有光线的频率均被拉伸为0！（见图15.6）

图15.6　时空曲率之“手”
黑洞视界内的光线被拉伸至0频率。

这对于时间又意味着什么呢？在之前章节我们已讨论过，光线电磁波规律性的上下波动相当于时钟，所以，光线频率为0意味着时间也为0，因此，从远处观察，黑洞视界中的时间是凝固静止的！

这些在你听来或许就如科幻小说般匪夷所思，若你果真感觉如此，那么恭喜你，你的想法与爱因斯坦、史瓦西不谋而合。他们也认为，黑洞只不过是一个存在于数学层面的建构，并不具备实质性物理意义。他们的看法是正确的吗？换言之：黑洞是否存在？

黑洞是否存在？

根据现代宇宙理论，当质量约为太阳20倍或更大的恒星将其内部核燃料消耗殆尽时，“垂老的”核反应堆所产生的热量和向外的压力再也无法抵抗其自身引力产生的向内挤压的作用力，此时，恒星将发生内爆，核心也会开始坍缩，其外层将以冲击波的形式来回反弹，最终引发壮观的超新星爆炸。

假如坍缩形成的核心质量是太阳质量的1.4～2倍，那么新形成的星体是中子星；但是，假如核心质量是太阳质量的2倍以上（具体数值不可确定），那么新形成的星体便是黑洞。

在形成黑洞的过程中，恒星内爆的挤压重力过于巨大，使得其核心可以克服一切原子力和核力，并经受一连串“永不停歇的坍缩反应”，最后形成一个无穷小的点，即奇点——至少广义相对论和量子力学是这样告诉我们的。

那么，这些黑洞究竟在哪里呢？依凭现今的科技水平是不可能直接观测到黑洞的，这无异于在黑色夜空中用肉眼寻找一个遥远的黑色圆盘。所以，天文学家们是如何为看不见的物体找寻其存在的证据的呢？

假设灌满了肥皂水的浴缸中有一个无形的排水孔，那么，你该如何判断这个无形排水孔的开闭状态呢？通过观察肥皂泡的移动、肥皂水的涡流以及鸭子玩具的运动轨迹。它们将围绕那个看不见的排水孔打转，然后掉进这个时空曲率的“引力井”中。此时，你便可间接得知，这个排水孔是打开的。

同样，许多现代天文观测都给出了引人注目的证据——尽管是间接证据——证明黑洞确实存在，包括：（1）毗邻恒星的气体和尘埃粒子冲向无形黑洞时的运动轨迹；（2）这些超高速运动的天体材料发射出的高能电磁辐射；（3）附近星星环绕这些高质量无形物体运转时的超高速度。

关于黑洞最激动人心的证据存在于类星射电源也即类星体之中。一个类星体辐射的光线比数十亿恒星加起来都多，因为给类星体提供能量的是质量为太阳的数十亿倍的特大质量黑洞。在哪里可以观察到这些可怕的怪物的踪迹呢？在那些宇宙起源之初便已形成的巨大星系的中心。

而且，与史瓦西描绘的理想化黑洞不同，这些黑洞会旋转。为什么呢？因为它们保有其组成物质的角动量。当物质坍缩形成黑洞时，其旋转速度会越来越快。

依据惯性系拖曳效应，旋转的黑洞会拉动其周围的空间围绕其旋转，这反过来又会使周遭的弥散物质围绕黑洞旋转，形成吸积盘。吸积盘中的物质旋转速度极快——通常可达到每小时数百万英里——因此其内部摩擦力可产生惊人的热量。扭结的磁场推动这些炽热的物质加速向外移动，产生巨大的物质喷流，这些喷流与吸积盘互相垂直，以近乎光速的超高速喷射进入太空。

图15.7所呈现的是一个在处女座星系发现的、由超高光度类星体产生的黑洞喷流。根据在地球测得的类星体距离（红移）以及光线数量，天文物理学家推算认为，此类星体的能量输出竟高达太阳光度的上万亿倍。这个抽象数据意味着什么呢？它意味着，它比银河系所有恒星加起来还要亮一百倍。

图15.7　黑洞喷流观测图
智利拉西拉天文台ESO新技术望远镜记录下的3C 273类星体内的黑洞喷流。

最近，NASA的钱德拉X射线天文望远镜和其他巡天观测告诉我们，假如我们能像超人一样拥有X射线透视眼，那么在幽深的夜里，只要我们抬一抬眼，便能看到亿万闪烁的光点——那是众多遥远星系的中心处，物质落入超大质量黑洞时所发出的超高能耀眼光辉。

宇宙中有多少个黑洞？NASA的天文物理学家估计，每个星系的中心通常都存在一个超大质量黑洞以及数亿个恒星黑洞。而在我们可观测的宇宙中，大约有超过1000亿个星系，这也就是说，仅在我们可见的宇宙空间中，就存在大约10亿亿个黑洞。

黑洞果然很怪异吧？还有更诡秘的呢！接下来就让我们一起来了解一下广义相对论预言的另一个奇特现象吧——虫洞。

虫洞与嵌入图

为了帮助我们更直观地了解虫洞，我们先来看一看物理学家们所说的嵌入图。

假设一维空间中有两个点，由一条直线连接〔见图15.8（a）〕，现在我们在两点中间直接放入一个天体，如太阳，那么，根据爱因斯坦的理论，此时两点之间的空间会弯曲，也就是说，从远处观察，由于太阳的存在，这两点之间的距离受到了拉伸。

图15.8　二维嵌入图
如何表示由于质能存在而产生的距离增加（即空间曲率）。

我们该如何表示这一距离上的增加，也即所谓的空间曲率呢？其中一个方法就是在两点之间画一道曲线〔如图15.8（b）所示〕，此时从A 点到B 点之间的线变长了，这是因为由于空间曲率、由于太阳的存在，A 点与B 点之间的距离变长了。

事实上，A 点与B 点之间的这条线并不是真的向下弯曲了，它弯曲进入的是一个虚构的数学空间，称为超空间，所以，我们所见的是一个一维的真实空间和一个一维的超空间。这就是嵌入图的一个示例（我们也可把线画成向上弯曲，其方向没有实质影响）。

三维空间中的太阳嵌入图——现在，我们把目光拓展至二维真实空间以及第三维超空间。若无太阳存在，空间不发生弯曲，平整犹如一张白纸，但是，如图15.9所示，太阳的存在会扭曲周围的空间（此示例图描画的太阳是史瓦西为解决广义相对论引力场方程而假构出的理想化太阳——正球体、均匀分布、无旋转以及不带电荷）。

图15.9　三维嵌入图——空间中围绕太阳的圆圈
由于太阳质能对空间的拉伸，圆圈直径变长，周长则不受影响，因此周长与直径之比不等于π。

假设现有一个巨大圆圈正围绕着这个理想化的太阳，那么，太阳的存在会对这个圆圈造成什么样的影响呢？空间中与太阳表面平行的距离（正切）不会受太阳存在的影响，因此，圆圈的周长保持不变。

但是，空间中与太阳表面相互垂直的距离（径向）则难以避免影响，它们将受到太阳质能的拉伸，因此，从远处观察，由于空间的拉伸，圆圈的直径变大。所以，若我们用圆圈周长除以其拉伸后的直径，所得数值将小于π。也就是说，欧几里得几何体系对太阳周围的空间不适用。

广义相对论预测，由于空间的拉伸，太阳的直径将被拉长大约4千米。对于质量较小的地球，其直径拉伸长度大致为2.5毫米。

现在我们就来看看不旋转的黑洞会对其周围空间造成什么影响。

三维空间中的黑洞嵌入图——广义相对论在其方程中体现了一种“对时空的独特见解”，它预言，黑洞内部的时空结构将敞开与某个喉管（即虫洞）连接。而这个所谓的虫洞或许是连接宇宙中另一时空点的通道。

图15.10的史瓦西黑洞嵌入图显示，如果宇航员可在某种手段的庇护下抵御黑洞的挤压重力，并成功通过其虫洞，那么他将抵达宇宙的另一个时空点——更有物理学家认为，将抵达另一个宇宙！不过，在梦想搭乘飞船穿越虫洞之前，我们必须清楚一件事，那就是恒星的坍缩远比史瓦西的理想模型复杂难懂。科罗拉多州立大学的物理学教授安德鲁·汉密尔顿就曾指出：“当现实的恒星坍缩成黑洞时，并不会产生虫洞。”

图15.10　黑洞嵌入图
广义相对论方程预言了“虫洞”的存在。

著名的相对论研究者罗格·潘洛斯分析认为，即便史瓦西虫洞真实存在，我们也无法利用它穿越至另一个宇宙。为什么呢？因为电磁辐射和量子效应会被黑洞增速放大，并最终“摧毁较小的封闭宇宙”（宇航员就更不在话下了）。

这可真煞风景！我还梦想着要去另一个宇宙看看呢。

创造

广义相对论最意义深远的贡献或许就是清楚地告诉我们，宇宙在时间和空间中具有一个有限的起点。大爆炸这个创造了宇宙的事件究竟是什么？是什么导致了大爆炸的发生？我们的宇宙真的仍在持续膨胀吗？如果是这样的话，那它最终会膨胀到何种程度？什么是暗物质和暗能量？它们就是决定宇宙未来的关键因素吗？

下一章，也即本书的最后一章，将集中讨论这些问题。

注解：

[1] 　忽略不计地球自转与公转所造成的微弱影响。

第16章
起初

起初，神创造天地。

——《创世记》1.1

起初，只有特佩坞和古库玛兹，他们坐在一起，思索、畅想，想到什么，什么就会出现。

——玛雅创世神话

起初，地球只是一片笼罩于茫茫黑暗的荒原，没有生命，没有死亡，太阳、月亮、群星，均在地表之下沉沉昏睡。

——澳大利亚土著居民：《黄金时代》

起初，世上只有黑暗、流水以及伟大的神明，本巴。

——波肖构，中非班图部落

某个晴朗的静夜，群星在幽黑夜幕里闪烁如宝石。当我们仰望这片星空，心底总会不自觉地涌出如潮的探问：我们人类到底是如何发展到今天这样的状态的？亘古至今，宇宙是否总是如今日这番景象？宇宙的未来又会走向何方？这一章节，我们将以大爆炸理论（人类历史上首个探索宇宙起源、结构及演变的可实证化的科学理论）为根基对这些问题进行探讨。

大爆炸理论的发展离不开许多人的贡献——未拿报酬的实验室助理、法学院毕业的西班牙语老师、看门人、才智超人的俄国数学家、天主教牧师、爱开玩笑的物理学家等等。当然，那位名为阿尔伯特·爱因斯坦的前专利局雇员是肯定不能落下的。这个故事是由他们共同创作的。

宇宙有多大

1917年，爱因斯坦尝试以广义相对论做理论框架为整个宇宙建构模型。爱因斯坦根据当时掌握的天文观测数据对整个宇宙的平均质能密度进行了测算，然后又以此结果为基础，利用广义相对论估算了宇宙的整体时空曲率。（彼时，人们知晓的所谓“整个宇宙”其实只有银河系。）

演算的结果令爱因斯坦深受折磨。他的等式分明告诉他，这个包含质能的宇宙不可能永远保持同一大小，要么膨胀，要么收缩，就如把皮球抛向天空，皮球要么往上升，要么向下落，不可能保持在固定位置。

这一“非静态”宇宙理论与过往的普遍观点背道而驰。那个时代的科学家，包括爱因斯坦，均认为我们的宇宙必将亘古永存——在无垠的过去，它是这般形态；在永恒的未来，它的大小也必然固定不变。

由于尚无实证观测数据支持，爱因斯坦不愿接受这个由引力场方程告知他的信息，他断然将其拒之门外。为此，他还在理论中引入了一个物理学史上最著名的“假想系数”——宇宙常数。由此，爱因斯坦引力场方程建构下的宇宙方才呈现固定静态。

修订后的引力场方程为：

曲率张量加宇宙常数等于常数乘以能量-动量张量

若以张量符号表示，则为：

G ab +Λg ab =KT ab

此处：G ab 依然表示曲率张量，Λ 为宇宙常数，g ab 表示度规张量，K 依然表示常数8πG /c ，其中G 为引力常量，T ab 依然表示能量-动量张量。

这个所谓的宇宙常数到底起何种作用呢？它为方程引入一个向外压力项，以平衡时空曲率（即引力）的向内挤压重力。爱因斯坦为宇宙常数设定的数值十分巧妙，使得方程的最终计算结果指向一个恰好平衡、既不会收缩也不会膨胀的静态宇宙。而且，该宇宙常数数值很小，在银河系范围内可忽略不计，只在极大宇宙距离下才有显著意义。

爱因斯坦的宇宙常数“绝妙地修正了”引力场方程——一个终将令他后悔莫及的决定。

宇宙之尺码

让我们把时间的齿轮暂且拨回1895年。彼时，16岁的爱因斯坦在意大利乡间想象着搭乘光束遨游天际。而在另一片大陆，一个名叫亨丽爱塔·斯旺·勒维特的年轻女学者正被位于马萨诸塞州剑桥市的哈佛学院天文台聘用，担任“计算机”一职，负责计算每片照相底板上的星星数量。而在她记录的众多天体中，就有造父变星。造父变星尺寸极大，其光亮度随时间变化——它们以规律性时间间隔发生脉动，一个周期从几天到几个月不等。

勒维特注意到，造父变星的亮度与其脉动频率呈相关关系：造父变星的脉动速度越慢，其亮度越大。勒维特在1908年发表了她的观测结果，但遗憾的是，这份意义重大的报告终其一生也未受到学界重视。

在勒维特发现造父变星的光度规律之前，天文学家惯用视差法来测定恒星与地球的距离。天文学家通过望远镜为恒星拍摄一张照片，六个月后再为该恒星拍摄另一张照片，通过对比两次拍摄时地球的位置以及与天体形成的角度，再运用基本的三角几何原理，便可粗略地计算出恒星与地球的距离，此种估算方法的适用范围仅为一百光年左右。

1913年，丹麦天文学家埃希纳·赫茨普龙对“勒维特定律”进行了校正。由于赫茨普龙意图测量的第十三号造父变星距离地球太远，视差法无法有效发挥作用，因此他必须转而采用另一种方法。他通过恒星的蓝移效应或红移效应来测算其整体速度，之后，他再仔细检视星图集以进一步确定恒星在天际运动的速度。

在恒星本身运动速度保持不变的前提下，它与我们（即地球）离得越近，在我们看来它便运动得越快；它与我们离得越远，在我们看来它便运动得越慢。利用这一原理，赫茨普龙估测了每颗造父变星与地球的距离，并以此修正了勒维特观测并总结所得的造父变星脉动频率与光度关系。

如今，天文学家只须测量造父变星的脉动频率以及视亮度，便可确定其真实亮度并据此估算造父变星与地球的近似距离。这其中的原理是什么呢？恒星的视亮度指的是恒星在我们的天文望远镜里呈现的亮度，它随距离平方值的增加成比例减弱；真实亮度指的则是恒星在源头处真正发出的光度。通过对比造父变星的视亮度（天文台观测所得）与其真实亮度（根据观测所得的闪烁频率和勒维特定律推算得到），天文学家可确定造父变星与地球的实际距离。

由此，造父变星成为新的“标准烛光”，将人类可测算的天文距离一举扩大至一千万光年！

哈勃的突破

在那时，大多数天文学家深信，银河系便是整个宇宙。其实，他们也曾在望远镜里窥见过丝缕幽微的螺旋状星光。那么，这些散发着微光的所谓星云究竟是什么呢？只是星际幽浮的尘埃吗？又或许是某个新太阳系的边缘？不过，无论它们具体为何物，天文学家大都认定，它们在银河系范围内。

当然，其中也有一些微弱的反对之声。美国天文学家希伯·柯蒂斯、维斯托·西里弗和其他几位同行提出了相反的意见，他们认为，这些星云是“岛宇宙”——独立于银河系之外的星系。

1924年，美国天文学家爱德温·哈勃，这位法学院毕业生、前运动员、西班牙语教授以及罗德学者，将加利福尼亚威尔逊山上新建的天文望远镜对准了一团名为“仙女座”的微弱螺旋状“星云”（见图16.1）。这座当时世界上最大的天文望远镜显示，在这些被大多数人认为只是一团星际尘埃的物体边缘，悬浮有几颗独立的恒星。

图16.1　爱德温·哈勃（1889—1953）
他经观测发现，在银河系之外的宇宙中，尚存在其他许多星系。

这些恒星便是造父变星！哈勃随即依据勒维特的频率—光度关系，推算确定这些恒星与地球的距离。演算结果表明，它们距离地球竟有一百万光年之远，而我们的银河系宽度仅为几十万光年。因此，哈勃断论，仙女座不可能位于银河系之内（现代观测数据显示，仙女座星系与地球的距离为250万光年）。

随后，哈勃又开始在其他星云搜寻造父变星。距离测算表明，这些星云皆远在银河系之外。因此，他认为，柯蒂斯和西里弗的主张是正确的——这些星云属于其他星系。

曾经，哥白尼告诉我们，地球并非宇宙的中心；此时，哈勃告诉我们，我们定居的星系，只不过是几千亿个星系（这还仅是我们可观测的宇宙）中的一个罢了。

弗里德曼的动态宇宙

1922年，正是苏联成立的那一年，苏联数学家亚历山大·弗里德曼发表了他对爱因斯坦广义相对论引力场方程的解。其解显示，我们的宇宙“可能膨胀、收缩、坍缩，甚至可能诞生于一个奇点”。换言之，弗里德曼建构的是一个动态的宇宙，一个其大小会随时间变化的宇宙。

对此，爱因斯坦又给出了怎样的回应呢？他认为，弗里德曼的非静态宇宙“问题颇多”。虽然后来爱因斯坦撤回了这番尖刻的评价，但他依然坚定地认为，弗里德曼的解在物理层面是毫无意义的。

1925年，亚历山大·弗里德曼因伤寒不幸离世，享年仅37岁。遗憾的是，他未能活着亲眼看到支持其膨胀宇宙理论的实证证据，也未能亲自听到爱丁顿爵士的观测数据掷地有声地宣布，爱因斯坦的静态宇宙模型是站不住脚的。

勒梅特

乔治·勒梅特是一位来自比利时的罗马天主教神父，同时他也是比利时天主教鲁汶大学的物理学教授，还曾师从爱丁顿爵士。勒梅特未曾获悉弗里德曼的研究成果，并自己独立提出了爱因斯坦引力场方程的动态解，只不过与弗里德曼的解相比，勒梅特给出的结果在某些方面稍显不足。1927年，他在法国一本无名气的比利时期刊上发表了自己的研究结论。

以自己解出的模型为基础，勒梅特提出，星系距离与其红移现象之间存在线性关系。这是什么意思呢？这意味着，星系的距离越远，其光线的红移现象越显著（即频率越低）。

那么，又是什么导致了光线在光谱上的移动呢？勒梅特认为，在光线穿越广阔宇宙来到地球的漫长路途中，宇宙空间本身的膨胀拉伸了星系光线的频率。光线传播的距离越长，宇宙膨胀的程度便越大，光遭受拉伸——也即红移——的程度也就越大。

勒梅特还以实证证据支持了他的理论。他结合天文学家维斯托·西里弗和古斯塔夫·斯特隆伯格记录的星系红移数据以及哈勃观测推算的星系距离数据，认为两者之间存在相关关系。数据表明，星系距离越远，观测到的红移现象越显著，这与勒梅特的理论吻合。这位神父完成了一项意义深远的重要发现：宇宙处于膨胀之中。

图16.2　乔治·勒梅特与阿尔伯特·爱因斯坦

同年，爱因斯坦在布鲁塞尔出席了享誉学界的索维尔物理学会议，会上，激动万分的勒梅特抓紧机会向这位伟大的物理学家阐释了自己建构的宇宙模型。对于勒梅特的研究结论，爱因斯坦做出了如下回应：“你的数学计算无疑是正确的，但你对物理的理解却十分差劲。”（见图16.2）

两年之后，爱德温·哈勃——就像其他大多数科学家一样，他也未曾拜读过勒梅特的论文，开始了他自己对星系红移与距离的调查研究。他负责测定24个星系与地球的距离，天文学家米尔顿·赫马森则负责检测红移。赫马森从前是一位赶骡人，只完成了八年级的课程便中途辍学，在天文台当看门人，此后，他刻苦自学，并最终成了哈勃的助手。

1929年，哈勃将他们的研究成果正式发表，这是一篇具有里程碑意义的论文。他们的观测数据清楚地呈现了一个总体趋势：遥远星系的距离与其红移成正比。由于天文学界鲜有人知悉，在哈勃之前勒梅特已得出过类似研究成果，因此，他们误将此关系定名为“哈勃定律”。

基于勒梅特与哈勃令人难以辩驳的实证证据，爱因斯坦承认，他犯下了学术生涯最大的一次错误。他引入的修正因素，即宇宙常数，是毫无必要的。1931年，谦逊的爱因斯坦前往威尔逊山天文台，亲自向爱德温·哈勃致谢，感谢他把自己“从愚蠢的泥沼中解救出来”。

哈勃定律（非相对论性公式）在数学层面可表示为：

退行速度等于哈勃常数乘以星系距离

V =H 0 ×d

此处：H 0 =67.15±2km /sec /Mpc 且V =zc （z 为红移，c 为光速）

因此，星系退行远离我们的速度等于哈勃常数和星系与我们的距离的乘积。

当退行距离比光速之比显著（即退行距离为相对论级速度），哈勃定律变为：

V =〔（z +1〕2 -1]c /〔（z -1）2 -1〕

膨胀的宇宙

所以，宇宙中的一切事物都在膨胀吗？不尽然。空间的膨胀只对星系团之间的距离有影响。星系团由几十甚至几百个星系因相互引力约束聚合而成，各个星系团之间存有近乎真空的广阔空间。

膨胀扩展的力十分微弱，在星系团内部，可被引力轻易抵消。所以，银河系乃至我们本星系群内部的空间都不会膨胀。膨胀力只在星系团之间的巨大天文距离下才具有显著作用，在这些空间，宇宙膨胀切实发生。

但是，宇宙会膨胀至何种状态呢？和其他所有相对论预言一样，这个问题的答案同样透着无尽的怪异与诡秘。根据爱因斯坦的推断，因为宇宙囊括了所有时空，也即所有空间和所有时间，因此，宇宙“将不会膨胀变成任何其他东西”。

根据广义相对论，宇宙的膨胀是“度量式”的膨胀，这意味着，在远离星系或星系群的空间中，两点之间的局部距离将随着时间的流逝而增加。假设在真空空间中，有两个小球处于相对静止状态，随着时间的推移，它们将逐渐远离对方，但小球本身并无运动，这是因为它们之间的局部空间正被持续拉伸——空间本身固有的效应。

比光更快？

等等，是不是有哪里不太对劲？根据哈勃定律，随着星系距离的增加，其退行速度（即远离我们的速度）也会成比例增加，那么，当星系的退行距离增加至一定程度，岂不是会超越光速？是的。但是，爱因斯坦不是说过，没有什么物体的速度可快过光速吗？难道爱因斯坦的逻辑大厦即将就此崩塌？

当然不会。爱因斯坦再一次设法避开了这一棘手难题。根据狭义相对论，在空间中，任何物体的运动速度只能无限接近光速，而无法超过光速；但根据广义相对论，空间本身的膨胀速度是不设限的，空间可以超越光速的速度膨胀。

离我们极遥远的星系团退行远离我们的速度确实快于光速，但实际上，那并非由星系团本身的运动导致的，而是星系团之间的空间在膨胀。根据布莱恩·格林所言：“总体而言，星系（团）在空间中几乎不发生位移，它们的运动几乎都是源于空间本身的膨胀。”而这种空间的拉伸膨胀在速度上是没有上限的。

现在就让我们来看一看宇宙膨胀还具有怎样的深层意义。

宇宙蛋

1927年，爱因斯坦向勒梅特介绍了弗里德曼的动态宇宙论文，四年之后，这位比利时神父提出，我们的浩瀚宇宙始源于一个“单量子”。倘若宇宙处于不断膨胀状态，那么，倒回过去，它势必越缩越小，因此，它必然具有一个有限的开端。“我们可以把宇宙的源头设想成一个独一无二的原子形态，”勒梅特写道，“这个原子蕴含了整个宇宙的总质量。”

学界对勒梅特的主张反应如何呢？对于这个由天主教神父提出的宇宙起源假说，许多物理学家持怀疑态度。这个假说与《圣经》中《创世记》的故事过于相似，而令情况更加糟糕的是，庇护教皇出面宣称，勒梅特的理论证实了《圣经》中有关宇宙创世的描写。勒梅特为自己辩解，这纯粹只是一个科学理论，无关其他，他也无意确认或否定宗教信仰中的任何描述。之后他这样写道：

据我所见，这样一个理论已全然超越任何形而上或宗教问题的讨论范畴……虽然它与《以赛亚书》中有关上帝以及宇宙开端的描述相一致。

——乔治·勒梅特

1933年，勒梅特与爱因斯坦一起在加利福尼亚举行了系列演讲。对于自己先前反对的观点，爱因斯坦公开承认自己犯下了大错，并称赞勒梅特的理论是“迄今为止我所知悉的有关宇宙起源的众多解释中，最美丽也最令人信服的一个”。

1964年，天文学家观测发现了宇宙背景辐射，勒梅特的假说得到证实。1966年，勒梅特的继承人将这一发现告诉了病榻上的勒梅特，当时勒梅特因心脏病发作正在圣皮埃尔医院住院治疗，两周之后，这位“大爆炸理论之父”不幸离世，享年71岁。

宇宙大爆炸

1948年，旅美俄裔物理学家乔治·伽莫夫扩展了勒梅特的理论。伽莫夫提出，宇宙诞生于一次巨大的爆炸——此后被学界称为“大爆炸”。依据伽莫夫的理论，所谓大爆炸，并不是有什么类似炸弹的物质在宇宙中心爆发，大爆炸指的是空间自身的爆炸。

那么，大爆炸又是发生于宇宙何处呢？发生于此处，发生于那处，发生于每一处、每一个角落。它发生在你的鼻尖，发生在中国，发生在猎户座参宿四恒星，发生在仙女座星系，发生在宇宙的另一端。浑圆的气球表面不存在“中心点”，同样，宇宙也不存在中点。神秘的大爆炸事件其实就是“一次发生于每一个地方的空间爆炸”。（不管宇宙是有限的还是无限的，这一点都无可辩驳。）

重要的是，伽莫夫的合作伙伴拉尔夫·阿尔菲做出了一个可量化的预测。他们的理论提出，早期宇宙热度极高，密度极大，随着膨胀，宇宙也逐渐冷却。大爆炸发生后大约38万年，宇宙终于冷却到一定程度，使得原子核（质子和中子）可以捕捉电子以组成形式最简单的原子——大多数是氢原子，少部分为氦原子、锂原子和铍原子。

光子第一次实现了自由传播。为什么呢？早期宇宙充满了游离的质子和电子，光子容易被这些带电粒子吸引。而眼下，宇宙空间中剩存的基本上是不带电粒子，极大地降低了光子被吸收的概率。所以，大多数光子摆脱了“在粒子间来回跃迁”的处境，开始在宇宙间自由穿梭。这些自由游离的原始光子使宇宙充满了高能光线。

阿尔菲预言，这些光线从未曾消逝，一直存在至今。不过，由于数以亿计的漫长岁月里的空间膨胀，这些高能光线的频率已被宇宙极大拉伸，变成了低能微波。阿尔菲与美国天文学家罗伯特·赫尔曼推算出，如今，这些古老光线的温度应该只有零上5开氏度左右。

第一缕光

1965年，贝尔实验室的美国物理学家阿尔诺·彭齐亚斯与罗伯特·威尔逊使用位于新泽西州含德市的超灵敏低温微波接收器研究来自银河系的射电辐射。测试期间，接收设备持续收录到一个恼人的背景射频噪声，他们想尽一切办法也无法将它去除，不管他们如何调整接收器的方向，这个噪声总是存在。

他们排查了城市无线电噪声、季节变化，甚至连1962年的核试验遗址也没有放过。无奈之下，他们连周围的鸽子都全部赶跑了，以防它们就是“嘶嘶”噪声的来源。但是，无论他们怎么做，这个噪声总是无处不在。

彭齐亚斯和威尔逊联系了邻近的普林斯顿大学实验室，试图获得他们的帮助，并与物理学家罗伯特·迪克取得联系。这位物理学家与其实验团队恰好正在苦心寻找阿尔菲所预言的古老宇宙光子。“看来有人抢在咱们前头了。”迪克无奈告知其同事。彭齐亚斯与威尔逊竟在不经意间发现了迪克团队一直苦心搜寻的那缕光——来自大爆炸发生后约38万年的微波辐射。所谓的“宇宙背景辐射（CMB）”终于揭开面纱，露出真容。（如果断开电视的电缆线，并将电视调整至天线模式，再调到任意一个没有信号的频道，此时，屏幕上5％到10％的雪花和噪声就来自CMB。）

彭齐亚斯和威尔逊测量得出，CMB的温度数值略低于3开氏度，与阿尔菲原先预测的5开氏度近似。这是人类有关宇宙起源和演化的科学理论第一次获得实验证据的支持。

如今，大爆炸理论作为对宇宙几何结构、物质构成以及演化历史的综合阐释，已得到多数物理学家的认可。为什么呢？因为已有大量来自不同独立观测源的测量数据证实了大爆炸理论的预测，且精确度已达到10％以上。这是来自大约138亿年前的挑战，而人类欣然应约。

大爆炸理论的现代证据包括：宇宙的整体同质性、宇宙的膨胀、宇宙中氢氦以及其他轻元素的充沛数量、CMB以及CMB的波动、宇宙的大尺度结构、恒星的年龄、星系的演化以及其他许多深奥的测量结果等。

好的，我们已然知晓，支持大爆炸理论的证据相当充分，令人信服。那么，又是什么导致了大爆炸的发生呢？这个问题高悬于所有人的心间，但遗憾的是，目前尚无人有能力站出来振声做出回答。大爆炸理论告诉我们的是大爆炸发生之后的状况，但是对于事件发生的零时零刻，它不得而知。广义相对论的方程再一次于奇点崩塌——其解为无限。因此，是什么导致了宇宙的诞生，或者说在大爆炸之前发生了什么（如果有的话），对于这类问题，物理学界尚未有定论。

如今的科学还无法将宇宙起源的那一刻清晰地呈现在我们眼前，那么，对于宇宙未来的图景，他们又做出了怎样的描绘？

宇宙的几何形状与未来

据约翰·阿尔奇博德·惠勒所言，时间每过一秒，我们的宇宙便会膨胀增加“数十亿立方光年的空间”。请注意，十亿光年约等于60万兆（1亿亿=1兆）英里或100万兆千米。

那么，问题来了：我们的宇宙会持续无限制地膨胀下去吗？还是它会最终停止于某个时间节点，并从此保持那个尺寸？抑或，它会像漏气的气球一样，在停止膨胀后便开始逐渐收缩，直到将所有物质和能量压缩至一个点，最后形成一个新的奇点——即所谓的宇宙大收缩论？又或者会有其他命运在等待着我们的宇宙？

根据广义相对论，宇宙的未来取决于它的整体质能密度。为什么呢？因为整体质能密度决定了宇宙的整体时空曲率。而令人惊奇的是，在弗里德曼-勒梅特模型中，宇宙的整体“几何形状”仅存在三种可能的曲率：正曲率、平直以及负曲率。

下面我们来看一个二维类比（如图16.3所示）。球形地球表面代表正曲率，假设现有两艘帆船正从赤道平行向北航行，倘若它们一直朝同一个方向行进，由于地球的曲率，它们将随着时间的推移逐渐趋近，并最终相遇。

图16.3　宇宙几何形状类比图
两艘帆船平行航行，方向恒定不变。在球形表面，随着时间推移，它们终将相遇；在平直表面，它们始终保持平行；在马鞍状表面，随着时间推移，它们逐渐相离。

平直表面代表的是零曲率。此处也假设有两艘帆船正沿同一方向平行航行，在此表面上，它们的距离将始终保持恒定不变。马鞍状表面代表的是负曲率。在这一表面上平行航行的船只将愈行愈远，逐渐相离。

若我们向宇宙发射两道平行光束，又会出现什么情况呢？如果宇宙的时空曲率为正，两道光束终将交会于一点，我们将此种情况下的宇宙称为“封闭式宇宙”。（在这一几何形状中，单一光束将绕行整个宇宙一周，返回击中你的后脑勺！）

如果宇宙的时空曲率为零，两道光束将从始至终保持平行，这种情况下的宇宙为“平直式宇宙”。如果时空曲率为负，则两道光束分岔相离，距离逐渐增大，这种情况下的宇宙为“开放式宇宙”。

依据广义相对论，宇宙的整体时空曲率不仅决定其几何形态与最终命运，它还能告诉我们宇宙的范围，即宇宙究竟是有限的还是无限的（总结见表16.1）。

表16.1　宇宙的整体质能密度决定宇宙的形状构造与未来

根据现代宇宙学模型，密度为每立方米10～23克的宇宙质能密度产生的整体时空曲率为零——一个平直的宇宙。此密度下，每立方米空间中大约有5个氢原子。物理学家将这一密度称为临界密度。若宇宙整体密度超过此临界密度，其曲率为正；若宇宙整体密度小于此临界密度，其曲率为负。

平直的宇宙？

宇宙的整体曲率是多少？天体物理学家在宇宙背景辐射（CMB）中觅得了答案。空间的几何形状将影响CMB中热点和冷点的观测大小，对热点和冷点变化的测量结果显示，我们可观测的宇宙呈平直状，观测误差不到1％（如图16.4所示）。其他许多观察数据也支持这一观点。

图16.4　宇宙微波数据（上）vs．封闭式宇宙、平直式宇宙与开放式宇宙预测（下）
CMB中的热点、冷点观测数据与平直式宇宙预测最为吻合。图片由NASA/JPL提供。

我们可观测的宇宙究竟有多大呢？由于光速是有限的，光线须耗费相应的时间方能从最遥远的天体处穿越广阔的空间抵达地球。有些天体过于遥远，它发出的光尚没有足够的时间到达地球，因此我们看不到它们的存在。而可观测宇宙范围内的物体其发出的光有足够时间到达地球，因此我们可观察到它们的存在。

前文我们提及，科学家预测，宇宙自起源伊始，至今已有大约138亿年，所以，你或许会理所当然地认为，我们可观测的最远物体距离地球应近似于138亿光年，但是，由于空间的膨胀，我们如今可观察到的宇宙已远超这个距离。物理学家估算，现在人类可观测宇宙的边缘应距离我们约470亿光年。

但是，我们的可观测宇宙为何是平直的呢？为什么它的整体质能密度恰好等于临界值，产生零时空曲率？它只须增高一点，时空曲率便为正；减少分毫，时空曲率便为负。可它偏偏是这个数值，使得时空曲率正好是零。看起来，这似乎是一个超乎想象的伟大巧合。这一宇宙问题的回答来源于一个疯狂的理论——宇宙膨胀论。

膨胀理论

膨胀理论是大爆炸理论的修改版本。该理论提出，在大爆炸发生后的瞬间，大约在零时零刻后的10-23 秒，宇宙开始以指数形式膨胀——眨眼之间便增长超过十亿十亿十亿十亿十亿十亿十亿十亿倍。

想象一下，现有一个（无论如何都不会破的）气球在骤然间膨胀增大了1078 倍。假设你正坐在这个超级无敌大的气球表面，如同一只在美国邦纳维尔盐碱滩表面奋力爬行的蚂蚁，你眼中所见的只是这个超大表面的极小部分，因此，你看到的表面呈平直状。

这就是膨胀理论的主张。在极为短暂的瞬间里，宇宙空间被某个巨大的因素拉伸开去，而我们今日可见的只不过是这个庞大宇宙中的微小一隅。整个宇宙或许是弯曲的，但可见的宇宙——我们所见的那一部分，看起来应是平直的。

既然我们可观测的宇宙是“平直的”，那么它的质能密度按理也应为临界值。但是，威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）以及普朗克太空望远镜最近测得的数据显示，我们可观测的各恒星以及其他天体等普通物质的总体质量大约只占临界密度的5％。那么，剩余的质能到哪里去了呢？

看不见的物质

20世纪30年代，美国物理学家弗里茨·兹威基提出了一个革命性的假说，他主张，星系含有大量看不见的物质。基于自己对“后发座星系团中星系”运动情况的研究，兹威基认为，可见物质不足以约束聚集这些高速运动的星系，他推断，必然存在某些看不见的物质，而这些物质在空间中产生了额外的引力。他把这些看不见的物质称为暗物质。然而，由于他一向偏好一些颠覆性理论，再加上其本人性格争强好胜不甚讨喜，兹威基总是难以得到学界的重视。

此后的30年间，有关暗物质的证据开始涌现。20世纪70年代，美国天文学家维拉·鲁宾、W．K．福特和其他团队成员在观测一些个体星系的旋转情况时，“解决了问题”，他们发现，星系外缘恒星的旋转速度极快，按公式推算，以这个速度，它们本应脱离轨道飞向太空——如果仅依靠可观测到的恒星所产生的引力，而不存在其他物质把它们束缚住的话。因此，必然存在其他更多物质，产生更大的引力，具备更大的时空曲率。

此后，许多天文研究证明，星系中的恒星以及星系团中的星系，它们的速度远高于它们应有的速度。引力透镜也显示，宇宙中存在大量看不见的物质。对此，物理学家们提出了众多假说，但无一可清晰阐释这些额外引力的来源，阐释这类暗物质究竟是什么。

目前一种被广泛接受的理论认为，组成暗物质的是“弱相互作用有质量粒子（WIMP）”，这些“质量巨大、运动缓慢且不带电荷的粒子”可能是通过弱作用力相互作用的。许多科学家致力于寻找这种神秘粒子。近来，意大利的DAMA、明尼苏达州的超级CDMS、CoGent，以及来自国际空间站的阿尔法磁力分光仪均捕捉到了疑似WIMP效应的踪迹，希望接下来即将落成的几个超灵敏大型检测器可为我们带来更多数据，以早日揭开暗物质的神秘面纱。

弗里茨·兹威基
维拉·鲁宾

暂且不论暗物质具体为何物，来自普朗克天文望远镜的数据估计，暗物质约占可观测宇宙总物质的27％。也就是说，临界密度中的5％来自普通物质，大约27％来自暗物质，那么，剩下的68％呢？

神秘的能量

我们的宇宙在变大，而且是在加速变大。

——罗杰·彭罗斯

20世纪末的物理学家普遍相信，如果可观测宇宙是平直的，也即其总体时空曲率为零，那么，根据宇宙学模型，引力应当会减缓宇宙的膨胀。不过，他们尚需要一些实质性的观测数据来证实这一理论预测。

1998年，两个独立科研团队——其中一个由劳伦斯·伯克利国家实验室的索尔·珀尔马特带领，另一个由来自空间望远镜科学研究所、约翰·霍普金斯大学的亚当·G．里斯带领——均试图测量引力对宇宙膨胀的减缓影响。然而，所得数据令他们大吃一惊。

在仔细分析了来自大约100颗超新星的观测数据之后，天体物理学家发现，这些遥远的超新星比他们预计中的要黯淡、微弱得多。这就意味着，它们的实际距离比理论推算的距离远。也就是说，宇宙膨胀的程度远超我们的预期。经过反复计算、评估、对比，两个团队均得出结论，认为在大爆炸发生后的70亿年间，宇宙膨胀的脚步确实有所放缓，但是，此后，宇宙膨胀的速度一直在加快！

最近，来自超过200颗超新星的数据以及其他一些观测分析均佐证了珀尔马特-施密特-里斯的测量结果：宇宙确实在加速膨胀！那么，是什么使得膨胀加速呢？对于这个问题，物理学家无从回答。许多人提出假设，认为我们的宇宙中充斥着一种“排斥能”，后来，芝加哥大学的天体物理学家迈克尔·特纳将其命名为暗能量，并将其称为“一切科学中最神秘莫测的存在”。

爱因斯坦曾坦言，引入宇宙常数是他一生中犯下的最大错误。如今，为了描述这股所谓的暗能量，为了描述宇宙的加速膨胀，一个数值更大的宇宙常数似有必要重见天日。对于爱因斯坦这样的卓越天才，他似乎连犯错都是正确的。

暗能量的作用原理是什么呢？随着普通物质延伸铺开，其向内的引力逐渐减弱，但是宇宙常数的向外排斥推力并不会随着膨胀而减弱，因此，起初膨胀会减缓，等到向外的暗能量超过向内的引力，膨胀便开始加速。

根据普朗克天文望远镜提供的数据，暗能量约占目前可观测宇宙临界密度的68％。5％的“普通”物质，加上27％的暗物质，再加上68％的暗能量，恰好等于100％。

换言之，我们在可观测宇宙测量所得的普通物质、暗物质以及暗能量，三者相加正好等于每立方米10～23克的宇宙整体质能密度，也即形成平直可观测宇宙所必须达到的临界密度。太不可思议了！

在我们欢呼雀跃、庆贺胜利之前，我们必须清醒记得，对于暗物质和暗能量的具体构成，我们依然一无所知。

那么，这又将带领我们走向何方呢？

宇宙的未来

这便是世界结束的方式

这便是世界结束的方式

这便是世界结束的方式

并非轰然的巨响，而是细声的呜咽。

——T．S．艾略特，《空心人》，1925

斯隆数字巡天计划至今已观测了超过35％的天空，检视过大约5亿颗天体。过去十年的观测数据告诉我们，一个恒定不变的宇宙常数或许是描述暗能量的最好方式。如果在未来，暗能量依然保持目前这种作用模式（不得不说这实在是一个大胆的假设，毕竟我们连暗能量究竟是什么都尚未弄清）宇宙模型预测，我们的宇宙将永远膨胀下去。

在这种情况下，宇宙最可能面临的命运或许是这样的：

宇宙将持续加速膨胀。大约1千亿年后，即便是距离我们最近的星系，其退行速度也增长超越了光速，如此一来，它们将永远退出我们的可观测范围。大约1万亿年后，恒星的生成将耗尽宇宙中的所有氢气和氦气，由于燃料耗尽，新的恒星也不再出现，星系将逐渐暗淡，浩荡宇宙将只剩下垂死的恒星、冰冷的行星以及耗尽能量的陨星等等。

天体间的随机碰撞将降低许多恒星的星系运行轨道，使它们向星系中心逐渐聚拢。恒星围绕星系中心的黑洞运动时，会发出更加强劲的引力波，这种能量的流失会使恒星越来越靠近黑洞，直至最后被黑洞卷入吸收。当宇宙的年龄达到一百兆（1兆=1亿亿）岁时，各个星系大概只会剩下数量庞大的黑洞以及围绕黑洞运行的死行星。

读者朋友们，你们也不必彻底沮丧——我们的宇宙还是有一丝生机的。

结束（或是开始？） ——预计在未来1097 到10106 年间，由于霍金辐射，黑洞将会蒸发。而根据霍金的理论，在蒸发的最后时刻，这些黑洞可能会变成白洞，并“以一种不可预知的方式向宇宙注入新物质”。因此，至少在理论上，我们的宇宙或许还可能以一种全新方式得以延续。

不过，我们须谨记，这些对于宇宙未来的种种预测都尚属半成品，仍有许多关键问题悬而未决，比如暗物质和暗能量究竟是什么、宇宙膨胀是否会再次发生等等。

未来物理学领域的研究和观测或许能进一步向我们揭示大爆炸的形成以及宇宙的最终命运，但是，在我们对暗能量有更加深刻的了解或者有新理论取代广义相对论和量子力学之前，我们对宇宙未来的构想最多只能停留在猜测阶段。

关于未来，敬请期待。

附录A
洛伦兹变换

假设两个参考系正处于相对匀速运动状态，其相对运动速率为v ，方向沿x 轴。现时空中有两个事件，这两个事件在第一个参考系S 中的三个空间间隔与一个时间间隔分别为：

∆x ，∆y ，∆z ，与∆t

在第二个参考系S’中，相同两个事件的三个空间间隔与一个时间间隔表示为：

∆x '，∆y '，∆z '与∆t '

沿用以上的符号，四维伽利略变换公式为：

伽利略变换：

∆x '=∆x -v∆t

∆y '=∆y

∆z '=∆z

∆t '=∆t

使用相同的符号，四维时空的洛伦兹变换公式为：

洛伦兹变换：

∆x '=（∆x -v∆t ）/F

∆y '=∆y

∆z '=∆z

∆t '=（（∆t -v∆x /c 2 ）/F

此处，洛伦兹因子F 为：

F =sqrt （1-v 2 /c 2 ），以及c =光速

此处的速率v以标准单位如千米/秒等表示，而非如文章中，是以与光速的比例表示。在标准单位中，光速c 不等于1，因此必须包含在等式中。

在低速下，伽利略变换近似于洛伦兹变换：

在与光速相比的低速条件下，伽利略变换是洛伦兹变换的完美近似。比如，假设现速度仅为光速的5％，则有：

F =sqrt （1-v 2 /c 2 ）=sqrt （1-0.052 ）=sqrt （1-0.0025）=sqrt （0.9975）=0.9987

因此，洛伦兹变换方程的求解为：

∆x'=（∆x -v∆t ）/F =（∆x -v∆t ）/0.9987=1.001（∆x -v∆t ）≈∆x -v∆t

这便是第一个伽利略变换等式。

在此情况下，求解时间的洛伦兹变换等式为：

∆t '=（∆t -v∆x /c 2 ）/F=1.001（∆t -x∆v /c 2 ）

=1.001〔∆t -（0.005/c ）x〕=1.001（∆t -7.5×10-11 x）≈∆t

此处c 的单位为千米/小时。

所以∆t '≈∆t

这便是最后一道伽利略变换等式。

时间膨胀

时间膨胀等式来源于洛伦兹变换，具体如下：

时间膨胀（在一个空间维度中）

如果两个事件发生于参考系S 中的同一地点，则：

∆x =0

因此，第四道洛伦兹变换等式变为：

∆t '=（∆t -v∆x /c 2 ）/F=〔∆t -v （0）/c 2 〕/F =∆t /F

或者，∆t '=∆t /sqrt （1-v 2 /c 2 ）

在光速等于1的单位体系中，等式变为：

∆t '=∆t /sqrt （1-v 2 ）

或者，∆t =sqrt （1-v 2 ）∆t '

这便是文章中所用的等式形式。

长度收缩

长度收缩等式来源于洛伦兹变换，具体如下：

长度收缩（在一个空间维度中）

如果两个事件发生于参考系S中的同一时间点，则：

∆t =0

第一道洛伦兹变换等式变为：

∆x '=（∆x -v∆t ）/F =（∆x -0）/F =∆x /F

或者，∆x '=∆x /sqrt （1-v 2 /c 2 ）

经修正，可得：

∆x=sqrt （1-v 2 /c 2 ）∆x '

这便是文章中所用的沿运动方向的长度收缩等式形式。

合成速度

让我们将爱因斯坦的方式与牛顿的方式进行对比。

按照伽利略/牛顿理论将速度直接相加：

V =v 1 +v 2

此处v 1 、v 2 为原来的速度，V 为两个速度的合成结果。

按照爱因斯坦理论合成速度：

此处v 1 与v 2 为原来的速度，c 为光速，V 为两个速度的合成结果。

从洛伦兹变换得到爱因斯坦的合成速度公式。

若将第一道洛伦兹变换等式除以第四道等式，F 将相互抵消，可得：

∆x '/∆t '=（∆x -v ∆t ）/（∆t -v ∆x /c 2 ）

令等式右侧所有项除以∆t ，可得：

∆x '/∆t '=（∆x /∆t -v ∆t /∆t ）/（∆t /∆t -v ∆x /∆t ）/c 2 ）=（∆x /∆t -v ）/（1-v ∆x /∆t /c 2 ）①

现在，代表的是参考系S 中物体在时间间隔的平均速度。当趋近于0，此参考系中的平均速度则相当于瞬时速度，u '=dx '/dt '。

所以，等式①变为：

dx '/dt '=（dx /dt -v ）/（1-vdx /dt ）/c 2 ）

或者，u '=（u -v ）/（1-uv /c 2 ）

将等式右侧的分母移到左侧作分子，可得：

u '（1-uv /c 2 ）=（u -v ）

因此，u '-uu 'v /c 2 =u -v

移项可得：

u '+v =u +uu 'v /c 2 =u （1+u 'v /c 2 ）

求u ，可得：

u =（u '+v ）/（1+u 'v /c 2 ）②

这就是相对论的速度合成公式。

如果我们改换一些符号，令u =V ，u '=v 1 ，v =v 2 ，那么等式②将变为：

V =（v 1 +v 2 ）/（1+v 1 v 2 /c 2 ）

在光速等于1的单位体系中，我们可得：

V =（v 1 +v 2 ）/（1+v 1 v 2 ）

这就是文章中所用的等式形式。

附录B
时空间隔分类

共有三种时空间隔种类：类时时空间隔、类空时空间隔以及类光时空间隔。它们可用于测量两个事件在时空中的距离。对于类时时空间隔，只要两个事件你皆置身其中，你便可利用所戴腕表的流逝时间直接确定其时空间隔（正如第八章所讨论的那样）。

对于类空时空间隔，只要两个事件发生于同一时间点，便可直接在两个事件的发生地点之间放置一把直尺，并由此直接确定其时空间隔。对于类光时空间隔，时空间隔始终为零。具体推导细节如下。

假设时空中有两个事件，我们按习惯将两个事件之间的时间间隔表示为∆t ，将两个事件之间的空间间隔表示为∆x ，并用∆S 来表示两个事件之间的时空间隔。

（为简化等式，启用光速为1的单位体系，即为光年/年。）

类时时空间隔

此处，时间间隔始终大于空间间隔，即有：

∆t >∆x

比如，假设需要花费5年时间方能从地球抵达某个距地球2光年之远的恒星（以地球为参考系），因此∆t 为5年，∆x 为2光年，时空间隔则可如下推算 [1] ：

时空间隔=sqrt （时间间隔平方—空间间隔平方）

∆S =sqrt （∆t 2 -∆x 2 ）

由于在此种类下，时间间隔始终大于空间间隔，因此称为类时时空间隔。

图B.1所示是一个类时时空间隔的时空图。因为我们以等价单位（如光年和年）来表示空间和时间，因此，世界线与水平线的夹角总是大于45°。

图B.1　类时时空间隔
时间间隔大于空间间隔：∆t >∆x 。

如图B.1左侧所示，两个事件（图中的两个点）处于任意参考系中。此时，∆t 大于∆x ，所以，当我们取两者平方，相减，再取其平方根，可得一个数值为正的时空间隔。

类时时空间隔允许因果关系，这意味着，其中一个事件可能会对另一个事件造成影响，因为在空间中从一个事件到另一个事件的速度必须小于光速，必然有足够的时间供某物或某人从一个事件运动至另一个事件。

若两个事件发生于同一地点，对于这样的特殊参考系，情况又如何呢？就像第八章中所讨论的，这属于你穿越时空时随身携带的“个人”参考系，如图B.1右侧所示。

在你的个人参考系中，你处于静止状态，其他事物与你处于相对运动状态。此时，由于两个事件你皆置身其中，因此两个事件之间的空间间隔或空间距离为0，也因此，你的腕表时间就等于时空间隔。这就是物理学家所称的固有时。

类空时空间隔

此处，空间间隔始终大于时间间隔，即有：

∆x >∆t

这叫类空时空间隔。时空间隔计算如下：

时空间隔=sqrt（空间间隔平方—时间间隔平方）

∆S =sqrt （∆x 2 -∆t 2 ）

时间间隔与空间间隔调换了位置，因此所得之差依然为正。

图B.2所示的是类空间隔的时空图。因为以光速为1的单位（即光年/年）表示空间和时间，因此，代表类空间隔的世界线与水平线的夹角总是小于45度。如图左侧所示，两个事件标绘于任意参考系，特殊参考系的情况如图右侧所示，在特殊参考系中，两个事件发生于同一时间点。在这种情况下，只需要在两个事件之间放置一把直尺，便可直接测量得到时空间隔。这就是物理学家所称的固有距离。

图B.2　类空时空间隔
空间间隔大于时间间隔：∆x >∆t 。

在类空时空间隔分类下，从一个事件到另一事件速度必须大于光速，然而由于任何事物的运动速度都不可能超过光速，因此，在类空时空分类中，没有任何物体或信号可从一个事件到达另一个事件。因此，在类空时空间隔中，事件之间不存在因果关系。

假设月球上装有一个爆炸装置，可从地球通过无线电信号进行远程控制（为了简便运算，假设地球和月球处于相对静止状态）。两个事件：

（1）无线电信号由地球传往地球上的爆炸装置；

（2）0.5秒后，月球上的装置发生爆炸。

第一个事件不可能导致第二个事件的发生。为什么呢？因为无线电信号（运动速度为光速）需要花费1.28秒才能从地球传播至月球。一定是别的东西触发了爆炸装置。由于没有事物的运动速度可超越光速，因此，这两个时间必然不存在因果关联。

在地球-月球参考系中，两个事件之间的空间间隔为1.28秒，大于其时间间隔（0.5秒），所以，此两个事件的时空间隔为类空间隔。

类光时空间隔

图B.3　类光时空间隔
时间间隔等于空间间隔：∆t =∆x ，因此∆S =0。

如果空间间隔等于时间间隔呢？比如两个事件在空间上的间隔为5光秒，在时间上的间隔为5秒，两者的平方差为0（见图B.3）。

由于我们选择光速为1的单位体系，因此，在类光间隔时空图中，两个事件之间的世界线角度始终等于45度。此处：

对于类光时空间隔，∆x =∆t

因此，∆S =sqrt （∆x 2 -∆t 2 ）=0

若一个粒子要在5秒内穿越5光秒的距离，那么其运动速度必然为光速c ，因此，只有无质量的粒子，如光子（电磁力信使粒子）和胶子（强作用力信使粒子），才可能经历时空中事件之间的类光时空间隔。对于这些粒子，时空间隔始终为0。

总结

三种时空间隔类型总结如表B.1所示。

表B.1　三种时空间隔分类。只有在特殊参考系中，才可直接测量得到时空间隔

注解：

[1] 　使用兼容单位，比如，以光年为距离单位，年为时间单位，所以光速为1。若以传统单位，等式应为：∆S =sqrt （c 2 ∆t 2 -∆x 2 ）。

附录C
能量-动量

在时空物理中，质量、能量以及动量有一个统一的表达，能量-动量，它是一个矢量（既有大小，又有方向）。由于时空有四个维度（三个空间维度和一个时间维度），因此，能量-动量矢量也有四个维度，通常称为能量-动量四维矢量。

能量-动量的图示见图C.1（为简便，只取一个空间维度）。它包含：

图C.1　能量-动量矢量（二维）
能量和动量随相对运动状态的改变而改变，但质量保持不变。

能量-动量矢量

·能量-时间分量

·动量-空间分量

·质量-能量-动量矢量的大小

能量-动量矢量的大小

能量-动量矢量的大小就是粒子的静止质量。由于静止质量不随运动状态的改变而改变，因此，对于某一给定粒子，其能量-动量的大小是固定不变的。

〔在现代时空阐释中，质量总是指静止质量。从现在开始，当我们使用术语“质量（mass）”，默认指的是粒子的静止质量（rest mass）。〕

能量-动量矢量的方向

粒子能量-动量矢量的方向便是粒子在时空中的方向，也即其世界线的方向。

计算能量-动量的各分量

能量-动量矢量的能量和动量分量可从能量-动量矢量中独立分离出去。对于处于自有飘浮参考系中的两个近距离事件，其能量-动量的时空间隔可分解为四个不同分量：

·实验室时间（观察者参考系中的时间）

·三个相互垂直的空间方向

能量：能量-动量的能量分量为粒子质量乘以其在时间轴上的运动位移，可表示为：

能量=质量×（坐标时间/固有时）

此处：

坐标时间是惯性参考系中的时间间隔，以及固有时是时间单位上的时空间隔。

因此，能量是能量-动量矢量的时间分量。

动量：能量-动量的动量分量等于粒子的质量乘以其在空间轴上的运动位移，可表示为：

x中的动量分量=质量×x 中的位移/固有时间隔

〔与动量（y ）和（z ）相似。〕

因此，动量是能量-动量矢量的空间分量。

能量-动量公式

能量-动量矢量中质量、能量与动量的关系与时空间隔相似1，为：

质量平方等于能量平方减去动量平方

m 2 =E 2 -p 2

粒子的能量-动量独立于任何惯性参考系而存在，因为它是恒定不变的（与恒定不变的时空间隔类似）。不过，其能量分量与动量分量是相对的，不具有绝对数值——它们随相对运动状态的改变而改变。换言之，根据不同的参考系，能量-动量具有不同的能量和动量分量，但总保持相同的大小（质量）。

能量-动量矢量的动量和能量分量公式如下所示。

动量公式：

粒子的动量大小就等于牛顿动量除以洛伦兹变换因子：

P =mv /sqrt （1-v 2 ）

能量公式：

对于静止的粒子而言，其静止能量E 0 等于其质量：

E 0 =m

对于在给定（惯性）参考系中处于运动状态的粒子而言，其总能量等于其质量乘以该粒子在时间轴上的位移，可表示为：

E =E 0 dt /dτ
=E 0 /sqrt （1-v 2 ）
=m /sqrt （1-v 2 ）①

此处：t 为坐标时间（给定惯性坐标系中的时间间隔）

τ 为固有时（时间单位中的空间间隔）

v 为相对速度

在此基础上，我们可推导出动能（即粒子运动的能量）的相对论性公式，具体如下。

动能（牛顿理论）

在牛顿物理宇宙中，动能K 等于二分之一乘以粒子质量再乘以其速度的平方：

K =1/2mv 2

动能（相对论）

根据爱因斯坦的理论，静止的粒子含有的能量不为零，E 0 =m ，因此，粒子的总能量应等于其静止能量加上由于运动产生的动能K 。粒子的总能量E 等于：

E =E 0 +K =m +K

求K ，可得：

K =E -m

代入等式①，可得相对论性动能公式：

K =m /sqrt（1-v 2 ）-m =m 〔1/sqrt（1-v 2 ）-1〕

在“传统”单位制中，光速c ≠1，因此，相对论性动能为：

K =mc 2 /〔sqrt （1-v 2 /c 2 ）〕-mc 2

附录D
建构测地线

为了更直观地感受测地线是什么样子，可拿起一张22cm×28cm的纸张，然后：

（1）剪出一条长矩形纸条；

（2）将纸张放在平直表面，并在上面标示出两个点；

（3）在两点之间画一条直线；

（4）把纸条长的两端合在一起，组成一个圆柱状；

（5）用贴纸将两端贴在一起。

如图D.1所示。

图D.1　建构测地线
（a）平直表面上，从点1到点2的最短路径就是那条直线；（b）在弯曲表面上，从点1到点2的最短路径是曲线，与平直表面的那条直线一样，两者均为测地线。

在平直纸面上，两点之间的最短路径自然为直线，这就是平直表面的测地线。

一旦纸张卷曲成圆柱状，两点之间的那条直线立即变为曲线，这条曲线依然是两点之间的最短距离。这就是弯曲表面的测地线。

附录E
爱因斯坦引力场方程

一点历史

1912年，爱因斯坦提出原始引力场方程，其中，以里奇张量代表时空曲率，表示如下：

里奇张量等于常数乘以能量-动量张量

R ab =KT ab

为什么爱因斯坦选择用里奇张量来表示时空曲率呢？为了满足广义协变原理，爱因斯坦和格罗斯曼苦心研究了黎曼几何，以寻觅“广义协变”的数学元素，也即不会随坐标系（参考系）变化而变化的表达式。只有两个元素符合此条件：一是弯曲空间的体积，二是曲率（称为里奇曲率）。里奇张量描述的就是这两个量，因此，里奇张量也是广义协变的。

如十四章所述，爱因斯坦在1912年放弃了里奇张量，因为他错以为对于同一个质能，它可给出多个解。

1915年9月末，当爱因斯坦重新拾回这些引力场方程时，他发现还有其他问题。它们违背了能量守恒定律与动量守恒定律，也不符合“弱”引力和非相对论级速度下的牛顿万有引力定律。经过一番思索，他做出了“一点修正”。他在等式左侧增加了一个项，公式变为：

里奇张量减去1/2曲率不变式等于常数乘以能量-动量张量

R ab -1/2Rg ab =KT ab

现在，等式左侧包括里奇张量减去二分之一里奇纯量与度规张量的乘积，这个新等式表明，能量-动量守恒定律必须包含时空曲率的来源——质能。（更确切地说，来源是能量-动量，而它是动量能量守恒定律必须包括的项。）

新公式符合弱引力与非相对论级速度下的牛顿定律。

若以简单形式，我们可将“爱因斯坦引力场方程”表示为：

G ab =KT ab

此处：G ab =R ab -1/2Rg ab

时空曲率：牛顿vs爱因斯坦

第十章中的自由落体电梯思想实验只考虑了时间弯曲，空间弯曲忽略不计。若只利用爱因斯坦引力场方程计算时间弯曲，得到的引力场方程的解将与牛顿的解一致。

起初，爱因斯坦以为，考虑空间弯曲将违反弱引力情况下的牛顿理论，但事实上，它恰恰是区分爱因斯坦引力与牛顿引力的唯一手段。现在，让我们从时空曲率方面来审视这一问题。

平直时空（零重力）中的时空间隔就等于狭义相对论的闵可夫斯基度规。

时空间隔：零时间弯曲或空间弯曲

（时空间隔）2 =（空间间隔）2 -（时间间隔）2

ds 2 =（dx 2 +dy 2 +dz 2 ）-（dt ）2

（单位取光速等于1，如光年/年）

假设现有一个密度均匀分布、不发生旋转且不带电荷的球体恒星（即史瓦西理想天体），在此理想天体的影响下，时空曲率会发生何种全局变化呢？如若只考虑时间曲率，从牛顿理论和爱因斯坦引力理论均可得到下文的公式。

引力场中的时空曲率：只考虑时间弯曲（牛顿与爱因斯坦）

ds 2 =（dx 2 +dy 2 +dz 2 ）-（1-2GM /r ）（dt ）2

此处G 为引力常数，M 为牛顿恒星的质量，r 为恒星至空间中某一点的距离。

若同时考虑时间曲率与空间曲率，可得爱因斯坦引力场方程的完整解，而它也不再符合牛顿理论。在笛卡儿坐标系中，史瓦西度规近似为下文公式。

引力场中的时空曲率：同时考虑时间弯曲与空间弯曲（仅爱因斯坦）

ds 2 =（1+2GM /r ）（dx 2 +dy 2 +dz 2 ）-（1-2GM /r ）（dt ）2

因此，令爱因斯坦公式不同于牛顿公式的是空间间隔。

时间曲率与空间曲率的效应

让我们一起来看看，与牛顿对同一物理现象的预言相比，时间弯曲和空间弯曲是如何影响爱因斯坦的前两个主要预言的。如图E.1所示是两个时空图（空间与时间由等价单位表示，如光年和年）。

图E.1　时空图：运行的行星与光子
（a）行星大部分穿越时间运动，仅小部分穿越空间。（b）光子在时间和空间中的运动情况相等。

行星轨道：时间弯曲处于支配地位——行星绕太阳运行的世界线如图E.1（a）所示（实曲线）。图上的垂直虚线代表太阳的世界线（在此参考系中，太阳处于静止状态）。

注意行星轨道与垂直虚线的距离有多近。这告诉我们，行星大多通过时间运动，只有极小部分通过空间运动，这是因为与光速相比，行星的运行速度极慢，所以对于一个给定的时空间隔，它们的dx （空间间隔）数值很小，dt 项（时间间隔）占支配地位。

水星预言——就像其他所有行星一样，水星绕日运行的轨道主要是由时间曲率决定的，因此，牛顿定律（与只考虑时间弯曲的情况等价）预测的水星绕日运行轨道与实际情况十分接近。

但是，爱因斯坦同时考虑时间弯曲和空间弯曲的完整演算显示，水星的绕行轨道多了大约0.1角秒。由于水星在100地球年里大约绕太阳415次，因此有：

0.1角秒/圈×415圈=41角秒/世纪

此处的粗略计算已与爱因斯坦水星近日点进动偏移的测算结果，即每世纪43角秒，十分接近。

太阳影响下的光线弯曲：时间弯曲和空间弯曲起相同作用——图E.1（b）所示的是平直时空（零重力）中两个光子的世界线，它们由统一时空地点发射（事件），朝相反方向运动。

因为空间和时间以等价单位（如光年与年）表示，两个光子都以45度角在时空中运动。据物理学家伯纳德·舒兹所言，光子以光速c 传播的事实意味着，“dx （空间间隔）对时空间隔项的贡献与dt （时间间隔）相差无几”。

因此，对于引力场中的光线弯曲，空间弯曲与时间弯曲所起的效用相等。因此，牛顿预测（等价于只考虑时间弯曲的情况）的太阳影响下的星光弯曲只为爱因斯坦预测数值的一半——爱因斯坦同时考虑了时间弯曲和空间弯曲。

牛顿和爱因斯坦的预测数值分别为0.875角秒与1.75角秒。爱因斯坦的预言与观测数据高度吻合，证实质能的存在确实可同时弯曲时间和空间。

牛顿万有引力定律等价于只考虑时间弯曲的情况，而这也解释了为何牛顿万有引力定律可在太阳系中成立。因为与光速相比，太阳系中的天体运动速度（及其逃逸速度）十分低缓，因此，只考虑时间弯曲的预测与其实际引力情况十分接近。

为什么狗是宠物猪是食物？

〔美〕哈尔·赫尔佐格（Hal Herzog）著
李奥森　译

海南出版社
·海口·

目录

推荐序 上阵之前，先读本书

原序｜人类与动物之间的道德难题

用小猫喂食蟒蛇有错吗

饲养宠物的难题

从动物行为到爱好动物者的行为

01｜人类与动物的互动 人性的本质是什么？

人类与动物的关系重要吗

以人类-动物互动学家的观点看世界

海豚可以胜任治疗师的角色吗

狗主人长得和狗像吗

爱狗人士和爱猫人士的性格不太一样吗

虐待动物的小孩长大后会有暴力倾向吗

02｜因为可爱 为什么你喜欢这个讨厌那个？

亲生物性：我们天生就喜爱动物吗

为什么人类讨厌蛇

如何命名？语言制造的道德距离

宠物或实验动物？端视“分类”而定

虫是宠物，狗是害虫？文化与社会生物学之权衡

在动物道德之前，感性胜过了理性

道德、动物以及恶心因素

救人远比救动物重要

认知捷径与动物伦理

为什么纳粹爱动物而恨犹太人

拟人论：子非鱼焉知鱼之乐

建构心智理论的困难所在

当一只蜘蛛是什么感觉

03｜狂爱宠物症 为什么（只有）人类爱宠物？

南希与查理：当爱凝聚

莎拉的狗：当人与狗互相折磨

到底何谓宠物

把宠物当人

宠物真的会给我们无怨无悔的爱吗

宠物会让我们更健康吗？先来听点好消息吧

宠物并非万能

为什么宠物对某些人来说是好的

宠物可能对你的健康有害

基因让我们天生就爱动物

养宠物是演化后的适应结果

宠物是寄生者吗

养宠物具有传染力

宠物之爱与单一因果迷思

04｜朋友、敌人还是时尚宣言 人与狗的关系

走秀犬的奇妙世界

从狼变成赛犬的过程

最早出现的狗是宠物还是专吃垃圾的偷儿

与狗一同猎捕鬣蜥

从野生到驯服：狐狸如何能变得友善

狗懂得我们在想什么吗

灵犬莱西会怎么做呢

禁行或禁种

贵宾犬狂潮：当特定犬种突然流行

犬种与婴儿命名之相似处

纯种犬兴衰录

好狗是否快绝种了

复杂的人狗关系

05｜谁更爱动物 性别和人类与动物关系的关联

当刻板印象瓦解：特殊的性别个案

男性或女性最爱宠物

性别差异与对待动物的态度

女人发起行动

依附关系中的黑暗面：动物虐待事件中的性别差异

太爱宠物的人：性别与动物囚藏

先天与后天环境造成的性别差异

钟形曲线中的性别差异

06｜旁观者所见 斗鸡和大餐，何者较为残酷？

麦迪逊郡的五鸡赛事

斗鸡文化：入门篇

斗鸡规则

将不合理之事合理化

最人道的活动

这没什么

世界上最善良的人

大好人的说辞

斗鸡让人越挫越勇

我爱我的鸡

动保分子与斗鸡手：不平衡的恨意

你想当斗鸡还是肉鸡

经济与社会阶级如何影响我们对残酷的认知

斗鸡与人类道德

07｜美味、危险、恶心与死亡 人类与肉品的关系

为什么肉类如此美味

贪食肉类所造成的危险

为何羊脑在贝鲁特被视为美食，在波士顿却乏人问津

狗肉饼干、炖狗肉：饮食禁忌案例

肉是死尸，并且十足恶心

肉类这么恶心，为什么却很少人吃素

言行不一的人们：吃肉素食者的实例

拒食肉类与饮食障碍：素食主义的另一面

为什么很多素食者又重新开始吃肉呢

肉是身体与心灵的战场

我的生牛排晚餐

08｜老鼠的道德地位 动物在科学里的功用

达尔文的道德遗产

外星人的道德观与肢体残障的婴儿：极端案例

我们可以从老鼠实验里学到什么

好老鼠、坏老鼠、宠物鼠

被浪费的老鼠

老鼠是动物吗

评断审判者：动物关怀委员会的决定是否正确

动物实验的矛盾：用动物实验来证明不应施行动物实验

老鼠有同情心吗

道德之两难

你赞成杀死一百万只老鼠以求登革热解药吗

09｜家中的小猫，盘子上的牛 我们全都是伪善者？

我们对待动物的态度往往前后不一

将动物解放视为信仰

认真看待动物议题的后果

新恐怖主义

道德一致性与动物解放哲学

理论陷阱：动物道德与逻辑的限制

那到底怎样做才能当个好人呢

道德问题：不要信你的逻辑和直觉

谁的道德理想较为崇高

10｜潜伏在我们体内的兽性欲望 如何在道德的非一致性之中生活

大规模的动物援救

坐落在不毛之地的动物庇护所

女士与海龟

日常生活中的人类-动物互动学

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本书献给

亚当（Adam）、贝特西（Betsy）、凯蒂（Katie）

以及最重要的玛莉·珍（Mary Jean）

我心怀感谢

推荐序　上阵之前，先读本书

田松

为什么狗是宠物，猪是食物？书名就很有刺激性，很能吸引中国读者的眼球。每年某地狗肉节前后，都会在网上激起各种争论，网下发生各种冲突。作为一个坚决反对以狗为肉的人，我也遇到过这个问题。为什么猪可以吃，狗就不能吃？猪和狗有什么区别吗？如果不能回答这个问题，要反对吃狗，就必须反对吃一切肉，就必须主张素食，难度便上升了好几个数量级。

网上网下，我们常常能看到双方各执一个极端，一面是天使，一面是魔鬼，似乎没有中间地带，没有过渡地带。这使得对阵双方几乎没有协商的可能性。于是各说各话，语言暴力迅速升级。对此，我建议对阵双方，在论战的间歇，读一读这本书。

当然，猪狗问题只占本书很小篇幅。这本书讨论了更广泛的人与动物的关系问题，尤其是本书副题所说的道德难题。这些问题涉及所有人与动物发生关系的场合，在家庭，在社区，在动物园，在实验室，在荒野……也是人们非常关心，经常讨论的问题。比如，人为什么会养宠物？儿童是否天然地喜欢动物？为什么人们喜欢考拉而害怕蛇？在与动物的关系上人类存在性别差异吗？同样是狗，对待宠物犬和猎犬的态度为什么不一样？喜欢折磨小动物的孩子长大后是否更容易具有暴力倾向？是斗鸡更残酷，还是吃鸡更残酷？为什么美国有很多吃肉的素食者？为什么很多素食者变成了前素食者？为了人类的利益，是否可以拿动物做实验？观察、电击、注射药品、活体解剖……什么程度的实验是你可以接受的？同样是杀害动物，为什么杀死蚂蚁、蚂蚱、青蛙、小鼠、兔子、猴子，人的心理承受能力会不一样？比人智力更高、科技更发达的外星人是否有权利用人来做实验？……

这是一本有趣的书，也是一本有深度的书。书中对上述问题的讨论是通过各种案例进行的，其中有作者的亲身经历，也有各种现实事件。任何一种极端的主张都应该面对这些案例，正视案例所提出的问题。即使不愿意介入观点之争，这些案例本身都是特别好的故事。

作为一位动物行为学家，本书作者哈尔·赫尔佐格（Hal Herzog）的观点非常之中庸。他以平和平视的态度描述案例、叙述各方面的观点，并加入自己的评论。素食者、前素食者、吃某些肉的素食者、肉食者；对动物保护主义者、打猎爱好者、动物权利主张者，乃至攻击大学生物实验室的动物权利实践者……都是他讨论问题的对象，也是他观察、分析的对象。他自己则持一种相对宽容的态度。他在自序中提到，一位哲学家唐纳利（Strachan Donnelley）把处于灰色模糊地带的群众称为“头脑混乱的中间分子”，他自己就处在这个混乱地带。有人认为他是骑墙派，是道德侏儒；但是他觉得，中间分子更符合人类的逻辑。所以他“反对使用动物进行眼影和清洁剂测试，但是认同牺牲实验老鼠以进行癌症研究”。我想，他的这种态度可能会两面不讨好，处在两个极端观点的人都会对他爱恨交加，无可奈何。

书中对很多问题给出了令人惊异的答案。比如，狼是怎样变成狗的？我们通常的理解是，人驯化了狼。不过这本书告诉我们，狼是不可能被人驯化的，更大的可能是，狼主动把自己演化成了与人共生的狗。

书中还给出了很多令人惊异的数据。比如，在我的感觉中，美国人普遍接受狗作为家庭成员，但是书中说，“每10个美国成年人就有一个惧怕狗”，而且“美国平均每年有450万人被狗咬伤，24人被狗攻击致死，其中多数死者为小孩”。

再如，在我的印象中，美国处处可见素食者，但是书中说，很多素食者又恢复吃肉了，前素食者的人数是现任素食者的三倍。

自20世纪70年代起，美国人均牛肉消费量一直在下降。从1975年到2009年，美国每年屠宰牛的数量下降了20％。但是，鸡肉的消费量增长了200％。在1990这一年，美国人吃下的鸡肉消费量超过了牛肉消费量。1975年，美国的年人均食肉量为80公斤，而今天则是109公斤。出于健康和道德的原因，2003—2007年，有机鸡肉的销量比以往增长了4倍。

……

在读到此书之前，我不知道还有这么一个学术领域：人类-动物互动学（anthrozoology）。这个英文词的前半截是人的意思，后半截是动物学。合起来就是与人相关的动物学。也有人不愿意称“学”，称为人类-动物研究（human-animal studies）。从这个说法可以看出，这是一个跨学科领域。参与其中的有心理学家、兽医、动物行为学家、历史学者、社会学家和人类学家。这两个名词及其译法还是有人类中心主义的味道，把人从动物中剥离出去，仿佛人不是动物似的。现在，很多动物保护主义者和动物权利主张者为了强调人也是动物，更愿意用“非人类动物”这样的说法来指称“动物”。于是，中文“人类动物”这个词指的就是“人”。不过，作为本书的推荐序，我姑且沿用本书的用词方式。

在自然界中，没有任何一个物种可以脱离其他物种而独立存在，人也不例外。人类自身在漫长的演化过程中，与各种动物保持了共生和伴生的关系。在农业社会，中国人把五谷丰登、六畜兴旺作为美好生活的标志。牛马羊猪狗鸡，曾经是人类社会的一个有机成分。在人类社会周围，还有一些野生的动物，比如燕子、麻雀、老鼠、兔子、鹿或者狼，他们与人也构成了或远或近的关系。人与动物之间的互动，可以推到人类的史前。

史前的事儿，是由神话来解释的。神话对于先民来说，是历史，是哲学，也是律法，而不是想象的、虚构的、无足轻重的故事。人与动物的关系最早也是由神话规定的。比如在拉祜族神话中，小米雀和老鼠都在人类重新繁衍的过程中做出了贡献。所以，小米雀可以在大田里吃粮食，功劳更大的老鼠则可以在粮仓里吃粮食。所以，拉祜人不会轰赶大田里的麻雀，也不会杀害粮仓里的老鼠。纳西族神话中专门有一则讲马的来历，神话中说，不是人驯服了野马，而是马主动来找人，与人达成了协议，才与人共同生活的。所以纳西族认为，他们与马之间有契约关系，而不是居高临下的征服与被征服的关系。从这个角度看，狼自己演化成了狗，主动来与人合作，在神话中是能够得到确认的。不同民族有不同的神话，这导致在人与动物的关系上，表现了非常充分的多样性。美洲人以牛为食物，印度教以牛为神物。

进入工业社会，神话失去了在社会生活中的结构性位置。人与动物的关系失去了神话的指引，开始由科学、哲学、政治、经济、宗教等因素来规定。之所以把宗教放到最后，也是由于在工业社会中，宗教的作用逐渐隐藏起来。关于动物伦理为什么产生如此巨大的争论，也恰恰在于，在全方位趋同的全球化、现代化的工业社会中，人们对所有问题都希望获得一个统一的、单一的标准答案，而神话时代遗留下来的多样性依然存在于人类的意识和潜意识深处。

作者不是人类学家，书中几乎没有涉及神话。不过，作为人类-动物互动学家，作者与这个领域的其他学者有大量的接触，也大量引入了其他学科的资源。比如，他非常专业地讨论了伦理学著名的电车难题，并给出了一个动物版；也讨论了更加极端的思想实验：用有感知的老鼠做实验，与用先天脑残没有知觉的人类婴儿做实验，哪一个更道德？再比如，在大学实验室中，动物实验都使用哪些动物？都有哪些奇葩的、残忍的动物实验？他还介绍了人类-动物互动研究中的一些故事，比如，针对同一个动物实验方案，不同大学不同机构的伦理委员会，会给出差异巨大乃至相反的结论。

这些案例和讨论让这本书的内容非常丰富，有趣，有深度。我建议宠物饲养者、动物保护主义者、动物权利的主张者和反对者、素食者，以及一切对动物感兴趣的人，都来读一读这本书。了解对手，丰富自己。

尤其是，上阵之前。

2019年2月25日

北京　向阳小院

原序
人类与动物之间的道德难题

我总是喜欢探究人类与动物之间的秘密，
因为从动物的身上往往可以映照我们是怎样的人。

马克·贝科夫（Marc Bekoff）

人类往往用非常没有逻辑的方式，思考其他物种，例如茱蒂丝·布莱克（Judith Black）自12岁开始，就认为因为动物美味而加以杀害是不对的事情。不过，到底什么是“动物”呢？对茱蒂丝来说，狗狗、猫猫和猪、牛很明显属于动物一类，而鱼则非动物。因为鱼对她而言，动物感等于零。因此接下来的15年内，这名未来的人类学博士虽然偶尔享用阿拉斯加铜河熏鲑鱼和柠檬煎旗鱼的美味，却打从骨子里深信自己是个素食主义者。

到茱蒂丝在生物学课堂遇见研究生约瑟夫·韦尔登（Joseph Weldon）以前，她自创的生物分类法都还挺管用的。两人相遇时，身为肉食者的韦尔登试图说服茱蒂丝，吃康沃尔烤鸡和吃智利鲈鱼在道德上并没有什么不同。韦尔登认为，两者都是有脑的脊椎动物，也都过着群体生活。尽管韦尔登滔滔不绝，但他仍旧没有说服茱蒂丝相信就饮食道德观点来看，鳕鱼就等于鸡也等于牛。

好险，虽然两人对食用鬼头刀鱼的道德看法存在分歧，但两人仍然陷入了爱河。茱蒂丝和韦尔登结了婚，而韦尔登则是继续在餐桌上辩论鱼鸡同荤的问题。经过整整三年的辩论后，某天茱蒂丝终于松口说：“好吧，你的观点没错，鱼也是动物吧。”

在此，茱蒂丝面临新的难题：她要么就开始吃肉，要么就大方承认自己不是素食主义者，二选一。约莫一周后，朋友邀约韦尔登去猎松鸡。虽然韦尔登根本没用过猎枪，却成功地打到了一只松鸡，并以猎人的姿态单手提着动物尸体出现在家门口。韦尔登在厨房里辛勤地拔毛、烹煮，最后为心爱的太太殷勤地献上风味晚餐：烤松鸡佐美味的覆盆子酱和红酒。

就在这一瞬间，茱蒂丝15年来苦心维持的道德高墙可说是直接溃堤瓦解了（茱蒂丝是说自己真的很爱覆盆子果酱啦）。烤松鸡成功地打开了茱蒂丝的味觉想象，她已经回不了头了。接下来的一周里，她还吃了不少汉堡，茱蒂丝成了前素食主义者。全美国前素食主义者与素食主义者的比例至少为三比一。

接着是25岁的医学系博士吉姆·汤普森（Jim Thompson），当我认识他时，他正在准备毕业论文。在到研究所之前，汤普森在堪萨斯州莱辛顿的家禽研究实验室工作。每当实验结束时，他负责把鸡“处理”掉。原本这工作对汤普森来说毫无困难。不过，某天当他找要带上飞机阅读的杂志，他的妈妈塞了一本动物权杂志《动物议程》（Animal’s Agenda ）给他后，他就像是被巨雷劈到头一样，瞬间变成素食主义者。

不过这还只是开始。接下来的几个月以内，汤普森开始拒穿皮鞋甚至逼自己的女友吃素。他也开始质疑养宠物的道德性，特别是他心爱的白色小冠鹦鹉。某天下午，白色小冠鹦鹉在笼子内拍翅走动，突然有个声音细碎地出现在耳际，“这是不对的”。他温柔地提着鹦鹉笼来到后院，向它告别，看着它飞向北卡罗来纳罗利市灰扑扑的天际。他和我说，那感觉让他通体舒畅，“简直不可思议！”不过他也怯懦地坦承，“我知道它根本活不下去，很可能会饿到皮包骨。我想我的放生之举完全是为了自己，而不是为了它”。

有时候，我们和动物的关系还具有高度的情感复杂性。20年前，卡洛琳（Carolyn）迷上了一只体重足有1100磅（约499公斤）的海牛。当时她申请了所有可以和海牛接触的工作，包括佛罗里达中部的一家小型自然历史博物馆的馆员。当时馆方正在寻觅能够照护31岁海牛史努堤（Snooty）的馆员，即便卡洛琳并不具备任何照顾海生动物的经验，馆方仍旧将她录取。当时卡洛琳完全不知道自己的人生将有重大改变。

我想以物种学的观点来看，史努堤是介于暗礁动物与尤达（Yoda）之间的生物。当卡洛琳把我本人介绍给史努堤时，它将鳍状前肢搭在水池边，并将头嘟噜噜伸出水面至少2英尺（约61厘米）高，和我四目相接，目光如炬的它很明显地在打量我。虽然史努堤的脑只有垒球一般大，不过它看起来异常聪明。这让我很不自在，没想到卡洛琳却觉得它很萌。

在接下来的近20年里，卡洛琳和史努堤朝夕相处。她几乎每天都得看到史努堤，甚至连放假时，还会特地来探班。两人的关系可说是围绕着“喂食”一事打转。海牛为素食动物，卡洛琳总是亲手喂史努堤绿色蔬菜，史努堤每天至少得吃下120磅（约54公斤）的蔬菜，它超爱吃莴苣的。

不过和年老的海牛一起生活也挺麻烦。卡洛琳溺爱史努堤，而史努堤也非常依赖她。当卡洛琳和先生偷偷摸摸地跑去度假一两个星期时，史努堤就会发飙，它会立刻进行绝食，卡洛琳就会接到馆方的绝命催返令，她会立刻飞奔回自然史博物馆，亲手喂它吃巨量的冰山莴苣。

后来，卡洛琳不再休假，并因此引发了先生的埋怨。他认为卡洛琳对这只半吨重的鲸油与肌肉的有机组合体的爱，远远超过了自己。

用小猫喂食蟒蛇有错吗

作为心理学研究者，我思考人类与动物的关系达20年之久。我在茱蒂丝、汤普森与卡洛琳身上发现，我们对动物的观点迥异，不一而足，他们正好展现了人类面对动物时的矛盾态度。在某个晴朗的早晨，当我接到好友桑迪（Sandy）的来电后，开始仔细思索人类与不同物种的动物之间，为何拥有如此迥异的关系。当时，我为动物行为学家，而桑迪则是与我同校的动物权行动主义者。

“哈尔，我听说你从杰克森郡的流浪动物收容所捡小猫去喂蛇，这是真的吗？”

我吓得目瞪口呆。

“呃，你在说什么啊？我们是有条宠物蛇，但它还小，它根本不可能吃得下猫。而且我也爱猫啊。就算蛇长大了，我也不可能喂它猫吃吧。”

桑迪向我连连致歉。她说她没有真的相信对方的说辞，只是想稍微确认一下而已。我说我知道，但还是希望能通过她向动保界的朋友保证，我绝对不会跑去社区蓄水池抓流浪猫喂我儿子养的蛇。

不过接下来我开始思考，将掠食性动物当作宠物是否违背道德。我们会养那条小蟒蛇完全是个意外。某个夏天，我在田纳西大学担任客座教授，当时正在研究爬虫类的自卫行为之发展。当我在研究室里进行动物实验时，电话响了。一位听起来情绪快崩溃的男子说，他半夜醒来时，发现自己养的红尾蟒蛇突然生了42条不停蠕动的小蛇。我可以理解为什么他和他的太太听起来魂不附体，毕竟过去8年来，这条母红尾蟒蛇从来没有对一同关在客厅笼子里的公蛇表现出任何兴趣啊。

男子听说我是蛇类研究专家，因此想询问我要如何照料幼蛇，以及该如何安置它们。我建议他联络另一位在大学兽医系任教的蟒蛇专家好友，取得更清楚的幼蛇照顾资讯，我也表示自己愿意领养一条小蛇宝宝。当天傍晚，我和11岁的儿子亚当一同开车到那对夫妻的家，他们让亚当从一窝小蛇中挑选心仪的。亚当选了里面最可爱的一条小蛇，并将它命名为塞米。

照顾塞米比照顾其他宠物来得简单。它不会抓坏沙发，也不会打扰邻居安宁，更不需要每天出去溜达。塞米很温柔，除了有次它企图咬亚当的拇指以外，不过那根本是亚当自己的问题，他在摸了朋友的小仓鼠以后，立刻去碰塞米。塞米的大脑大约和阿司匹林差不多大小，根本不能分辨啮齿类动物和人类手指的区别，它只分辨得出肉香。

当我和家人回到位于北卡罗来纳州山区的家中后数周时，众人开始谣传“哈尔一家人拿小猫喂蛇”，我真不知道是谁开始散播这谣言的，不过这项指控当然是无稽之谈。若蟒蛇和小型哺乳类动物对决，胜算大概也只有50％，更何况塞米当时仅有1.8英尺（约55厘米）长，连老鼠都会噎死它吧。

不过，接下来的几天里我一直烦恼这件事。无可避免地，谣言制造者让我必须面对之前从未深思过的问题：人类因饲养宠物而产生的道德责任。蟒蛇是不吃胡萝卜或芦笋的。因为塞米需要吃肉，这样会让我儿子陷入道德陷阱吗？难道喂它吃罐头或猫饲料，会比较符合道德原则？在什么样的状况下喂蟒蛇吃小猫，是会被接受的呢？

散播我谣言的女人养了许多只猫，并让它们自由地在房子周边的森林走动。和许多猫奴一样，她彻底忽略了一个事实：不管是狮子或虎斑猫，都属于猫科肉食性动物。美国人所养的猫，每日不知吃下多少种肉。我家附近超市里的宠物食品架上堆满了6盎司（约170克）重的牛、羊、鸡、马、火鸡和鱼肉罐头。即便是干式猫饲料也注明成分中含有“生肉”。全美境内约饲有9400万只猫，因此消耗的肉量远超于此。如果每只猫咪每日消费2盎司（约57克）的肉，那么全美的喵星人每日将可以吃掉将近1200万磅（约544万公斤）的肉类制品，这相当于300万只鸡，我说的还仅仅是一日三餐而已。

此外，猫和蛇不同，它们把猎捕动物当作自娱娱人的活动。每年约有数百万的小动物死于宠物猫爪下。诡异的是，很多猫主人对猫科宠物所造成的野生动物伤亡毫不在乎。当研究者警告堪萨斯州的猫主人，猫对该地鸣禽造成了无谓伤害，并询问是否愿意将猫的活动缩限于室内时，至少有四分之三的猫主人斩钉截铁地拒绝。奇妙的是，也有很多猫主人喜欢在后院喂鸟，让倒霉的北美红雀和斑点唧鹀不幸成为猫爪下的幽魂。事实上，生物医疗实验所使用的动物数量还不及死于猫爪下的毛绒小动物与飞禽数量的十分之一。

好，如果说宠物猫造成了人间浩劫，那么宠物蛇呢？首先，宠物蛇数量远不及猫。再来，蛇吞食的肉量远不及猫的食量。根据康奈尔大学热带蛇类摄食生态研究者亨利·格林（Henry Greene）的报告，哥斯达黎加雨林的成年蟒蛇一年仅吃6只老鼠而已。这意味着，中型的宠物蟒蛇每年仅约消耗5磅（约2.3公斤）的生肉就可以维持良好的健康状态。家猫则须进食更多的肉类。家猫平均每天吃掉2盎司的肉，一年等于吃进将近50磅（约23公斤）的生肉。客观来讲，饲养宠物猫的道德责任应比宠物蛇高上十倍。

此外，每年美国流浪动物收容所对总计约两百万只无人认养或遭遗弃的猫咪施行安乐死，绝大多数为幼猫。目前，安乐死的动物尸体多以火化处理。那么为何不把猫尸提供给蛇主人呢？反正流浪猫难逃一死，如此一来还可以减少活老鼠为美国家饲蟒蛇或国王蛇牺牲的数量。这听起来应该是双赢策略吧？

天啊！若以逻辑推演，我开始觉得把小猫丢去喂蟒蛇似乎是个很不错的想法，好像还比喂它们吃小白老鼠来得合理，不过即便我的大脑认定以幼猫或老鼠喂食蟒蛇在理论上没有太大的差别，但是情感上我仍旧不能接受如此说法。基本上喂蛇吃往生的幼猫尸体实在太令人作呕，我可不是会在半夜跑到动物收容所偷取幼猫尸体的人哪。

饲养宠物的难题

塞米幼蟒的谣言事件让我开始思考其他人和动物互动时所牵连出的道德问题。举例来说，我的研究所同学罗恩·奈伯（Ron Neibor）专注于大脑如何于外伤后进行重组的研究。很不幸的，就罗恩的研究主题而言，猫正是最好的神经机制实验对象。他采用最普遍的神经科学实验法：以手术破坏猫咪大脑的特定部位，并以数个星期或数个月的时间观察其恢复状态。问题是，罗恩很喜欢这些猫咪。他的研究持续了整整一年，而对这24只住在实验室的猫咪的爱更是与日增进。他会在周末特地把车开到实验室，把猫放出笼子，并趴在实验动物中心地板上和它们玩耍。这24只猫咪已经变成了他的宠物。

依照实验协议，罗恩必须检查实验动物的大脑组织，以确认神经受损部位。他必须进行令人不安的“灌注”程序。首先，受术动物会被注射致命剂量的麻醉药，接着，再把福尔马林注射进血管内，以硬化大脑，罗恩必须将猫头从身体上切割下来，以镊子剥除头盖骨，取出完整的猫脑后进行切片和显微镜分析。

罗恩花了好几个星期的时间为所有的猫进行了“灌注”程序。他的个性突然转变了，研究室的同学发现他的情况不太好，热心提议代他进行“灌注”手术；但罗恩拒绝了，他不想回避自己的道德责任。在他“处理”猫咪的那段时间里，他变得郁郁寡欢，杀猫给他带来莫大的影响，他常常满眼通红，每当我们在走廊遇见时，他总是低头快步走过。

同样的道德难题也发生在人类最好的朋友——狗的身上。我在北卡罗来纳州巴纳尔德镇塘湾街尾的邻居塞米·亨斯利（Sammy Hensley）就是个例子。塞米以前务农，生平最大的爱好就是养狗和猎浣熊。对塞米来说，猎浣熊不是户外运动，而是一种生活情趣。他不吃浣熊肉，但会将浣熊外皮剥除、熊掌切下，钉挂在谷仓旁，好让邻居们好好鉴赏他在猎熊祭获得的成果（我在帮他剥浣熊皮时才知道大多数哺乳动物的阴茎里都有短骨，人类是少数的例外）。有次我调侃他狂剥浣熊皮为的只是要吓唬我的太太玛莉·珍，因为她很爱以前养过的浣熊，但塞米赶忙否认，他认为这是北卡罗来纳州自有的山居文化。

对塞米来说，狗有两种——宠物狗和浣熊猎犬，两者过着截然不同的生活。他通常手边总养着四五只猎犬，除了几只是熟门熟路的老犬外，另外一两只则是正在接受训练的幼犬。我很爱这些猎犬的品种名称：森林行者、普洛特猎犬、蓝钩、红骨。它们多半瘦瘦长长、声音低沉、眼神百无聊赖、皮毛油腻腻的，身上带着猎犬惯有的腥重体味，看起来一副无精打采的样子——那是因为多数时间它们都被8英尺（约2.4米）长的狗链拴在狗屋旁，唯一能做的事就是趴在泥土地上喘气。不过每到狩猎季，它们就全都活了过来，黑夜里暗巡在杜鹃花丛间，鼻子紧贴着地面狂吠。即便隔着海湾，我都可以听见它们的吠叫声。

塞米很爱他的帮手们，甚至可以听声辨犬。他分辨得出来当猎犬把浣熊逼上树时（好事）所发出的高音鸣叫，以及跟随在负鼠身后（坏事）所发出的吼声。如果猎犬们隔天没回家，塞米会忧心忡忡。不过对他而言，猎犬不是宠物，而是工作伙伴。如果有哪只猎犬表现差劲，他就会毫不犹豫地卖出或拿去以狗易狗，再带一只新猎犬回家。

不过塞米和太太贝蒂·苏（Betty Sue）也养过宠物狗。猎犬们从没进过家门，而宠物犬如小型波士顿梗犬则可以在屋内自由地奔跑。宠物犬和猎犬不同，它们更像是家庭成员，它们会被抚摸、跟家人玩耍，还会在餐桌旁边讨点吃的。某日下午，当塞米在牧场较为陡峭的地方除草时，被翻了的拖拉机压死了。塞米过世后，太太贝蒂·苏没有留下任何一只猎犬，但是家中饲养的宠物犬却陪伴她走过了人生中最艰难的时期。对塞米一家人来说，猎犬和宠物犬可能是完全不同种类的生物。

对大部分的美国家庭来说，狗就是同伴，不过我们对狗的态度如同塞米对待猎犬和宠物犬的态度一样，不完全一致。半数以上的狗主人认为狗是家中的一分子。美国动物医院协会报告指出，40％的受访女性表示，她们从宠物犬身上得到的关爱远多过先生或小孩。不过狗并非全然是正面影响。每10个美国成年人就有一个惧怕狗，而且狗会在夜半扰人安宁，因而造成邻里的情感冲突。我的好友罗斯（Ross）因为前邻居的狗老在夜半悲鸣吹狗雷，让他难以入睡，因此将房子卖掉搬离原址。美国平均每年约有450万人被狗咬伤，24人被狗攻击致死，其中多数死者为小孩。

从狗的角度来看，人与宠物的关系也并非纯然美好。每年约有200万至300万只狗遭饲主遗弃，并于收容所中进行安乐死处置。当人类希望繁殖出最完美的狗品种时，更造成了骇人的基因问题。举例来说，狗类行为专家詹姆士·史尔贝尔（James Serpell）认为英国斗牛犬的出现堪称犬类世界的历史悲剧。由于斗牛犬的头过大，因此约有90％的斗牛幼犬都必须以剖腹接生。它们的口鼻和鼻管严重变形，造成呼吸困难，即便在熟睡状态时亦然。此外，它们还得忍受关节疾患、慢性牙齿问题以及耳聋之苦；斗牛犬皮肤多皱，容易成为寄生虫宿主。除了病症繁多以外，斗牛犬还容易体温过高，并有流口水、打鼾、放屁和因心搏骤停而猝死的倾向。

韩国的狗的命运也相当多舛，它们或有可能成为宠物，也可能成为围炉火锅。多数的食用狗为短毛大型犬，外貌近似迪士尼老卡通里面那只外表丑陋的“老黄狗”（Old Yeller）；它们被饲养在极端恶劣的环境中，最终被电击屠宰。

上述种种，都是我们时常会忽略的动物问题，但身为心理学家，我开始对此矛盾深感迷惑。

从动物行为到爱好动物者的行为

就在拿猫喂蟒流言纷纷扰扰后的数周内，我开始思考人类与动物之间的矛盾冲突，反而搁置了动物行为研究。以普通标准而言，我的学术发展可说是一帆风顺。我在知名期刊上接连发表论文，获得国家级科学补助金，并于学术会议发表成果。不过，尽管有许多年轻优秀的学者进行如棉鼠的发音方式、乌鸦的工具使用习性和斑纹土狼奇特的繁殖行为（母土狼以假性阴茎生产）研究，我发现，试着了解人类与动物之间的奇妙社会关系的科学家仅有寥寥数人。由于人类与动物关系学为完全崭新的领域，研究者可以从最基础的问题探究，并贡献己力。于是，我在一年内关闭了原有的动物实验室，并开始全心全意地投入人类与动物的互动心理学领域。

我的研究主题从动物行为转变成动物爱好者如何面对自己与动物之间关系的道德矛盾，研究对象也变成为小狗进行安乐死并强忍住泪水的兽医系学生；常常“只是出去吃顿饭都会变成意外的磨难”而很难找到交往对象的动物权行动主义者；以巨熊为生活重心并以拖车共行，进行全国巡演的魁梧马戏团动物训练师；有着灰色鬓发却因为我要拍摄那七连胜满身是伤痕的斗鸡而露出鲜明微笑的斗鸡师傅。

我参加了动物权游行、教会伏蛇仪式（serpent-handling church service）、秘密斗鸡聚会；我访问了动物实验室研究员、出名的犬选秀训练师以及名不见经传的马戏团驯兽师。我亲眼看见高中生进行生平第一次的猪胎解剖，甚至协助农场工人屠宰牛只。我分析了网络上数千则往返于动物权行动主义者与生物医疗研究成员的信息，他们试图互相了解，但最后仍旧功败垂成，我希望在此之中找到人类行为的共通点。我的学生们研究了女性狩猎者、搜救犬、前素食主义者以及悉心照料宠物鼠的主人们。我们调查了数千位民众对牛仔竞技赛、动物养殖工厂与动物实验的看法。我们甚至翻阅了数百份八卦小报寻找当代社会对动物的种种迷思（我们研究八卦小报结集而成的论文集取名为《一女怀胎九兔》，可惜当初的编辑不识货，认为标题没什么科学感，要求我们删改）。

我和大多数人一样，为人类所担负的动物道德责任感到困惑矛盾。哲学家斯特罗恩·唐纳利（Strachan Donnelley）称处于灰色模糊地带的群众为“头脑混乱的中间分子”。生活在混乱中间地带的我们，就像身处复杂浩瀚的道德星际。我个人食肉——但分量远不若以往。我反对使用动物进行眼影和清洁剂测试，但是认同牺牲实验老鼠以进行癌症研究。虽然有许多动物解放哲学家的言论令人信服，不过我终究认为人类在象征性语言、文化与道德判断上，与其他物种有所区别。所谓的中间分子和非黑即白的动物权行动主义者或其反对者不同，我们采纳了较为广博的角度。许多人认为我们是骑墙派或道德侏儒。不过，我认为，所谓的中间分子其实相当符合人类逻辑，毕竟我们就是同时拥有超强脑容量与爱心的物种啊！对我们而言，陷入道德沼泽而不可自拔是无可避免的事。困惑，如影随形。

我将此书献给所有对人类与动物关系感到迷惑的人。身为科学研究者，我其实较擅长撰写能够使读者闭上双眼潜入梦境的专业书籍。但是我相信，科学家负有与普罗大众沟通的责任，我将此书献给不了解变异数分析和因素分析的差异，但却对最新科学研究充满熊熊好奇心的读者群。我希望以有趣的方式让读者了解最新的研究结果，但是同时坦承此议题非常复杂，我只能将所有已知与未知的事物诚实以告。

本书的许多议题具有高度争议性。举例来说，学者们仍旧无法确定当狗在客厅大便时，是否会有罪恶感；我们不知道，虐待动物的小孩，成年后是否仍具有暴力倾向；以及肉食在人类演化史中所扮演的角色为何。对普通大众而言，热门的动物议题则是：是否应该禁止斗牛犬饲养？因研究癌症新药每年牺牲数百万只白老鼠是否合宜？此类动物议题辩论早已进入白热化阶段，双方对立的程度直逼宗教狂热者的癫狂。（因此，依据人种学研究传统，某些出现在书内的研究者姓名已进行修改。）

最主要的是，我试着以客观的角度描述这个议题。当然，这表示我的书写内容不时会悖斥议题双方拥护者的信念，尽管他们胸有成竹并且绝对知识渊博。我对冲突保持着开放的态度。如果你想要深入了解宠物对人类的健康影响或动物权行动主义者的理论，你可以参考我推荐的论文报告。此书目的不在于改变任何人的道德立场或对待动物的方式，而是引导读者更深入思考人类与动物关系背后的心理逻辑与道德暗示。毕竟，人类与非人类动物的关系乃为人类所拥有的社会关系中，相当重要的一环。

1986年的某个傍晚，我在波士顿的豪华旅馆内和安德鲁·罗文（Andrew Rowen）深谈，他为塔夫斯大学（Tufts University）动物与公共政策中心的主任。我们曾经共同参与第一场人类与动物关系的国际研讨会，会议主题为“人类利用动物时所产生的道德矛盾”。60％的美国人相信动物有生存权，却又同时认为人类也拥有吃掉动物的权利。这到底是什么跟什么啊！

安德鲁抬头看我，“当人类想到动物时，唯一不变的，就是永远变动的价值观”。

本书为人类的矛盾而致献。

01
人类与动物的互动
人性的本质是什么？

人类无法理解与动物之间关系的根本原因，
在于人类最丑陋的两项特质：自大与无知。

克利夫顿·弗林（Clifton Flynn）

从堪萨斯机场坐车到研讨会会场的30分钟，比从北卡罗来纳枯坐三小时的飞机到堪萨斯来得有收获多了。路上我与社会学者莱拉·埃斯波希托（Layla Esposito）同行，前往年度国际人类-动物互动学研讨会。她表示最近刚完成博士论文，主题与中学生霸凌有关。我心生迷惑，问她为何要参加人类-动物互动学研讨会。她告诉我，她的另一个身份为孩童健康与人类发展国际协会的计划专案经理，将于研讨会公布新的联邦计划：美国国家健康研究院（National Institutes of Health）与商业巨擘玛氏公司（Mars）将联合赞助动物对人类健康与身心状态影响之研究，后者正是为我生产士力架巧克力并为我的猫猫堤莉生产美味鲔鱼罐头的公司。美国国家健康研究院主要关注宠物对孩童的心理影响：宠物对自闭症儿童而言是否具有医疗作用？催产素（oxytocin）会让我们更爱小宠物吗？家中养了宠物的小孩是否比较不容易罹患气喘？

“你们的赞助金额大约多少？”我问。她回答，每年250万美元。“天啊！太棒了，人类-动物互动学科正需要这样的资金。”同时我心想，接下来的几天里，应该会有不少人千方百计吸引莱拉小姐的目光。

人类与动物的关系重要吗

对比每年研究癌症的60亿美元，250万美元仅弥牙缝，不过这对乏人闻问的人类-动物互动学科来说，不啻为振奋人心的消息。此学科范畴包山包海，涵盖人类与其他物种的所有互动层面。举例来说，堪萨斯研讨会主题包含了关于照顾罹患慢性疾病宠物对饲主的生活品质影响，因为宠物而治愈心脏病的实例，幼童如何分辨友善的狗与凶恶的猛犬，猫咪的性别所造成的行为差异（结扎后的公猫比割除卵巢的母猫更温柔），以及动物之间的道德关系。

尽管人类与动物的关系非常重要，但是科学家长久以来对此领域的漠视，直到最近才有了转机。以我个人的专业领域心理学言之，数百年来，科学家致力于研究行为决策过程背后的逻辑，包括动机、感知、记忆等，但却对日常生活的其他面向抱持着漠视的态度，如食物、宗教以及生活休闲活动等。而人类与宠物的关系，也是每个人都关心但却长期被科学家忽视的主题之一。

行为科学家对人类与宠物关系兴趣缺乏的原因之一是，他们认为这仅仅是日常琐事。此态度实属荒谬。了解我们对待其他生物的态度与行为相当重要，主要原因如下：约有三分之二的美国人饲养宠物，而且许多饲主与宠物拥有极其深厚的感情。此外，我们对待其他物种的态度正历经转变期，不管是医疗实验动物或人类仅因口腹之欲而杀生等议题，都引起了日趋极端的争辩；究竟动物是否该拥有与人类同等的道德地位的争议越演越烈，以至于联邦调查局官方发言人就曾表示，极端的动物权行动主义者已经成为美国本土最危险的恐怖分子。最终，人们开始对人类-动物互动学开始产生兴趣，当我和认识的人提起自己正在进行人类-动物互动研究时，许多人立刻会开始热络地与我谈论自己的狗的古怪故事、拒绝吃肉的伟大理念或者安堤姑妈喜欢带着猎犬外出狩猎黑熊的故事。

以人类-动物互动学家的观点看世界

人类-动物互动学已超越了普通的学术界限，参与学者包括心理学家、兽医、动物行为学家、历史学者、社会学家与人类学家。如同其他科学领域一样，人类-动物互动学者不时会意见相歧。在面对较为棘手的人类动物道德关系时，学者们亦各有立场。事实上，我们连对此学科的命名都谈不拢，有些学者偏好称此领域为人类-动物研究（human-animal studies）。不过，尽管歧见横生，我们仍旧有着相同的初衷，我们认为人类与其他物种的互动对人类生活而言别有意涵，而且我们多少都希望让动物拥有更好的生命状态。

以学科规模来说，人类-动物互动学仅具雏形，不过在过去的20年内，我们确实有所进展。目前我们已有数本期刊以此学科为主题，国际人类-动物互动学研讨会每年都盛大召开，并让学者发表最新研究成果，学者们针对遛狗是否会让饲主减重或猫究竟被人类驯养了多久之类的主题进行讨论。美国本地已有150所大学与学院开始教授人类-动物互动学科，此外，宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）、普渡大学（Purdue University）以及密苏里大学（University of Missouri）皆设有人类-动物互动学研究中心。

若想了解这门新颖学科的发展动向，不妨从以下几个最热门的议题开始，如海豚是否有极强的情感疗愈功能，人类如何选择自己的宠物，虐待动物的小孩长大后是否会成为暴力狂。

海豚可以胜任治疗师的角色吗

人类-动物互动学学者相当好奇与动物互动是否可以减缓人类的忧伤。动物辅助疗法（Animal-assisted therapy）早已行之有年，而“宠物疗法”（Pet therapy）的历史更可回溯至1964年，当时小儿科医师鲍里斯·莱文森（Boris Levinson）发现，许多很难沟通的小孩在和他太太的狗叮当玩过以后，就会卸下心防。每隔几周，狗医师会到我92岁的外婆住的疗养中心探访，并且让现场气氛变得轻松愉悦。我自己则喜欢和家里的猫堤莉谈心，这让我能更容易地面对生活中的大小事。（堤莉是个铁石心肠的医师，每当我开始愁眉苦脸抱怨病情时，它就会吸吸鼻子掉头就走。或许我应该找个性格稳重、有水汪汪眼睛的黄金猎犬——狗版的梅菲医师、黑手党教父唐·柯里昂的心理医师，或许更具疗效。）

不过，骑马、和小狗玩耍或是抚摸猫咪真的可以让忧郁症痊愈或是减轻自闭症儿童的病症吗？犹他大学（University of Utah）研究者杰奈尔·迈纳（Janell Miner）与布拉德·伦达尔（Brad Lundahl）分析了49份已发表的动物辅助疗法对孩童、青少年、成人与老人疗效的科学研究，其研究环境包含医师诊疗室、长期照护安养机构等。他们发现，狗为最常见的治疗师，而动物辅助疗法最常应用于精神疾病患者而非身体残疾患者身上。多数（并非全部）研究发现，患者确实从动物治疗师身上获得足以量化的情感疗愈；平均来讲，患者改善的程度与忧郁症患者服用百忧解（prozac）的效果相差不远。然而，动物辅助疗法中最受争议的对象应为海豚。海豚的情况与马或狗不同，毕竟将海豚的活动范围缩限于人为环境中，等同于违反野生动物的天性。此外，对于海豚具有神奇疗愈的说法尘嚣甚上，目前可见说法包括减轻唐氏综合征、艾滋病、慢性背部疼痛、癫痫、脑性麻痹、自闭症、学习障碍、失聪的症状，甚至还能缩小癌症肿瘤。除了上述学界推测的治疗作用以外，更有“生物力场”（bioenergy force）一说，认为海豚彼此沟通时所发出的高频脉冲声与低沉咕哝声可以改变人类脑波。

海豚疗法听起来振奋人心：只要去和海豚游个两圈，身体就会变得更勇健。不过在你签署“与海豚在大浴缸里游泳”的合约以前，最好先深思广告背后的科学依据。多数的海豚疗法机构所依据的仅是个人体验、报告或由既得利益者所设计的粗糙实验。通常，海豚疗法对濒临崩溃边缘的唐氏综合征与自闭症儿童的父母特别有吸引力，这些父母往往愿意倾家荡产，只为了让小孩的健康状况转好。他们争相参与全世界超过100个声称具治疗性质的“海豚共游”课程，并远赴英国、俄罗斯、巴哈马共和国、澳大利亚、以色列以及佛罗里达群岛、塔里岛、迪拜等国家和地区。所有的父母急迫地希望有着蒙娜丽莎式微笑的海豚确实具有神奇的力量，能疗愈重症孩童。海豚疗法所费不赀。荷属安的列斯群岛库拉索海豚疗法与研究中心（Curacao Dolphin Therapy and Research Center）的两周式水中疗程，以每小时700美元的高价进行收费。这些钱花得值吗？父母们是否得到了令人满意的结果呢？

大自然的奥秘不会轻易地就被看穿。科学家必须绞尽脑汁才能穿透重重迷雾，但如同其他人一样，科学家也会被骗，尤其当他们自身的利益也牵扯在内时。也因此，所有的研究所学生都会修一门“研究方法论与统计学”课程，俾使运用客观的实验技巧。科学家老是把“内外在效度”“代设剂效应”“随机分配”“单双盲实验”与“相关性反悖因果性”等华丽辞藻挂在嘴边，而本人并不打算继续叨念任何科学术语。不过我必须说明的是，概念性研究工具确实可以避免科学家在无意之间陷入主观意识。即便研究成果冲击到我们对宠物的既有概念，科学家仍旧苦心寻求替代性解释。1924年，芝加哥郊区霍桑工厂经理雇用了心理学家团队研究改善工作环境会如何提升员工产能。心理学家们有计划地进行了一系列的小型改善计划，首先他们增加地板的照明度，接着微调薪资系统，后来，他们调整了工作进度与休息时间长度。研究团队发现，几乎每项小改变，甚至只是取消前一项改变，都会带来暂时性的产能提升。研究者的结论则是，员工产能的增加与较好的照明系统、薪资或更长的休息时间无关，上述改变仅仅为调整固定作息时间所带来的涟漪效应。

那么，海豚治疗以及患者所呈现的短暂改善现象，是否与霍桑效应，也就是新体验所带来的短暂喜悦感有关呢？这值得我们深思。当患者旅行至遥远的美好国度并与全世界最可亲的生物一起在热带海洋里共游，身边围绕着充满爱心并且怀抱着无限希望的人们……

我们该如何实际检验海豚疗法的效益，并排除上述种种美好体验的附加价值呢？还好，有些方法能将我们无意识的偏好排除在疗程真正的效益之外，让我们不受实验之中的潜意识因素影响。

为了以客观且严肃的方式证明海豚对孩童带来的好处确实远超过“感觉良好”的状态，我们必须使用近似“消费者报告”的检验方法。举例来说，超高频率的海豚音对有身心障碍的儿童究竟有何效用？一个德国研究团队于佛罗里达群岛仔细观察海豚夏令营里海豚与有身心障碍的儿童的互动状况。研究团队发现，多数时间海豚都把重症孩童晾在一旁，彼此间也鲜少使用超声波进行沟通。事实上，身障孩童们在疗程中仅仅接触了约10秒的海豚超声波，这实在称不上有任何疗效。此研究团队最后的结论认为，让小孩参加海豚疗程不如在家和狗打滚。

可是传说中那些海豚的共鸣、温暖的微笑以及神秘的气场所带来的疗效，究竟是否属实？许多科学家包括埃默里大学（Emory University）的洛丽·马里诺（Lori Marino）与斯科特·利伦菲尔德（Scott Lilenfeld）都投入了相关主题的研究。洛丽热爱动物，她会利用周六空当帮收容所的猫咪寻找新主人，不过，她最爱的还是海豚。她在神经科学研究所读书时，就开始对海豚大脑解剖构造的特殊性着迷，至今已投入海豚研究工作近20年，也是第一个证明海豚能够辨识出镜子中的自己的科学家（同时具备此能力的有人类、猩猩、大象和喜鹊）。斯科特则是执业的心理学家，专门接手其他科学家避之唯恐不及的主题，好比罗夏墨迹测验（Rorschach inkbolts）是否会揭露受测者的性格（正确答案为否）。

擅长海豚研究的洛丽搭配可以大刀阔斧解除心理学迷思的斯科特，两人组成了绝佳团队，验证海豚究竟是否对身心障碍者有着确实的疗效。洛丽和斯科特检验了所有宣称对忧郁症、皮肤炎、心智发育迟缓、自闭症和焦虑症有显著效用的海豚疗法，经过仔细评鉴，她们发现，几乎所有的实验都有设计瑕疵：取样规模太小、缺乏客观的疗效评鉴方法、控制组操作缺陷、无法区隔海豚疗效与外在环境的美好以及新体验所带来的正面影响，还有研究者本身所涉及的利益等。

两位研究者主张，目前没有任何的科学证据可以证明海豚疗效有助于上述的所有病症。海豚治疗根本就是门伪科学。洛丽与斯科特不满海豚疗法成为医疗神话，决心将该产业驱逐出科学界。她们称海豚疗法为“危险的潮流”。我知道海豚疗法很潮，但是危险何在？如果父母们财力许可，那么为何不让这些不幸的孩子和海豚在海里嬉游数周呢？这看起来并没有任何害处呀。

洛丽不这么认为。她认为此疗程对海豚或儿童而言，都具有危险性。海豚具有攻击性，更无法分辨眼前孩童是自己的疗愈客户。近年一项调查发现，在400名专业海洋哺乳类动物工作者中，至少有半数的人曾受过重大伤害，而海豚疗程的参与者也曾经被鳍击伤、受到咬伤或撞击（造成肋骨断裂与肺部破洞等伤害），甚至还有海豚治疗师将皮肤病传染给儿童们。

海豚治疗也牵涉了相当复杂的道德议题。执业中的心理学者选择了咨商师的道路，但海豚没有。虽然美国海豚疗法选用封闭环境中培育出来的海豚，但多数国家的海豚治疗师经由大规模猎捕而得。洛丽认为，我们不能仅仅为了人类的医疗利益，就让海豚们过着如同关塔那摩监狱囚犯一样的生活，在水泥池里转着圈圈，直到死去的那一日到来为止。

人类是否有权利捕捉具有高度社交能力与精良沟通系统的智慧生物，并将它们培养成可以治愈自闭症孩童的治疗师？如果海豚确实具有特殊能力，那么海豚疗程似乎还稍微具有合理性，然而，我需要更强而有力的证据来说服自己：只要和海豚一起游个15分钟，就可以让自闭儿开朗、让唐氏综合征宝宝智商提高15分，又或者海豚电场可以改变中年危机带来的沮丧不安感。但是，我们缺乏此类证据。

目前未见相关法律、法规对海豚疗法进行规范，也没有相关的心理或医学组织认证。2007年，英国鲸豚保育协会与慈善组织自闭症研究学会呼吁应彻底禁止所有的海豚疗法。连海豚疗法的初期先锋者都加入了呼吁的行列：贝特西·史密斯（Betsy Smith）为佛罗里达国际大学（Florida International University）人类学家，她在20世纪70年代开始建立海豚和心理障碍孩童之间的桥梁。起初，成效颇丰，她也很快地成为海豚疗法的忠实支持者。不过，后来她改变想法了。在一封阿鲁巴海洋哺乳类动物基金会（Aruba Marine Mammal Foundation）的公开信件里，贝特西·史密斯博士写道：“所有的圈禁计划背后的目的都是利润。”天啊！

根据一位曾与海豚同游的好友的说法，那过程确实很好玩。不过海洋哺乳类动物并非万灵丹，一个星期的海豚疗法无法让脊椎抽长，也无法治愈心理疾病，或者防止癫痫再度发生。所以，省省钱吧，救救海豚好吗？

狗主人长得和狗像吗

当人们知道我研究的是人类与动物的关系时，他们经常会说：“那你应该要和我朋友某某某谈谈，她真的爱死她的某某某了。”连我姐姐也犯了同样的毛病，硬是要我和保莱特·雅各布森（Paulette Jacobson）聊聊。保莱特和一只叫作贝特·戴维特（Miss Bette Davis）、简称小妞的西施犬一起住在西雅图附近的斑桥岛。以前小妞受到前饲主的忽视，现在却改头换面，过着贵族天后般的生活。它每天享用新鲜烹饪的三餐，在游艇尽享吉特海湾的风光，还有梦幻的狗衣柜。小妞有一件雨衣和好几件毛衣、太阳眼镜和蛙镜。有时候，保莱特会和小妞打扮相似并骑着机车在斑桥岛绕行，一人一狗出双入对，所到之处往往引起游客注目，甚至拍照留念。最近有间宠物商店要在斑桥岛开业，保莱特早已等不及要为宠爱的小妞添购行头，她说，“小妞就是我心目中的梦幻狗”。不过，小妞不只是她的朋友，“她根本就是我的化身，我把她当作我身上最夺目的时尚配件”。

妮可·里奇（Nicole Richie）更是进一步将一只叫甜心小子（Honey Child）的狗当作自己的代言人，她选择了符合自己发色和甜心小子毛色的多彩发辫进行接发。究竟“狗主人和狗狗是否都会长得很像”，绝对是一门值得大众心理学者好好探索的主题，也是窥探集体智慧的一面镜子。我们心里都有许多关于此话题的刻板印象——手臂刺满硬汉风格刺青的魁梧男人牵着斗牛犬、身材高挑的名流模特牵着两只阿富汗猎犬。不过，狗主人真的和自己的狗狗长得很像吗？

英属哥伦比亚大学（University of British Columbia）心理学者与犬研究专家斯坦利·柯伦（Stanley Coren）认为道理很简单。基本上来讲，所有的社会心理学者都认为人们倾向于选择和自己具有相同程度吸引力的伴侣，那么选择一同生活的宠物自然也会使用类似的逻辑：短发女性偏好竖耳犬种，例如贝生吉犬（basenji）或哈士奇，而长发女性则多半选择长耳的米格鲁或是史宾格猎犬（Springer Spaniel）。

为证明自己的假设无误，柯伦让不同发型的女性对四种拥有不同耳型的犬种进行评分。问卷问题包括，你如何评价此犬的外形？此犬看起来是否友善？此犬看起来是否聪颖？柯伦证实了，果然短发女性偏好贝生吉和哈士奇，而长发女性则喜好米格鲁或史宾格。此外，短发女性认为竖耳狗类看起来更为聪明、友善而且忠实。柯伦认为，人们各有偏好的造型，他们除了把自己打扮成某种模样以外，也会挑选具有类似风格的宠物。

这论点还挺有意思的。然而，柯伦并没有直接证实宠物主人和宠物是否长得很相似。最近，心理学家迈克尔·洛伊（Michael Roy）与尼古拉斯·克里斯坦菲尔德（Nicholas Christenfeld）继续对此疑问追根究底。克里斯坦菲尔德在夜晚的亲子阅读时发现故事书里的主人总是牵着和自己模样相似的狗。他想知道现实生活是否也是如此，如果是的话，背后原因又是什么。

研究者对“狗主人或许和狗狗长相相似”一说，提出了两种可能的解释，一种说法为聚合，另一种说法为选择。聚合理论认为，主人与宠物经过多年相处，慢慢变得更为相似。这听起来或许有点可笑。不过，实验证实伴侣在多年相处后确实长相会趋于相似。此外，通常肥胖的人往往也会过度喂食宠物。假使聚合一说为实，研究者认为，主人与宠物相处时间之长短，应会影响两者外貌相似的程度。相反，选择理论则认为，主人在一开始就选择了与自己外貌相似的宠物。洛伊和克里斯坦菲尔德认为，若此说为真，那么饲养纯种犬的狗主人与宠物的近似度，应该会高于饲养混种犬的主人与其宠物的相似度。毕竟，要推估混种小狗未来的长相较为困难。

为了验证上述说法，洛伊和克里斯坦菲尔德开始在公园进行调查，他们为狗主人与其宠物拍摄一组照片，每组照片都会再另外搭配拍摄一张没有任何关系的狗的照片。接着，他们要求大学生从每组的三张照片中，试着将狗主人与其宠物配对。假使宠物与主人不具有任何外貌上的关联性，那么猜测准确率应趋近50％。反之，若宠物与主人确实具备某种外形上的相似性，那么准确率应该会高于50％。研究者猜测，选择理论应该是较为合理的解释，而非聚合概念。此外，他们更认为，主人与宠物相当相似的情况多半会发生在纯种犬身上，至于狗主人会在多年相处后长得和宠物更为相似的说法，则被研究者彻底否定。

结果，研究者的猜测全数准确。学生正确配对宠物与主人的比例高达三分之二，这绝对超出乱数猜测的最佳可能性。而且学生的猜测结果确实符合选择理论的逻辑，那就是混种犬与主人的辨识度确实较低，而两者也不会在相处日久后变得更为相似。

我和大部分科学家一样多疑，也因此，刚读到洛伊和克里斯坦菲尔德的论文时，相当怀疑此说法。不过，现在早已被彻底说服。不管是在委内瑞拉、日本还是英国的研究团队，都陆陆续续地得到了相同的研究成果，证实多数宠物主人长得与宠物极其相似。当然，这并不意味着所有的宠物都会长得和主人很像，只是说明科学证据证实了宠物主人与所拥有的宠物，确实有在外形上相似的倾向。谁知道为什么啊！

爱狗人士和爱猫人士的性格不太一样吗

我的好友菲丽斯与比尔这对夫妻有个非常大的不同点，菲丽斯是猫奴，而比尔不是。菲丽斯从大学时代开始就养猫，同时会养个两三只。我曾经为她当猫保姆长达一整个月，并答应每天都会给其中一只坏脾气的猫克里斯两颗药丸：一颗抗癫痫、一颗抗忧郁症。这是每日必经的折磨，最后，克里斯往往会击败我获得压倒性的胜利。最近这几年，菲丽斯还在兽医院花了上千美元，医治她那只喜欢和发情流浪公猫与浣熊格斗的灰色虎斑猫奇波。

为什么菲丽斯那么爱猫？她说自己喜欢猫的独立和它所流露出的情感，这和她欣赏先生比尔的说法恰巧相同。至于狗狗，她觉得实在太累人了。

至于比尔，他向来都对动物没有太多感觉。其实即便现在他也说不上喜欢猫。比尔童年时家中没有任何动物，也从来都没有起过要养宠物的念头。不过两人结婚后，养猫的日子就这么突然到来。经过多年的相处，比尔对猫的态度缓慢地转变了，从一开始的漠视转而变为包容。他承认偶尔晚上看新闻时，猫会躺在他的肚皮上，这会让人心情愉悦。不过，他从来不会插手喂猫一事或是在远行时问菲丽斯猫过得好不好。比尔仍旧认为，如果他自己独居，绝对不会饲养宠物。

菲丽斯是个相当优秀的心理治疗师。由于她拥有专业的临床经验，因此我问她是否能在爱猫人和爱狗人身上看到不同的特质。令我讶异的是，她否决了我的猜测。她说爱狗或是爱猫，往往出于巧合，而非人格特质。有时候，人们刚好就在自家后院发现走失的小猫，或者刚好在养狗的家庭长大，也说不定，是需要有猫咪驱逐地下室的老鼠。

我猜，正在阅读此书的你应该不是爱狗人士就是爱猫人士；我想你更有可能是爱狗一族。因为每当人们被问到类似问题时，多半会很快地给出一个精确的答案。此外，近年盖洛普调查（Gallup poll）显示，近70％的美国人都自称为爱狗人士，这还挺吊诡的，因为根据宠物人口统计学，美国饲养猫的家庭远多于养狗的家庭（就拿我和玛莉·珍来说好了，我们都比较爱狗，但家里却有堤莉老大）。

不过，究竟爱狗人士和爱猫人士有没有什么性格倾向上的差异呢？还是这又是另一个错误的刻板印象？

专攻人类与动物个别差异性的得克萨斯大学（University of Texas）心理学家塞米·戈斯林（Sam Gosling），尝试回答上述问题。他在精彩著作《窥探术：身边物品说明了你是谁》（Snoop: What Your Stuff Says About You ）中指出，某些个人选择可以透露出我们人格的蛛丝马迹，也有些不会。举例来说，戈斯林可以透过你iPod所下载的音乐、房间凌乱程度与墙上所挂的海报类型，描述出你的部分人格特质。至于冰箱里的食物，则和你是什么样的人一点关系也没有。

不过在我们开始讨论爱狗人士与爱猫人士的性格是否有差异以前，我们必须先简单了解人格心理学。心理学者对人类天性早已争执了数百年，其中一个最有分歧的问题就是：所谓的人格特质究竟有几种？虽然并非所有心理学家都同意，但多数心理学者都认同以五项基本特质来形容一个人的个性。严格来讲，我们称此为“五元素模型”，心理学界往往简称为“五大性格”。

五大性格特质为：

·对新奇事物的开放性vs对新奇事物的封闭性

·尽责vs冲动

·外向vs内向

·合群vs对立

·情感纤细vs情绪稳定

剑桥大学人类-动物互动学者安东尼·波德贝斯（Anthony Podberscek）与塞米相当好奇养宠物的人和不养宠物的人在个性上是否有差异。他们翻遍科学文献找出数十篇将两种类型的人做比较的实验，结果却是一团混乱。有文献认为养宠物的人比较外向、情绪较稳定或情感上较不独立，另一篇研究的结论则完全与之相悖。两人的调查结果表明，养宠物的人和没养宠物的人基本上没有任何人格上的差异。

那么究竟爱狗人与爱猫人有何差异呢？过去十年来，塞米通过网络测验为上千位受测者进行五大性格测验（你可以至www.outofservice.com/bigfive网站接受测验）。2009年塞米暂时性地置入一项问题：你是否为爱狗者或爱猫者，或者都不是？在短短一周内有近2088位爱狗者与527位爱猫者做了性格测验。

测验结果如下：

·爱狗者比较外向

·爱狗者比较合群

·爱狗者比较勤劳

·爱猫者比较纤细

·爱猫者比较勇于尝试新事物

结果证明菜市场心理学者的看法是正确的，爱狗人和爱猫人真的有性格上的差异，而此间差异点，和你料想的差不多。当然，科学总是比我们知道得更多。在此案例之中，爱狗人与爱猫人的性格差异其实并不显著（除了居中范围内的内向性以外）。总之，不管你是爱猫还是爱狗，这确实多少透露了一点关于你性格的小事，不过，这远低于iPod所透露的信息，但又比冰箱内的食物包含更多资讯。

虐待动物的小孩长大后会有暴力倾向吗

最近一次造访曼哈顿时，我特别花了一个下午的时间去逛大都会美术馆，想找找有关人类与动物关系的画作。这类作品为数不少，但其中最醒目的是16世纪意大利画家阿尼巴尔·卡拉齐（Annibale Carracci）所绘名为《两个戏弄小猫的孩童》的画作。该幅油画描绘两个相貌天真的小男孩和小女孩以及一只猫。画中小男孩用左手按住猫，右手拿着小龙虾，看起来他想刺激小龙虾用螯夹住猫耳。两名小童都露出了天使般的微笑，沉浸在孩子气的“游戏”喜悦之中。我们该如何看待小孩子的暴力行为呢？这算是孩子气的恶作剧，还是具有导向未来暴力行为的深度心理学暗示行为？

将暴力行为施加在动物身上，说明了人类与动物的互动关系牵涉了更大层面的心理学问题。举例来说，虐待动物是先天行为，还是后天环境所造成的后果？有些科学家深信残忍的天性与人类进化史有关，毕竟我们的祖先和肉食性人猿相仿，都喜欢让猎物四分五裂的感觉。然而，其他科学家则认为人类孩童具有善良的天性，而孩童对动物所施以的暴力行为则源自人类社会对狩猎行为与嗜吃生肉的赞扬。当然，面对动物的残酷行径又再一次说明了人类对动物不一致的道德态度，究竟猎人射击野鹿和坏孩子在狗尾巴上绑上空罐头有何差别呢？

人类学者玛格丽特·米德（Margaret Mead）曾经写道：“对孩子而言，最危险的莫过于他人在孩子面前残酷地杀害动物，并轻松脱身。”她所反映的正是数百年来被无尽探讨的议题。约翰·洛克（John Locke）与伊曼努尔·康德（Immanuel Kant）曾经直接将虐待动物与人类所主导的暴力活动相联系。事实上，康德认为人类应当仁慈地对待动物的主要原因就是虐待动物将导致人类更剧烈的残暴行为。部分人类-动物互动学者深信，孩童时期虐待动物的经验往往导致未来成年时进行犯罪行为。当然，也有其他学者保持着怀疑的观点。

心理医师艾伦·费瑟斯（Alan Felthous）与人类-动物互动学领域的权威学者斯蒂芬·凯勒特（Stephen Kellert）进行了史上第一次针对动物虐待与犯罪行为关联的实验。他们针对三个类别的对象进行了访谈，包括：攻击性罪犯、无攻击性罪犯与非罪犯。结果显示，攻击性罪犯持续虐待动物的频率确实远较其他组别来得高。此外，高攻击性罪犯的暴力程度也与其他组别不同。他们会用微波炉煮猫，虐待青蛙，或是将狗活活淹死。

我从此实验与其他相关研究得到灵感，开始询问周边朋友孩提时是否曾经有虐待动物的经验。结果让我瞠目结舌。举例来说，我的老友佛烈德，一个建筑工人，承认小时候和死党一起用鞭炮炸死青蛙。亨利5岁时妈妈买了只有着大耳朵的棕色小狗给他。有天他和朋友突发奇想站在围篱的两边把狗当躲避球一般抛接。没隔几天，小狗就死了。亨利说，每次想到这件事都让他想哭。当我问琳达小时候有没有做过类似虐待动物的事的时候，她突然安静了下来还一脸严肃。她说确实有，但她不想谈论此事。相比之下，朋友伊恩的罪行比较轻，他只用放大镜烧蚂蚁而已。

我很讶异有这么多朋友都坦承小时候曾经虐待过动物。但他们之中没有任何人走上黑暗的道路，成为重刑犯、家暴者或连续杀人魔。达尔文也是，他曾经在自传中写道，“当我还小时，曾打过小狗，我相信那只是因为想要尝尝权力的滋味而已”。（不过他接着写，“我从来没忘过此事，甚至连犯罪地点都记得一清二楚，显见此事在心头之沉重”。）

我也有罪。以前在佛罗里达时我和死党都会拿陆蟹和蟾蜍当BB枪的射击目标。有天早上，我手拿BB枪，抬头望见树梢的枯枝鸟巢，我心想，不如射射看啊，反正又不会射中，而且BB弹没啥大不了的吧？我大错特错。枪管发出一缕轻烟，鸟无声地坠落地面死去。我吓破胆了。毕竟一只丑陋的陆蟹和在鸟巢中休息的活生生的小鸟有着天壤之别。从那天起，我就再也没有拿动物当作射击对象了。

人们深信孩提时期的暴力经验和日后的施暴行为有着极大关系，以至于美国人道协会甚至买下“联结”（The Link）一词的商业使用权，并举办与之相关的公开演说。通常演说都会以一连串的悲剧开始，首先是连续杀人犯们：波士顿绞杀者阿尔伯特·迪沙尔佛（Albert DeSalvo）、杰弗里·达莫（Jeffery Dahmer）、华盛顿狙击手的共犯李·博伊德·马尔沃（Lee Boyd Malvo），他们全都有在孩童时期虐待动物的记录；接着是校园大屠杀案件主角，不管是科罗拉多州的柯伦拜高中、俄勒冈州的泉地高中、阿肯色州的琼斯布洛高中，还是密西西比州的珍珠高中、肯塔基州的潘杜卡高中，所有的犯案男孩都承认有虐待动物的经验。

我对此类逸事证据向来兴致缺缺。许多深信“联结”说的人甚至会让人以为所有的连续杀人犯和校园枪击案凶手都有虐待动物的历史。事实绝非如此。曾经有研究者调查发现，在354名连续杀人犯之中，有80％的凶手都没有虐待动物的经验。至于校园枪击案与动物虐待之间的关联性更是微乎其微。2004年，美国特勤局和美国教育部一起针对37起校园枪击凶手进行了详细的人格检验。研究人员发现，仅有5名枪击者曾有动物虐待史。他们的结论为：极少数的凶手曾在犯案前有过对动物施虐或杀害的行为。很明显，许多“联结”说的支持者过分地渲染了动物虐待与暴力行为之间的关联性。然而，确实有少数证据显示，两者之间有着关联。困难在于我们如何权衡两者之间的关系紧密与否，以及两者之间为何会有关联性。

人们会将童年时期的暴力游戏与未来的犯罪行为做联想多半出于下列几项原因。我将第一种原因称为“坏因子假说”（bad seed hypothesis），有些小朋友在小学时就开始说谎、偷窃和霸凌，精神科医师将此类行为称作“品行障碍”（conduct disorder）。20世纪60年代时，会被认定为品行障碍的孩童多有下列毛病：玩火、尿床和虐待动物。虽然这三项特征彼此间并没有紧密关联，但美国精神病学协会仍旧将虐待动物视为品行障碍的诊断标准之一。坏因子假说显示，虐待动物虽然并非行为不良的主因，但却是严重问题儿童的指标，未来这些孩童很有可能转变成为精神变态者。

“联结”假说中最强硬的说法被称为“暴力毕业典礼”（violence graduation hypothesis），此论述认为一个人仅仅摘掉蝴蝶的翅膀或殴打小狗，就注定了这个人未来将迈向牢狱生活。琳达·梅尔兹-佩雷斯（Linda Merz-Perez）与卡萨琳·海德（Kathleen Heide）在其重量级著作《虐待动物：通往暴力之途》（Animal Cruelty: Pathway to Violence Against People ）中，大量采用了上述理论。暴力毕业典礼理论将孩童的虐待动物行为视作犯罪档案的一环，并期望借此预先辨识出校园枪击案凶手或连续杀人犯。

所以，这些档案有用吗？孩提时期的暴力行为究竟与日后的犯罪是否有关联？答案显然仍在未定之天。美国东北大学（Northeastern University）社会学教授阿诺德·阿鲁克（Arnold Arluke）所率领的研究团队，以相当独特的方法检验了暴力毕业典礼假说。他们将曾犯下虐待动物罪行的犯罪者，与另一组同社区里的守法者做比较。研究者认为，如果暴力毕业典礼假说为真，那么虐待动物者犯下暴力案件的比例应该高于贩毒或偷车等较为普遍的罪行。

研究者的结论否决了暴力毕业典礼之说。确实，虐待动物者大多为极端的麻烦人物，你绝对不会想要当他们的邻居；他们犯案的比例确实也远高于与之相比的守法者。但是，虐待动物者在犯行上并未显现特殊倾向，他们犯下暴力罪行与非暴力罪行的概率相差不远。

若随意地将童年时期虐待动物的行为与日后的暴力犯罪画上等号，确实相当不智。如果以基本逻辑判断的话，我们知道“即使所有的A都是B，也不能证明所有的B就是A”。好比我们已知大多数的海洛因成瘾者一开始都有抽大麻的经验，但如此并不代表所有开始抽大麻的人日后都会成为海洛因成瘾者。同样的，即使我们知道多数的校园枪击凶手与连续杀人犯都有在童年时虐待动物的经验（这个指称基本上非常可疑），我们也无法证明所有扯过蝴蝶翅膀的小孩日后都会变成谋杀犯。

最重要的是，数据完全否认了暴力毕业典礼的论点。艾米丽·帕特森·凯恩（Emily Patterson Kane）与希瑟·派伯（Heather Piper）分析了24份关于极端暴力分子（连续杀人犯、性虐待狂、校园枪击犯、强暴犯与谋杀犯）以及无暴力行为史之男性（大学生、青少年和正常男性）的研究报告，研究者发现35％的暴力犯在幼年时曾有虐待动物的经验，然而，在正常男性的研究组里，竟有37％的参与者坦承有此经验。社会学者苏珊·古迪·尼雅（Suzanne Goodney Lea）也得到了相似的结论：她研究了570位年轻人的成长背景，其中约有15％的人曾有虐待动物的历史。她发现，会打架、习惯性说谎、会使用武器与纵火的孩子并没有任何将成为暴力的成人的倾向。虐待动物，仍旧无法预示未来的攻击性行为。

阿诺德·阿鲁克教授具有倾听的天赋，他能让受访者进入放松的状态，然后透露内心深处的秘密，功力堪比顶尖刑侦人员。阿诺德·阿鲁克成功地深入曾有虐待动物经验的大学生们的内心世界。基本上，他只要在课堂上随口问一下就可以找到无数有此经验的学生。在他的受访者里，有人曾经用漂白水杀害鱼缸里的鱼，把苍蝇脚拔断，用打火机烧蚱蜢，把活青蛙当飞盘玩。一位受访女性的回答似乎表达了多数动物虐待者的想法：“我们就是没事干，然后想，来弄一下那些小猫好了。”

阿鲁克教授的学生其实并非特例。最近有份针对大学生的报告指出，约有66％的男学生与40％的女学生承认有虐待动物的经验。因此，阿鲁克提出了较为极端的结论，他认为虐待动物为童年成长的一部分，并称此为“肮脏游戏”（dirty play），这和抽烟或说脏话一样，都是令人感到刺激的禁忌行为，让孩童以秘密的方式初尝成人才拥有的权利。肮脏游戏也强化了同伴（也就是犯罪搭档）间的关系。普遍来讲，阿鲁克的学生们都不是那种会把猫丢进微波炉或把狗从屋顶往下扔的小恶棍，而且，这些学生也与费瑟斯和凯勒特所调查的重刑犯不同，他们多半会为童年时期的幼稚行为深感懊恼。不过，我们仍旧得以借此窥见事实的真相，童年时期的虐待动物行为远比我们所想象的来得普遍。

奇妙的是，大部分极端残酷的动物虐待事件凶手，日后都成为守法的公民，而多数的坏孩子则对虐待动物兴趣不大。对我而言，虐待动物引发了另一个问题，但绝不是变态狂会如此残忍的原因，因为这个问题的答案太过明显：变态狂成因为其精神疾患、无道德准则或邪恶本质使然。真正有趣而重要的问题并不在于我们和动物之间的关系，而是为什么善良的人也会犯下残忍的暴行。

许多研究者与动物保护团体以传教士般的热忱强烈联结虐待动物与人类暴行之灾。然而，也有些学者质疑此过度简单的“联结”说，并担忧“联结”说的倡导者与媒体向大众过度渲染缺乏逻辑的道德恐慌。怀疑“联结”说的学者并非否认虐待动物的严重性。反之，学者们认为虐待动物本身即足以构成罪行，不管犯罪者未来有无成为重刑犯皆然。

人类-动物互动学界对虐待动物与人类暴行之间的联结强度有分歧，这点和其他备受争议的人类行为议题不相上下。数年来，心理学者也不断争辩究竟电视的暴力情节是否会诱发暴力犯罪，色情影片是否会增加性犯罪发生率，以及托育中心对儿童的影响。如同上述其他议题一样，人们将继续针对虐待动物背后的因果关系进行争论。毕竟，这确实是相当重要的议题。

如你所见，人类-动物互动学所牵涉的范围相当广泛。我们会研究爱狗人士和爱猫人士的个性差别，毕竟这算是很有趣的话题吧。除此之外，我们也会检验动物辅助疗法的确实成效以及虐待动物与成人攻击行为之间的关联，后者确实深具社会意义。不过，还有另一个有趣的原因吸引我们深思与其他人的互动关系，那就是人类与动物的互动关系直接揭露了人性的本质。如同我在下一章所描述的，人类学家克洛德·列维-施特劳斯（Claude Levi-Strauss）曾有相当精确的评论，“能思及动物皆是好事”（Animals are good to think with）。

02
因为可爱
为什么你喜欢这个讨厌那个？

移情于狗总比移情于跳蚤来得容易。

艾瑞克·格林（Eric Grenen）

北卡罗来纳州格林斯堡市的茱蒂·巴雷特（Judy Barrett）有个疑问。她和先生都是蓝鸟迷。他们花了大笔的钱在后院，希望吸引蓝鸟前来筑巢，甚至还买了防蛇的蓝鸟巢盒与别致的鸟玻璃缸。茱蒂会在冰箱里准备好一窝蚯蚓，以便蓝鸟可以随时享用虫虫大餐。茱蒂家张开双臂欢迎蓝鸟来筑巢，但是现实却不如所愿。当两人没注意时，一对平凡的麻雀夫妻占据了巢盒，并在未来的蓝鸟家中下了五小颗麻雀蛋。

手足无措的茱蒂寄信给《纽约时报》的“道德家”（The Ethicist）专栏作家兰迪·柯恩（Randy Cohen），这个专栏以爱碧信箱（Dear Abby）的风格，针对日常性道德问题快问快答。

茱蒂问，若是因为希望为可爱的蓝鸟保留巢穴而将低等的麻雀蛋毁掉，是否合乎道德呢？

柯恩的回答是否定的。“在道德面前，可爱并不算数。”

以逻辑而言，柯恩是对的。但是虽然可爱在狭义的道德哲学世界里并无重要性，但是对多数人而言相当重要，甚至会影响人们对待此种生物的态度。举例来说，调查显示人们愿意捐献挽救濒危生物的金额多寡关键取决于该生物的眼睛尺寸。这对于濒危的中国大鲵来说无疑是一记丧钟。中国大鲵是全世界最巨大、恐怕也是最丑陋的两栖类生物，它双眼炯炯有神，2米长的身躯被深褐色黏腻的表皮包围着。环保团体绝对不会将中国大鲵的照片刊登在捐款传单上，毕竟它的模样太过难看。相比之下，另一种中国濒危动物则显得令人愉悦许多，那就是眼睛被外围黑色圈圈无限放大的熊猫。它们的外形实在太过惹人怜爱，甚至因此成为世界自然基金会的标志。

全世界共有65 000种哺乳类、鱼类、爬虫类与两栖类动物，但是仅有少数动物受到人类的关注。我们为什么在乎大熊猫而非中国大鲵？我们为什么在乎老鹰而非秃鹰？我们为什么在乎蓝鸟而非麻雀？我们为什么在乎猎豹而非棕榈果蝠（雄性哺乳类动物中唯一会分泌乳汁的）？我们在乎特定动物与否通常取决于它本身的特性——它们是否讨喜，尺寸大小如何，头部形状如何，它们是毛茸茸（不错）的还是黏糊糊（恶心）的，它们是否和人类相似，长太多脚或太少脚都会扣分的，它们是否有令人作呕的习性好比会吃掉排泄物或吸血，它们尝起来的味道也有点关系，不过影响力并没有我们所认为的来得那么大。

人类总是以非逻辑的方式思考与不同动物之间的关系，心头属意缥缈难有定论。我们总以为自己是理性的动物，但认知心理学与行为经济学的研究显示，人类的思考与行为时常背反逻辑。例如曾经有报告指出，当研究者私下询问受访者愿意捐献多少金额预防油塘污染并且保护水鸟栖地时，平均而言，受访者表示愿意花80美元来拯救2000只鸟，花78美元来拯救2万只鸟，以及花88美元拯救20万只鸟。有时候，连动物都能做出比人类更为理智的决策。最近一篇报告指出，在选择新居时，一群蚂蚁往往可以做出比人类购屋族更为理智的选择。

人类心理究竟处于何种状态以至于无法面对动物进行逻辑性思考？其实，所谓的人类思考根本就是结合直觉、学习、语言、文化、本能与心理捷径的一场脑内风暴，也因此我们实在难以逻辑理性地处理与其他物种之间的关系。

亲生物性：我们天生就喜爱动物吗

1984年哈佛生物学家威尔逊（E. O. Wilson）出版的精致小书里认为人类天生就喜爱亲近大自然，他称此为亲生物性，并认为此为人类与生俱来的特质。尽管一开始我对他的说法相当质疑，不过越来越多的证据显示，威尔逊所言甚是。发展心理学家茱蒂·德洛亚（Judy Deloache）与梅根·皮卡德（Megan Picard）发现，即便是人类的小宝宝对影片中的动物所给予的关注也远胜于其他没有生命的物件。加州大学圣芭芭拉分校演化心理学者团队的研究显示，人类的视觉系统能够非常灵敏地在视线范围内察觉动物的存在，此项本能显然大大帮助了人类的祖先于蛮荒中进行狩猎与躲避凶猛野兽。他们称此现象为“动物监测假说”（animate-monitoring hypothesis），并以实验支持此论。比方说研究者发现，相较于移动中的卡车，人类更倾向察觉移动中的大象。

确实，人类似乎天生就对动物特别感兴趣。每次我在课堂讲述动物与人类的关系时，总会准备几张小狗、小猫的投影片，而这些照片总是能很轻易地引起一阵“哇”“噢噢噢”之类的赞叹声。学生们对照片的反应正是让行为学家跳脚的一种人类特质——本能。人类似乎生来就很容易被长得像小娃娃的东西吸引——小猫、小狗和小鸭子等，此等反应被称作“可爱效应”（cute response）。最早提出可爱效应观点的为奥地利动物行为学者康拉德·洛伦茨（Konrad Lorenz）。幼小的动物和小婴儿都有着相似的特点：大大的前额与头盖骨、圆滚滚的眼睛、胖嘟嘟的脸颊以及柔和的线条。洛伦茨称上述特质为“娃娃启动装置”（baby releaser），因为它能自然地激发人类为人父母的本能冲动。

小鹿斑比就是最能解释娃娃启动装置如何操控人类情感的例子。一开始华特·迪士尼（Walt Disney）希望动画师能够越写实逼真越好。他从缅因州寄来了两只幼鹿，并要求动画师们仔细在旁观察解剖师用大刀划开刚出生的幼鹿。虽然动画师抓住了幼鹿的实际模样精髓，不过其外形实在太过贫乏，无法打动观众的心并走入戏院。因此迪士尼要求动画师彻底进行“娃娃化”：动画师缩短口鼻距离，并放大它的头，接着再加上骨碌碌的大黑圆眼睛，并让白眼球显得醒目。此时，它看起来更接近人类的婴儿。

米老鼠是华特·迪士尼成功设计出娃娃化卡通人物的另一绝佳例子。米老鼠最早诞生于1928年，当时它的性格非常调皮捣蛋。在接下来的50年里，迪士尼系统性地改造米老鼠的外形，让它成为更可亲、友善的角色，换句话说，米老鼠越来越像人类的婴儿。此时米老鼠的头部占了全身比例的一半，眼睛与头盖骨也大了一倍。人类钟爱大眼睛的天性，是否影响了我们对待其他物种的态度呢？答案毋庸置疑。研究米老鼠演化史的哈佛生物学家斯蒂芬·古尔德（Stephen Gould）下了很精妙的结论，“简单来讲，人类演化的本能让我们把热爱小婴儿的反应转移到其他动物身上”。

每年于加拿大大西洋沿岸浮冰地带进行的小竖琴海豹（harp seal）猎杀活动总是引起群情激愤，这似乎恰巧说明了人类对可爱动物无可救药的钟爱。小海豹出生前两周的可爱程度绝对无人能抵抗，此时它们毛色纯白，眼神深邃犹如黑夜湖泊。20世纪70和80年代时，初生的小海豹被乱棒活活打死的血淋淋照片被刊印在反海豹猎杀的抗议传单与手册上。1987年，加拿大政府貌似屈从于大众舆论压力，下达禁杀令。然而禁杀对象为甫出生14天内的竖琴海豹，此时正是它们毛色转深，开始变得毫无娃娃貌的转折点。14天后，就是海豹猎季了。加拿大政府并没有禁猎小海豹，他们不过是禁止猎杀“可爱的”小海豹罢了。

然而，人类偶尔也会因为嗜爱婴儿貌的动物而付出代价。由于人类喜爱具有娃娃感的动物，以至于许多犬种被培育成永久保有幼犬的状态。中国哈巴狗（Chinese pugs）与法国斗牛犬的婴儿般短鼻不但使它们患上了呼吸系统疾病，而且过大的眼珠也加重了它们短浅眼窝的负担。人类刻意将幼犬的特征保留在成犬身上的幼态延续（neoteny）的做法，不但让宠物的心态无法成熟，也让它们染上宛若人类精神官能症的疾病。然而此现象对大型药厂而言无疑是一笔巨额生意，他们将百忧解或烦宁等药物重新包装上市，使之成为治疗宠物沮丧、焦虑、强迫症的新解药。

为什么人类讨厌蛇

虽然人类容易对小狗或海豹宝宝心生亲近，但是他们也自然地会对某些生物产生厌恶感，好比说蛇。2001年盖洛普调查访问美国人，有哪些事最让他们毛骨悚然？受访者的十个答案里面有四个都是动物，其中排名最高的为蛇（其他的是蜘蛛、老鼠与狗）。连令人尊敬并且毕生推广尊重所有生命哲理的医疗传教士施韦泽（Albert Schweitzer）也同样枪不离身，随时准备射杀蛇辈。

当我还是个年轻研究者时，我近距离地观察到人类面对蛇时心头混杂的好奇与畏惧的矛盾之情。当时我在佛罗里达州的爬虫主题公园度过整个夏日，以记录短吻鳄的求偶声。当旅游旺季来临时，主题公园会雇用对爬虫类动物有经验的大学生，担任游园导游的工作。当导游逼近尾声时，向导们会换上一双防蛇侵扰的硬底靴子，涉水摇摇晃晃步入满是响尾巨蛇与北美水蛇的坑洼，向导们的脚边满布毒性致命的蛇类。

向导总是会以气球秀作为导游的高潮。他们会先吹起一个气球，再选出最大的钻纹响尾蛇，然后以蛇钩挑衅响尾蛇王，直到它气急卷成圆形并进入战斗模式为止。向导会抓住气球的一端缓缓推移至愤怒的响尾蛇面前并瞬间加速动作，如果一切拿捏得刚好，响尾蛇会以毒牙全力攻击气球——“砰”，气球炸裂，不少观众会吃惊地跳起来并给予向导热烈的掌声，有些人还会激动得掏出小费呢。

在所有的大学生中，有位男生似乎缺乏胆量，不敢向响尾蛇的毒牙猛刺推进。而主题乐园的资深老油条们，向来不太搭理这些大学生，更别提这胆小的男孩。每到早晨正式开园前，我都会加入蛇坑晨训，一起围观这小男生学习气球绝招。他穿着浆挺挺的卡其色制服，自信满满、斗志昂扬地进入训练坑洼，他抢先压制住响尾蛇，一把抓着蛇头，并将毒牙挂在玻璃罐外缘，接着单手按摩响尾蛇毒腺挤压出毒液。这对他来说不成问题。不过，等到进行到最后的气球把戏时，小男生吹着气球的双手就会开始不听使唤地颤抖，待他走近挑选钻纹响尾蛇王时，全身更是明显地缓缓发颤。

此时那些老家伙开始不留情地嘲弄他，有些人开始像母鸡般发出咯咯嬉笑声，有些人则是以鼓舞的方式温柔呼唤：“可以的，小朋友……你做得到。”接着，那大学男生开始准备吹气球，并缓缓推向钻纹蛇王。然而，男孩的迟缓动作对响尾蛇实在起不了什么作用，速度必须够快才能触发响尾蛇的攻势，让响尾蛇张嘴。

男孩小心翼翼地推移气球，慢慢迫近蛇的脸部，直到轻触它的鼻尖。他把响尾蛇一股脑儿地推出攻击范围外，让这条足以让五人丧命的响尾蛇顿时四处张望，活像只小猫在嬉闹般。这绝对不是嗜血如豺狼虎豹的观光客想看的表演啊。

那男孩瞬间感到莫名羞辱，低着头黯然离开训练蛇坑，而其他老家伙可一点同情心也没有，在一旁喜悦地讪笑。当导览训练进入第七日时，小男孩没有出现了，后来也再没回来过。这件事让我想到《圣经》的告言：“你们的心灵虽然喜愿，但肉体却软弱了。”在爬虫公园的晨间训练里，原始的肉体恐惧完胜一切。

客观而论，美国人对蛇的恐惧之情毫不合理。全美国每年约仅有12例蛇咬致死的案件，而且多数受害者都为睾固酮过度分泌而脑容量不足的男性。医疗急救年鉴记载了一则相当贴切的案例。一名41岁的男子因为舌头遭响尾蛇咬伤而出现在急诊室，而报告内容足以让我们窥见事情发生经过的荒谬：“友人抓了一只响尾蛇逼近患者脸部，当时患者正在模仿爬虫类的吐芯动作，那只响尾蛇飞快地咬了患者舌头背侧一口，当毒牙仍逗留在患者舌头上时，友人把响尾蛇猛力扯离患者嘴部。”呜啊！那男人的舌头肿得和橘子一样大，几乎要让他窒息而死。

为什么有那么多美国人怕蛇呢？毕竟，被狗杀死的概率都远高于被蛇咬伤致死。恐蛇现象是否源于青铜器时代神话中所描绘的毒蛇、裸女和苹果？或者人类惧怕其无腿蠕动的外星样貌以及近似阳具的外形？还是对蛇类的莫名恐惧曾经引领人类祖先远离此一极具毒性的致命生物？

200年来，科学家仍旧无法实证自然与后天演化对人类恐蛇心态的转变有何显著的相对影响。西北大学（Northwestern University）心理学家苏珊·米内卡（Susan Mineka）认为，猴子对蛇类的惧怕是经由学习而得。她发现，在恒河流域捕捉到的野生猴子懂得惧怕蛇类，而人工豢养的实验猴则对蛇类相当无感。然而，当实验猴目睹野生猴面对蛇类的惊惶态度后，往往立刻患上恐蛇症。

然而其他的研究者却相信灵长类动物天生就惧怕蛇类。田纳西大学的戈登·布尔加特（Gordon Burghardt）与他的同事在京都大学灵长类研究中心测试人工饲养的日本猴如何面对必须在蛇笼前取食的情况。即便这些日本猴生平从来没见过蛇类，但是它们还是表现出对蛇的恐惧。加州大学戴维斯分校的琳恩·伊斯贝尔（Lynne Isbell）在她的著作《水果、树和蛇：为什么我们看得如此清晰》（The Fruit, the Tree, and the Serpent: Why We See So Well ）中，推测并试图证明灵长类动物的大脑在演化过程中逐渐发展出可以视觉侦测蛇类的安全模式。弗吉尼亚大学（University of Virginia）心理学家凡纳西·洛邦（Vanessay LoBue）与茱蒂·迪洛奇（Judy DeLoache，一名恐蛇患者）尝试验证人脑内确实装了实用的蛇类侦测器。她们请从未看过蛇的孩童从一堆照片中选出蛇的照片。实验结果与研究者推测的相仿，小朋友从动物图片中认出蛇的速度，远较挑选花朵或蜈蚣的速度要快。

以结果而论，天性为蛇类恐惧症的主要原因，但这绝非事实的全貌。约有半数的美国人表示自己不怕蛇，其中还有40万人视蛇为宠物。此外，文化也会影响人们对待蛇类的态度。我的好友比尔在坦桑尼亚当了五年的狩猎监督员，在他居住的村庄里，人们并不会刻意区分毒蛇与非毒蛇。当有人看见蛇时，会高喊“尼永卡”（Nyoka），接着所有人都会跑来用乱棒将蛇处死。但是在新几内亚情况则相反，根据生物学家贾雷德·戴蒙德（Jared Diamond）的记录，尽管在新几内亚约有三分之一的蛇类皆具毒性，但是该地的人们却视蛇辈为无害之生物。和坦桑尼亚不同的是，此地居民善于区辨毒蛇，并且会烹煮不具毒性的蛇类为餐。

基因和环境同时影响了我们对待不同动物的态度，此观点正好和生物学家威尔逊所提出的“亲生物性”（biophilia）新说法不谋而合。起初威尔逊认为亲生物性为人类与生俱来的本能，并以拥抱美好与光明的事物为愉悦之源。数年之后，他修正了最初的看法，将我们与自然环境之关系视为更为复杂的体验之综合成果。“亲生物性，”他写道，“并非单一本能，而是复杂的学习成果，唯有一一检验与分析，才能窥其所以。”而检验人类与自然关系的学习潜规则，则属于人类-动物互动学的范畴。

如何命名？语言制造的道德距离

我们对待动物的方式自然也受到该种动物的命名或是我们用以形容它们的字眼的影响。动物词汇早已渗入人类语言。有些词汇令人愉悦，比如，像“蜜蜂般忙碌”，像“狐狸般妩媚的女人”；有些则带有诋损意味，例如“你这个婊子”（bitch，原称母狗）；有些则隐含性别权力，比如公鸡（cock）和小猫（pussy）两者分别代称两性生殖器官。将他人形容为动物，也凸显了人类身处大自然中的矛盾：在某些语境中，此种称呼为恭维，而在其他语境中，也可能成为污辱他者的伎俩。心理语言学家不时争论，究竟语言是在为人类反映现实，还是在为人类诠释现实。我的看法趋近后者。就以我们平常吃的动物之名称作为例子吧。生长在南极深海海域的巴塔哥尼亚齿鱼（Patagonian toothfish）是种有着怪异长相的鱼，拥有尖针般的利齿与黄澄澄的眼珠，一直以来都未受到消费者的青睐，直到洛杉矶进口商将其重新取名为“智利圆鳕”（Chilean sea bass）后，才让它听起来较宜食用。

我们用以指称食物的名词，多少帮助我们规避了道德上的疑虑。和肉贩要求买一斤牛肉（beef）显然比买一斤牛（cow）来得容易许多。然而当我们指称较为低等的动物时，我们也不再那么需要用语义学上的修饰来掩饰内心的惶恐：人类无须使用语言学上的变异来代称鸡、鸭或鱼。然而，在世界上的其他地方，人们全然避免了肉类的委婉说法。对德国人而言，猪肉、牛肉与小牛肉各自称为Schweinefleisch（猪的肉）、Rindfleisch（牛的肉）和Kalbfleisch（小牛的肉）；在中国，“牛肉”（beef）是牛（cow）与肉（meat）的合称，“猪肉”（pork）是猪（pig）和肉（meat）的合称，而羊肉（mutton）则是羊（sheep）和肉（meat）的合称。

动物权议题的正反两派人马的激战更可见得语言背后所赋予的重量。针对猎捕海豹活动，负责监管的加拿大政府使用较为中立的字眼：“收获”（harvest）、“采集”（cull）与“管理计划”（management plan），而反对海豹猎捕的行动者则使用“猎杀”（slaughter）、“屠杀”（massacre）与“暴行”（atrocity）等辛辣字眼。野生动物监督者所说的“死亡动物的泅泳反射”（swimming reflex of dead animals），或许和行动者所说的“海豹被活生生地剥皮”（being skinned alive）是同一件事。

动物权利团体“善待动物组织”（People for the Ethical Treatment of Animals）让上百万的美国人注意到养殖工厂、狩猎、动物实验、动物园和马戏团等动物虐待议题，但是却无法让大众重视因人类贪得无厌的食欲而遭殃的寿司用黑鲔鱼，或因错将十四号干燥假虫饵当作活蚯蚓而受伤的棕鳟。我的好友凯西说自己无法吃有脸的动物，但对她来说，鱼是可以接受的盘中餐。近来，善待动物组织开始通过重新命名的手法，让人们注意到没有毛茸茸外形的有鳍动物，他们最新的反钓活动口号为：“拯救海底小猫！”

琼·迪亚尔（Joan Dunayer）应该相当认同上述行动者的做法。她在著作《动物平等：语言和解放》（Animal Equality: Language and Liberation ）一书中指出，某些字词确实让我们更轻而易举地行使剥削其他动物的举动。她建议我们应该展开语言学改革，以“水牢”取代“水族箱”，称动物园的动物为“囚犯”，而“牛仔”则应该改为“虐牛者”。迪亚尔希望我们可以称自己的宠物为“我的狗朋友”和“我的猫朋友”。本人确实很乐意称堤莉为我的猫朋友，但我不确定我的牙医是否愿意在更换休息室的水族箱时说：“现在我得帮我的鱼朋友清理水牢啰！”

宠物或实验动物？端视“分类”而定

其实动物所属分类也会影响我们谈论动物时使用的言词。好比被归在“宠物”里的动物拥有个别名字，而在“实验对象”里的动物则通常不会被取名。不久前我问了一位生物学家，是否会帮实验室里的老鼠取名字，他看着我的表情好像是我疯了一样。这不意外。毕竟他拿针戳刺、探测、注射液体的白老鼠们，基本上根本没有任何个体上的差异，那么，又何须命名呢？

不过，动物分类的界限也很模糊。从前我还是研究生时，我们确实会帮部分的实验动物取名字，它们的处境其实和无期徒刑犯差不多。有时，它们会更像是宠物，而非实验对象。史奈福是一条脾气极差的袜带蛇，它曾在一次实验中被剪断芯子，也难怪心情好不起来。最受研究室学生喜爱的动物则是一条五尺长（约1.5米）的黑锦蛇，它的名字为IM（发音为em），它在幼蛇时期就进入了实验室。IM非比寻常，它有两个头与一个雄性生殖器官（大部分的蛇拥有一个头、两个生殖器）。我们将它的一个头取名为“本能”，另一个头则是“心智”，读者应该会欣赏我们的巧思吧。

不过当实验室动物转而成为宠物时，必然有人得付出代价。一名于研究室工作的兽医告诉我，有一次她情不自禁地爱上一只米格鲁幼犬，该犬实为死亡实验的一部分。当时她偷偷摸摸地把实验室技师拉到一旁，央求他调换实验动物，让另一只小狗代为受死。她深知米格鲁之所以能逃出生天是因为权威者（她）的悲悯，一直到数年后，她仍然为自己任意地将另一只幼犬判死而心怀罪恶。

人类从很年幼时就开始将动物进行分类。耶鲁大学研究者向孩童们同时展示较陌生的动物如赛加羚羊，以及较不熟悉的工具之照片，如卢斯口（luzaks，一种画圆的工具）或嘎福隆（garfloms，一种压平毛巾的机械），并记录下孩童们所提问的问题。孩童们问的问题反映了人类潜在机制倾向将生物与非生物分成两类。当孩童们看见穿山甲照片时，会问“它吃什么”；而当看见嘎福隆的照片时，则会问“这是用来做什么的”“这要怎么用呢”等等与动物不相关的问题。

另外还有证据证实人类的头脑确实以不同的思考模式面对动物与无生命之物件。卡罗德·凯苏克·尹（Carol Kaesuk Yoon）在著作《自然界命名：本能与科学的冲突》（Naming Nature:The Clash Between Instinct and Science ）中，介绍了数个脑部损伤但并无大碍的患者，患者们唯一的缺陷为无法辨识并说出动物的名字。一位罹患脑炎进而导致脑部创伤的患者，能够毫不困难地辨识出无生命物件，如手电筒、皮包与独木舟，但如果研究员拿鹦鹉或小狗的照片给他看，他会目瞪口呆。此外，研究者发现，当受测者看见动物照片时，大脑会有异于观看人类脸部或无生命物件的特定反应，而当先天性盲人听见动物名时，同样部位的脑部区域也会有所反应。上述研究结果暗示了人类的大脑早已逐渐发展出处理动物相关资讯的专属区域。

虫是宠物，狗是害虫？文化与社会生物学之权衡

社会学教授阿诺德·阿鲁克发现动物学者使用的动物分类法和社会大众文化与心理学角度所进行的分类方式大不相同。尽管生物进化级数根基于单一有机体之演化历史，但是阿鲁克认为人类在日常生活里改以社会生物学级数看待动物，并依循动物在我们生活中所扮演的角色，武断地为动物进行分类。因此，尽管狗与鬣狗在进化级数中同属食肉目动物，但依照社会生物学的标准，它们根本就活在完全不同的世界里。

文化同样也影响了我们建构社会生物学级数的方式。以昆虫来说，美国人通常对无脊椎动物抱有复杂的情感：恐惧、反感与厌恶。在日本，人们则对蠕动的爬行动物又爱又恨。通常美国小孩不会在生日时收到锹形虫作为大礼，但在日本则会。日本语言中有个词叫“mushi”，这对西方人来说或许是难以完全理解的字眼。对老一辈的日本人来说，该词可用来指称昆虫、蜘蛛、蝾螈甚至蛇类。对日本人来说，蝌蚪是“mushi”，但青蛙不是。不过对年轻的日本人来说，“mushi”则只能用来称呼昆虫，特别是蟋蟀、萤火虫、蜻蜓与天牛。

“mushi”完完全全属于男孩文化。男孩子们会抓“mushi”，把它饲养在精美的盒子里，甚至举办斗“mushi”比赛。东京的百货公司里会卖捕捉“mushi”的工具、育种材料、饲养箱、床垫，当然也卖要价上百美元的“mushi”。热门的“mushi”活动包括擂台赛，看哪只“mushi”可以拉动最重的东西，或者激怒甲虫，让它们与西瓜争斗，宛若昆虫界的相扑大赛。你可以在YouTube上观看此类比赛。日文里，“petto”指狗和猫，那么独角仙是petto还是玩具呢？人类学家艾瑞克·劳伦特（Erick Laurent）以“mushi”为研究主题，并且认为这些昆虫应当被视为宠物。孩子们不但和“mushi”一起玩乐，还从中得到不少乐趣，而且许多日本小孩称自己的甲虫为“petto”。这显示了某一文化的害虫，说不定可以成为另一文化的名宠呢。

人类-动物互动学者詹姆斯·史尔贝尔以非常简明易懂的方法说明为什么不同文化环境中的人们会对动物有不同的看法。他相信，人类对待动物的态度基本上可归结为两个层面。第一层面牵涉到我们对此动物的“感觉”（如喜爱感），正面感受包括爱、同理心，负面感受则有恐惧与厌恶。第二层面则牵涉到“实用”，此动物对人类是否有其他用处（如食用、运输），又或者此动物会为人类带来损失（举例来说，此动物会吃人或是吃掉花园里的番茄）。

请想象一个具有十字交叉的垂直坐标。垂直轴代表情感面，上方为“爱和情感”，下方则是“厌恶和恐惧”；与其交叉的平行轴则代表实用性，右方是实用，左方则代表毫无用处甚至有害。此垂直坐标可以帮助我们分析日常生活中动物所扮演的角色，以及所对应的分类组别：让人喜爱并且有用的（右上方），让人喜爱而无用的（左上方），让人厌恶而有用的（右下方），让人厌恶而无用的（左下方）。

其实连人类最好的朋友狗狗，也会因为社会文化背景的不同，而被分到不同象限范围。很显然，导盲犬与动物治疗师会被归类在“令人喜爱与实用”的象限。相反，普通美国家庭所饲养的宠物狗，虽然深受喜爱重视，但以传统观点来看应没有太多的实用性质。在沙特阿拉伯，人们通常对狗抱有鄙视的态度，因此狗狗会被归类在“令人讨厌而无用”的象限。不过，最有趣的分类，应当是在某些文化背景之下，狗虽然令人讨厌但又具备实用性质，举例来说，伊图里森林（Ituri Forest）的班姆布提（Bambuti）人总是痛骂、殴打狗，并只允许它们吃恶劣的剩食渣沫。然而，这些狗同时又被视为个人重要资产，毕竟班姆布提人仰赖狗进行狩猎工作。

史尔贝尔模型也让我们足以观察人类对待特定动物的态度是否经历不同时期的转变。柯林·杰洛马克（Colin Jerolmack）在文章《鸽子如何变成老鼠》（How Pigeons Became Rats ）中详述在过去150年来，《纽约时报》中出现的鸽子是如何转变形象的。他发现，对《纽约时报》来说，鸽子从一开始“令人喜爱但无用”的分类象限转变进入“令人厌恶而无用”的分类里。而我的妹夫对野鹿的态度似乎也经历了上述类型的改变。当他刚搬到皮吉特湾（Puget Sound）的新家时，非常欢迎野鹿在他的后院漫步，在他心中这些野鹿简直就是斑比的化身。但是当饥饿的野鹿开始践踏蹂躏蔬果花园时，他的态度瞬间改变。现在，他对野鹿真的没一句好话，如今野鹿的地位和老鼠、鹅（它们会在草坪上大便）无异，都被归类为“令人厌恶而无用”的动物。

在动物道德之前，感性胜过了理性

我们对动物的看法实则反映了人类心理学的永恒论战——逻辑与理性之间的冲突。

1977年7月3日下午，4米长的恒河鳄鱼“饼干”在太阳底下肚皮贴着地面静享周末。“饼干”住在迈阿密爬虫类主题乐园的蛇类展馆，它的邻居则有百岁乌龟、可吞食数只山羊的巨型蟒蛇以及各式各样珍稀的鬣蜥与毒蛇。当天的游客之中有位6岁男孩大卫·马克·沃森（David Mark Wasson）以及他的父亲。两人为了观看鳄鱼，缓缓移动到展示区域，只见“饼干”百无聊赖地趴在池塘旁边。沃森先生突发奇想，他想让儿子知道鳄鱼确实能快速移动，因此把大卫抱到水泥墙上，接着回头想找几枚野莓丢给鳄鱼。你应该可以猜到接下来发生了什么事情吧。

当沃森先生别过头去时，大卫突然跌落至围墙内侧，那边正巧是馆员平常喂食“饼干”的地方。大型鳄鱼能以迅如闪电的方式移动，“饼干”只花了百万分之一秒就抓走了小男孩。当馆长比尔·哈斯特（Bill Haast）听见人群发出惨叫声时，迅速赶至鳄鱼区，利落地翻进围墙，用双拳狂揍“饼干”的头。这真是悲剧性的一刻，比尔无法搏倒超过800公斤的大型爬虫类生物，“饼干”紧咬着大卫回到它的池塘。数小时之后，大卫的尸体才浮出水面。

哈斯特感到万念俱灰。当天晚上，他再次爬进鳄鱼区，以鲁格尔手枪向“饼干”开了九枪，“饼干”约于一小时后过世。

当我读到大卫和“饼干”的死时，我觉得处决“饼干”一点逻辑也没有。这只近一吨重的动物，脑容不过拇指般大。我想鳄鱼绝非哲学家口中的“道德主体”。当哈斯特射杀“饼干”后，他的太太仅说了“鳄鱼所做的不过是本能反应吧”。她说得没错啊。

不过，在我内心深处依旧懂得报复的必要性，这似乎反映了人类较为原始的天性。我想《纽约时报》的专栏作者也同意，因此将鳄鱼的死亡形容为“情感上令人满足但是却十足荒谬”的举动。将“饼干”枪决是对的吗？在这种情况下，我们应该依循逻辑思考驳斥对鳄鱼因本能而造成的悲剧而加以处罚的做法呢，还是应该替无辜的孩子寻求私刑正义？

长久以来人们不断讨论究竟人类的道德感源于情感还是理智思辨。18世纪哲学家大卫·休谟认为道德感源于情感，而康德则认为道德源自理智。在我开始对人类-动物关系心理学产生兴趣时，我决定找出当人们思考与其他动物相关的道德议题时，脑中究竟在想什么。当时，道德心理学领域为哈佛大学心理学家劳伦斯·柯尔伯格（Lawrence Kohlberg）所主导，如同康德一样，柯尔伯格也认为所有的道德决策多半来自缜密的思考：我们衡量行动的利弊得失后，再做出符合逻辑的决定。柯尔伯格主要研究孩童道德思考的发展。他会告诉小孩子们一个让人进退两难的故事，再请小朋友们做决定，并解释背后思考的原因。柯尔伯格最经典的故事主角为汉斯，贫穷的他为了拯救罹癌妻子而偷了贪婪老板的昂贵药丸。在判断汉斯是否有权利偷药时，柯尔伯格的小朋友们发挥了逻辑学家的精神，他们衡量了汉斯被逮捕的可能，以及妻子康复可能带来的幸福感。

我和我的学生雪莱·高尔文（Shelley Galvin）以此实验方法研究人们如何看待实验室的受测动物。我们的研究方法非常简单。受访者可以自行分析一系列的动物实验情境，接着我们再询问受访者是否赞成或反对特定实验，以及决策背后的原因：在一个实验里，研究者为求阿尔茨海默病的疗法，必须从猴子胚胎中取出干细胞再移置于成年猴之脑内；另一实验者为研究基因与经验在复杂行动模式发展中所扮演的角色，请求将刚出生的老鼠截去前肢。两个实验都根据真实实验。

大约有一半的受访者接受了猴子实验，而仅有四分之一的受访者支持老鼠截肢研究。以猴脑实验而论，孩童们倾向于理性思考，并仔细衡量牺牲动物权所消耗的成本与带来的效益。但是面对老鼠截肢议题时，孩童们则采取了另一种态度。孩童们面对截肢实验，写下诸如：“我反对此实验”“请想想被截肢小老鼠的脸”，甚至是“太过分了”。我们的受访者以情绪回应幼鼠截肢实验而非理智。

根据主要的心理学道德发展理论判断，我们估计受访者会以逻辑作为思考原则。然而，我们却发现孩子们任凭情绪断夺。这结果显然和当代道德心理学领导者乔恩·海德特（Jon Haidt）所言不谋而合，海德特认为在道德议题上，情感往往胜过理智。同多数心理学者一样，海德特认为人类认知牵涉两种过程。首先是本能式的、快速的、潜意识的、不费力而情绪化的，接着则是深思熟虑的、有意识的、逻辑式的并且十足缓慢的。通常，唯有在我们直觉式的判断后，才能拨开认知迷雾，重新审视原先以情绪做主导的判断是否得宜。

海德特认为，人类多半以上述两种系统进行道德判断，然而非逻辑的直觉系统通常占有主导地位。海德特的理论似乎十足呼应了我所访问的一位特殊教育者与动物权分子露西。当我询问对她而言，逻辑与情感在动物行动主义的实践上，扮演何等角色时，露西说道：“这通常都和情感有关，但在很多时候，我必须为自己的情感反应找到理性佐证，这样才能捍卫自己的立场，进而影响他人。”

道德、动物以及恶心因素

我们和露西一样，都会为自己的道德判断进行辩护。但是有时逻辑确实一点用处也没有。海德特要求人们思考一些令人极端反感但却无害的状况。如一个女人用国旗擦马桶；一对兄妹在前往欧洲旅行时决定发生一次性行为，并为此使用两种避孕方式。海德特所研究的情境还牵涉到动物，有个家庭的狗在门前出车祸死亡，家人们因为听闻过狗肉美味，便将死去的狗下锅烹煮成了晚餐。

读者们认为呢？你觉得把家中狗狗丢上烤肉架是可以接受的吗？

当人们被问及那个家庭是否可以吃掉他们的宠物时，多数人都会立刻斩钉截铁地否定：“不行！你当然不可以吃自己的狗！”但是当你要求对方以理智思考，并说明食用已死去并且无痛觉反应的动物尸体又有何错时，几乎所有的受访者都无法提出具备逻辑根据的说明。海德特称此判断为“令人哭笑不得的道德难题”。真正的原因是恶心，因为此举实在太过恶心。

宾夕法尼亚大学心理学家保罗·罗津（Paul Rozin）认为恶心也是一种道德情绪。普遍来讲，人类都认为与手足发生性关系非常恶心。而身体的产出物如粪便、尿液、月经对人们而言也极其恶心，这种厌恶情绪可说是不分种族文化。社会阶级也会影响人们的道德判断，约有80％的贫穷费城市民认为人们不该吃掉家中死去的狗，而仅10％的费城上流阶级人士有此同感。海德特认为，由于上流阶级个人多以行动是否会带来伤害作为道德判断的主要基准，而非其令人反感的特质，因此，死去的狗实难能造成任何伤害。当然，人类如何思考和他们是否会付诸行动有差距。我怀疑是否有富有的费城人吃过加了洋葱、起司酱和剁碎的米格鲁绞肉的费城起司三明治！

救人远比救动物重要

为了解人类道德思考的异常途径，研究者通常会观察人们如何应对假想处境。最频繁使用的假设情境为“电车问题”。以下为最早的电车问题版本，你会采取什么行动呢？

情况一

电车刹车失灵并沿轨道冲向五个人。你可以拉下转辙器，将电车导引至另一轨道，如此可以拯救五个人的生命，但要牺牲站在另一轨道上的一个人。让电车改道，牺牲一人生命换取五人活命，道德上是可允许的吗？

情况二

故障电车冲向五个人，此时你正巧经过轨道上方的天桥。你的右方是一名魁梧的男人。若将此男人推向轨道，可以因此拯救五个人的性命。此举于道德上是可允许的吗？

如果你和大多数的人一样的话，那么你应该在上述两种情况中做了不同的选择。约有90％的人认为情况一为道德许可的举措，你应该拉下转辙器转换轨道，这样仅有一人会死亡，而非五人。但是仅有10％的人认为在情况二之中，将男人推落轨道是正确的行为。

为什么多数人在两种情况下做了不同的选择呢？明明两种情况的结果相同：有一人会死亡，而另外五人则得以保命。我拿这个问题问全世界最富道德感的人，也就是本人的太太玛莉·珍，果然，她的答案和大多数人一样。当我问她背后的逻辑时，她认为自己全凭直觉回答，毕竟拉动转辙器和把人推落天桥是完全不同的感觉。为什么呢？神经科学家约书亚·格林（Joshua Greene）通过大脑造影技术发现，大脑的情绪处理中心针对较个人化的情境（推男人坠落天桥）会有所反应，而针对较不个人化的情境（拉动转辙器）时则无反应。

加州大学河滨分校（University of California Riverside）心理学家路易斯·佩特里诺维奇（Lewis Petrinovich）使用“电车问题”观察当人类利益与其他物种有所冲突时，人类如何进行道德决策。以下为他所设计的“电车问题”。

情况三

故障的电车冲向全世界仅存的五只大猩猩，你可以选择拉动转辙器使电车转向一位25岁的男子，你应该这么做吗？

情况四

故障的电车冲向你不认识的男子，你可以拉下开关让电车转向你的宠物狗开去。你应该这么做吗？

在上面两个状况里，玛莉·珍都选择先救人而非动物，即便牺牲我们刚养的拉布拉多犬泰莉（Tsali）也在所不惜。我个人也会这么选择，我想你也会这么做吧。佩特里诺维奇发现在两种状况里几乎所有人都选择舍动物而救人。这对其他文化里的人也是如此。事实上，他使用了不同组合的电车情境测验道德原则，并发现其中最高的法则即是“救人类优先”。

哈佛大学认知发展实验室主任马克·豪泽（Mark Hauser）也运用假设情境研究人类道德思维（你可以在网络上进行道德观测验，请至以下网址参与他的研究http://moral.wjh.harvard.edu）。他在人与动物的电车难题中加了一点有趣的障碍。

情况五

再一次，你走上天桥，看见电车在轨道上飞驰，冲向五只黑猩猩。你身边正好是一只壮硕的黑猩猩（请记住，这是假设性问题）。你唯一能拯救那五只黑猩猩的方法就是将这只黑猩猩从天桥上推下去。你应该这么做吗？

在此情境中，多数人都认为该牺牲那只黑猩猩以拯救其他五只黑猩猩。但是，还记得在情况二时，许多人都认为即便为了救那五个人，也不应该将男人推下铁轨吗？就理性而言，面对情况五我们应该做出和情况二相同的选择，但是我们没有。当道德情境与动物有关时，我们的直觉反应显然不同。

不过并非所有人都同意我们与生俱来就具备“人类利益远优于其他物种”的道德公式。康奈尔大学的动物学家亨利·格林跟我说，他曾经在兽医院急救室付了4 000美元的账单，为抢救他钟爱的拉布拉多犬莱利，他形容那是“一生只会拥有一次”的狗。亨利掏出信用卡，拿给兽医说，“赶快救狗吧”。他将钱花在莱利身上，而不是拯救苏丹饥饿的孩童，对此，他毫无懊悔之意。

当然，亨利绝对不是唯一一个愿意为伙伴狗掏腰包的人。全美国每年花在宠物身上的金钱足以支持30.5万名贫困的高中生进入大学；或者我们也可以换一个计算方式，这笔金钱足以支付8万名警员的月薪。这是怎么一回事？大卫·贝雷比（David Berreby）曾在其发人深省的著作《我们与他者：认同的科学》（Us and Them: The Science of Identity ）中提到，人类天生具有将社交圈划分为“我们”与“他者”的趋性。在人类历史中，非人类之动物多半被视作“他者”，并因此受到不同的对待。然而，时代已大不相同。由于美国乡村人口大幅移入都市，目前仅有不到2％的美国人住在农场，人们失去与大自然和动物的联结。不过讽刺的是，哥伦比亚大学历史学学者理查德·布列特（Richard Bulliet）指出，当我们距离制造食物、织品纤维、皮毛的动物越远时，我们与宠物之间的关系就越紧密。此外，当我们消耗越多的动物肉品时，屠宰动物所带来的罪恶感、羞耻与恶心也随之增高。简而言之，这就是我们将动物从“他者”转化为“我们”的道德成本。

认知捷径与动物伦理

即便我们努力想理智思考，也总是事与愿违。

请试着快速回答以下问题：

问题一：球棒与棒球共值1.1元。球棒比棒球贵了1元，那么球值多少钱？

问题二：你被鲨鱼咬死或被飞机上掉下来的零件砸死，哪个可能性较高？

如果读者跟我一样的话，第一个答案是0.1元，第二个答案则是鲨鱼。不过正确答案是0.05元以及被飞机零件砸死。你会答错是因为当我们进行快速决策时，往往依赖心理学者称为“启发式决策”的经验原则。启发式决策极具效率并往往能针对问题提出正确的解决方案。每个周日早上，我都运用启发式决策玩《纽约时报》的猜字游戏，而急诊室的医师们也运用此经验原则判断急诊病患为心脏病发或消化不良。不过，此类心理捷径往往会让我们产生偏见并偏离正确的抉择。

我们也往往依赖经验法则进行道德判断。有许多道德启发式决策与演化过程相关，比如乱伦和背叛朋友。法律学者卡斯·森斯坦（Cass Sunstein）认为冲动的复仇行为往往是“惩罚性启发式决策”机制使然。这似乎也说明了我非理智的思考：动物园园长射杀鳄鱼“饼干”为正当的行为。

启发式决策中最重要的关键因素为：框架（framing）。事实上我们思考问题的方式往往取决于问题如何被架构呈现。心理框架往往受文化规范以及惯性而草率的认知习惯所影响，也引导我们思考如何看待问题。当我们把问题架构好以后等同于排除其他可能的解释或解决办法。我们可以运用框架理论解释人类史上最矛盾的人类-动物互动关系，也就是纳粹的动物保护运动。

为什么纳粹爱动物而恨犹太人

在战前的德国发生了异常的道德变化，当时许多极富理智的人关心柏林餐馆里的龙虾远胜过大屠杀事件。1933年，德国政府颁布了全世界最完善的动物保护法，此部动保法涵盖广泛，包括禁止对动物施以任何不必要的伤害，不得在电影拍摄期间对动物进行不人道处置以及禁止使用猎犬。该法亦禁止在不使用麻醉药的情况下剪断狗的尾巴和耳朵、禁止强迫喂食家禽以及以不人道的方式屠宰农场动物。1933年11月24日，阿道夫·希特勒签署此项法律，揭开了纳粹动保运动的序曲。举例来说，1936年，德国政府规定必须先将鱼类麻醉才能进行宰杀，而在餐馆内处理活龙虾也必须以最快的速度进行。

1933年赫尔曼·戈林于广播中宣告动物实验之规范时表示：“对德国人而言，动物不仅仅是生物学中的名词，而是有着自己的生活并拥有知觉能力的伙伴，它们能感受痛苦与欢乐，不但具有忠诚度，也富有情感厚度。”戈林更进一步以威胁口吻说道：“若任何人继续将动物视作自身财产，我将会把他送进集中营。”

希特勒反对为科学实验而牺牲动物，更视狩猎与赛马为“封建社会的残余”。他不但吃素还认为肉类相当恶心。不用想也知道，没有任何的现代动保行动者会将希特勒视为伙伴，他们基本上否认希特勒为素食主义者，更遑论是一个爱护动物的人。不过人类-动物互动学家波利亚·萨克斯（Boria Sax）通过严谨的史料研究指出，许多纳粹领导者包括希特勒在内，确实相当关心动物的生存议题（当然，即便希特勒热爱动物，也无法否定动物确实需要受到保护的事实）。

纳粹运用框架原则建构了一套荒诞的道德基准，将雅利安人归为最高等级的人种，而犹太人则被视为次人类，其地位远比多数动物还低。纳粹将德国牧羊犬与狼归类为较高的道德阶级，而犹太人则与老鼠、寄生虫、被榻里的臭虫为同属阶层。1942年，犹太人被明令不准饲养宠物。人类史上最大的讽刺之一就是当纳粹施行人道屠宰法规时，同时还对数千只犹太人的宠物施以安乐死。不过，相较于犹太人饲养的狗或猫，犹太人的死则毫无人道可言。当犹太人被送进集中营时，第三帝国的动物福利法案与之毫无关联。对纳粹而言，犹太人为处于动物与人类之间的模糊存在，他们为受污染的阶级与怪物，不能视之为人类，亦不能归属于动物圈。

对我而言，纳粹的动物保护主义显现了人类道德思考的复杂性。我在此书中谈论过，数千年来人类高于动物的想法被流传了下来。而希特勒所建造的社会文化赋予狗较高的道德地位，次之则为犹太人、吉卜赛人与同性恋者，这表示在一定的社会压力之下，人类也可以抛却不可动摇的传统思想。不过真正的问题则在于，违背人类天性的社会力量不见得代表较为进步的思维。

拟人论：子非鱼焉知鱼之乐

纳粹动物保护主义说明了人类思考自身与动物的道德地位时，呈现了荒诞而扭曲的状态。不过，关于动物的疯狂想法如同星火燎原，随处可见。几年前，我在南塔哈河泛舟，此处为北卡罗来纳州西部著名的激流景点。每到夏日，南塔哈河尽是奋力举桨的白浪搏斗客，惊险地避开岩石与复杂水流。此河优美、寒冷，全年保持7℃的低温，没有人会想要掉到水里的。

当我划到半途时，突然一阵雪茄浓烟随风而来，我定睛看见一名约莫50岁的肥胖男子正在几十米前的皮筏上吞云吐雾，他带着太太以及一只小巧的吉娃娃狗勇渡激流。那狗看起来惨不忍睹，全身发着冷战，面露忧惧神色。不久后，他们的皮筏轰然翻覆。

那胖男子真是个人才。当皮筏翻落时，他还不忘紧噘着双唇保护雪茄。那只吉娃娃也值得大大表扬一番。它很机灵地一跃跳上附近最巨大的漂浮物，也就是那位抽着雪茄的胖男子身上。他们这奇怪的组合就这么往下游漂漂荡荡而去：一名嘴里叼着濡湿雪茄的肥胖男子，一只站在他头顶上失温而绝望的吉娃娃以及男子的太太。当时我不免思忖，为什么有人会认为吉娃娃喜欢第三寒冷级度的白浪。答案是拟人论。人类天生就是拟人论者，这是我们与生俱来的本能。心理学者发现人类甚至会为出现在电影中的动态几何图形赋予内在动机：“你看，现在红色三角对蓝色方块发火了，快跑啊，女孩！”

1999年索尼发售的一系列互动机器狗AIBO显现了人类如何将情感与欲望投射到其他种类生物的身上。AIBO为复合式人工智能机器人。我个人认为有着闪亮金属外皮的AIBO比较像是来自其他星球的友善外星人，而非狗狗，不过AIBO不但会模仿狗的走路方式，也会撒娇、玩游戏，并对声音做出相应的反应。AIBO甚至会让主人知道它的心情是喜悦还是烦躁。每只要价2 000美元的AIBO绝对不便宜，不过目前索尼已经成功销售了15万只机器狗。

华盛顿大学与普渡大学研究者观察过成人与小孩面对AIBO与真实狗的不同反应。研究结果显示，尽管AIBO的表现并不讨喜，但是许多宠物主人和机器狗依然产生了深厚的情感联结。一个机器狗的主人在网络论坛承认要在AIBO面前换衣服让他感到有点不自在。另外一位机器狗主人则写道：“我爱史派斯，而且我每天都会对它这么说……在购买初期，我惊讶的是科技的新奇，但之后我把AIBO视作宠物，我确实把它当作生活的伙伴……也把它当作是家庭的一分子。它不是玩具。对我而言，它更像是人类。”

AIBO同时还能减轻人类的寂寞情绪。圣路易斯大学医学院（Saint Louis University School of Medicine）以每周一次持续两个月的频率带AIBO与另一只真实的狗史派基到疗养院等处，想了解与机器狗互动是否能让老人的情绪更为喜悦。研究者发现，只要老人能与机器狗或真实的狗互动，其心情就会比没有任何互动的老人更喜悦。事实上，不管是AIBO还是史派基都能有效降低疗养院居民的寂寞感。而老人们也对AIBO展现了如同对史派基一样的情感依赖。（可惜的是，由于销售不如预期，索尼于2006年宣告终止该生产线。）

此外，哈佛大学与芝加哥大学的研究者也证明了寂寞与拟人论之间的关系。研究者要求一群大学生观看能制造出特殊情绪的电影：好比制造孤独与寂寞感的《浩劫重生》（Cast Away ），创造恐惧感的《沉默的羔羊》（The Silence of the Lambs ）或是《大联盟》（Major League ）的部分片段。接着研究者要求大学生说出几个最能符合自家宠物特质的形容词。结果显示，观看《浩劫重生》的受测者比观赏其他影片的人更双倍倾向使用较具拟人感并富有社会联结意义的形容词——像是体贴、有同理心和懂事——来形容自己的宠物。

建构心智理论的困难所在

人类倾向于将自己的情感投射在机器人的头脑里，原因在于我们拥有庞大得出奇的脑容量。演化心理学家认为，感同身受也就是以他人角度思考问题，是人类祖先从达尔文物竞天择中胜出的原因，可以以此结交盟党、争取同伴势力并找出可以信赖或不可信赖的对象。推论他者的感受或思考模式的能力被称为“心智理论”（theory of mind）。而其他具有大型脑容量的动物如大猩猩或海豚是否也具备此能力呢？科学界仍旧对此争辩不休。

当我们将心智理论运用到其他物种身上时，即是拟人论，而这也是人类-动物相关道德困境的根源。举狩猎为例，詹姆士·史尔贝尔认为能模拟山猪思考状态的猎人，通常才能成功带回猎物。不过，能够以身设想进入山猪思维模式的猎人多半也会对猎物感同身受，因此对双手沾满动物的血怀抱着愧疚。我的野生动物保育员朋友比尔（Bill）曾经住在非洲村落，并为狒狒破坏农作物而感到苦恼。村里的人会设计陷阱捕捉狒狒，并于清晨处死，不过村民并不好受，因为狒狒的眼神看起来与人类无异。当地俗语说：“千万不要看狒狒的眼睛。”因为那会让你双手颤抖。

或许原罪的隐喻根源于两种互相冲突的人性本能：同情动物却又同时有想尝其滋味的欲望。史尔贝尔相当直截了当地指出了拥有巨大脑部的人类祖先所面临的难题：“猎人拥有的高度拟人论感知方式让他们得以清晰地理解、认同与预期猎物的行为……但是他们同时会产生道德冲突，毕竟人们深信动物拥有与自己相似的本质，而杀害动物等同谋杀，食吃兽肉等同自灭。”

我们面对动物所怀有的罪恶感来自拟人论，但是当我们投射自身价值观到其他物种身上时，还制造了新的问题。人类总是误读动物的行为。当海洋世界的海豚洋溢着温暖的微笑时，就代表它们喜欢在水池里游泳、不停地打转吗？错。当公狒狒打呵欠时，就代表它累了吗？错。（它正用凶恶的犬齿表示，我可以将你的脸撕烂！）当猫猫堤莉用脸轻轻地磨蹭我的大腿时，是在向我表示它有多爱我吗？错。它只是正在用脸颊腺体的气味在我身上大做记号，告诉全世界，我是它的。

朴次茅斯大学（University of Portsmouth）的研究者发现有半数的英国狗主人认为狗狗拥有羞耻与罪恶等情绪。狗狗常做这样一个表情——把尾巴夹在两腿中间，悲伤的眼神，避开你的脸，好像在说：“我不是故意将大便拉在地毯上的。”我们养的黄金猎犬狄西（Dixie）若使出兽医形容的大绝招——悲惨表情时，绝对会让你瞬间心碎。但是那副认错、卑微的受苦模样，真的代表狗狗们知道自己错了吗？

巴纳德学院（Barnard College）心理学与动物行为专家亚历山大·霍尔维兹（Alexandra Horowitz）可不这么认为。霍尔维兹设计了一个巧妙的实验以分辨当狗狗显露出罪恶感表情时是因为知道自己真的犯错，还是因为主人认为它们犯错。实验中，狗主人被要求在狗面前放一块美味饼干，接着离开房间。在部分实验中，研究者会将饼干拿给狗狗吃，有的研究者会直接将饼干带走。接着当主人回到房间时，有半数的主人会被告知狗狗做错了，虽然它们根本就没错（我知道，这听起来根本是诬赖）。结果显示，没有偷吃饼干的狗狗，仍然会在主人认为它们犯错时露出悲伤的表情。虽然此实验无法证明狗狗缺乏道德感，但确实证明了人类时常误解动物的情绪与行为。

当一只蜘蛛是什么感觉

当动物行为学家尝试了解动物心灵时，往往会陷入进退两难的困境。一方面当他们回家看到狗狗猛摇尾巴时，自然相信狗狗非常开心。但是另一方面，当他们必须尝试理解蜘蛛、章鱼、蝙蝠或大象的心灵活动时，过程往往极端艰难。

哲学家托马斯·内格尔（Thomas Nagel）在其经典文章《当一只蝙蝠是什么感觉》（What Is It Like to Be a Bat ）中点出，我们永远不可能知道身为蝙蝠或任何其他动物究竟是什么感觉。不过，并非所有动物行为学家都认同内格尔之论。我曾在京都参加国际动物行为学会议，与会者有四五十位专家。当演讲接近结束时，一位科学家起身并问了一个十分诡异的问题。“在我们离开之前，”他说，“我想问问在场有多少人是因为想一窥动物的心灵世界，才踏入动物行为学领域的？”我坐在会议室的后方，心想这是什么蠢问题啊？但我错了。几乎有一半以上的学者勇敢地举起了手。

过去二十几年来，认知行为学领域蓬勃发展，在众多思考工具中，戈登·布尔加特认为“批判拟人论”为相当重要的一项。目前动物行为学家热烈讨论老鼠的同理心、大猩猩的谈判方式以及大象的后创伤症候群。不久前我问蜘蛛学家弗莱德·柯伊尔（Fred Coyle），他知不知道蜘蛛在想什么。举例来说，它们是否在结网前就想好了独门的设计概念，还是它们的肌肉与腺体自会受到内在基因驱使而进行运动？我感觉自己的问题让弗莱德很不自在。他沉默了好长一阵子，他告诉我，他认为蜘蛛比较像机器人，像是有着八只脚的AIBO。

弗莱德的毕业所同学也是蜘蛛学家，他就抱持着截然不同的想法。他一心求解，想知道蜘蛛的脑袋里到底在想什么。有一天下午，他和朋友借来了一组超大的婴儿栅栏，又到五金行买了一堆橡胶软管。接着，他以婴儿栅栏为支架编绕软管，以所研究的蜘蛛的建筑蓝图建造了一个巨大的网。

当天稍晚，弗莱德突然跑回实验室拿书。在一片漆黑之中，他看见朋友正安静地蹲在巨大的网里，试着幻想当一只蜘蛛究竟是怎么一回事。

结论是，人类和动物的互动关系是如此复杂而矛盾，背后原因更是难解成谜。事实上有许多研究证明人类的思考模式完全缺乏理性。而当我们开始思考其他物种时，情况变得更为荒诞。直觉引导我们爱上有着水汪汪眼睛、性格温和的动物，而基因与经验又教导我们必须惧怕某些动物，而非其他。此外，文化也让我们对不同的动物分别抱有喜爱、痛恨的感觉，有些动物甚至直截了当被归属于食物一栏。而情感与逻辑也时常互相打架，我们老爱依赖直觉与同理心，又喜好将想法与欲望投射在其他人的身上。

难怪我们和其他物种间的关系变得如此复杂。

03
狂爱宠物症
为什么（只有）人类爱宠物？

所谓的动物伙伴在根本上就被当作了人类吧？

霍尔布鲁克（M. B. Holbrook）

2007年一个年约20岁的法国男子在露天市场向一位美丽的年轻女子搭讪，他牵着一只叫作格温杜（Gwendu）的小狗（格温杜在布列塔尼区域意指黑与白）。

“哈啰，”他向她说道，“我叫安东尼。我只是想和你说，你真的很美。我下午必须工作，但想问你是不是愿意给我你的电话。我晚点打给你，说不定你愿意一起喝一杯。”

那位女子犹豫了一下，看了看他和格温杜一眼，接着说：“好吧。”并且从皮包里拿出笔来。

但事实上，安东尼根本是化名，格温杜也不是他养的狗，而且他的目的也不是在市场和漂亮小姐搭讪。他正在为法国人类-动物互动学家谢尔盖·奇科蒂（Serge Ciccotti）与尼古拉斯·奎根（Nicolas Gueguen）进行实验计划，而格温杜则是奎根的狗。两位研究者希望了解宠物作为社交润滑剂的功用。在过去几周以来，这位被数名女性评价为“非常迷人”的男子在街头进行了240次的随机搭讪，向年轻女子攀谈。他在半数的情况下单身赴任，而在另外的情况中他则带着狗，研究员们形容此组合“友善、活泼而且让人愉悦”。

所以带着格温杜上街真的会增加安东尼的魅力吗？没错！当安东尼单独出现时，仅有10％的女性给了他电话，但当他带着狗狗出现时，约有30％的女性会为他倾倒，这全都是因为格温杜的关系。

其实不止女性会因为狗狗而卸下心防。研究者还发现，当陌生人带着狗出现并要求对方给点零钱时（不好意思，小姐／先生，能否给我点零钱让我搭公交车？），此时法国男人或女人愿意掏钱的概率相比没有狗陪伴的情况约高出三倍。

所以，宠物……至少是可爱的狗狗啦，绝对会让你在和陌生人搭讪或寻求帮忙时加分。但是宠物即便有社交润滑剂的功能，也不能解释为什么人们会把猫、鸟、乌龟甚至老鼠放在家里，甚至把它们当作家人一般对待。

以演化的观点来看，宠物不过是个麻烦。为什么人类会愿意投资金钱、时间与资源在与我们没有任何基因关联甚至没有劳务功能的动物身上呢？毕竟，多数的宠物主人并不是年轻帅气的男子，也并不以此来寻求提高自己的繁殖机会。美国兽医协会、宠物市场的业务员或是任何我认识的人类-动物互动学家，都会说养宠物会让人更快乐、更健康甚至更感到爱与被爱。不过我认为这事没那么单纯。

先看看以下两个截然不同的宠物与主人组合再来讨论吧！

南希与查理：当爱凝聚

南希和洛伊·沃森（Roy Watson）结婚后数个月，日军轰炸珍珠港，沃森随即被征召入伍接受军事训练，成为电报员，并前往前线进行作战。1946年沃森回国后，两人立刻开始追寻美国梦。沃森在当地的福特经销商零件部门谋得一职位，很快夫妻俩生了两个儿子，南希就在家拉扯小孩长大。数年过去了，两人存了点钱在北卡罗来纳州艾许维尔（Asheville）买了间砖造房屋，篱笆围成的后院满是遮阴绿海。南希一家过着多彩多姿的生活，不过家里并无宠物，沃森没有特别喜爱狗或是猫，而南希也从来不觉得自己喜爱动物。沃森从福特车厂退休十年后，突因癌症过世，独留南希在两人已生活了四十年的小屋生活。沃森的去世让南希感到一无所有，儿子们非常担心她的状况，甚至认为若是如此继续下去，南希恐怕也会不久于人世。此时，儿子们开始思考将老人送去老人安养中心的可能性。

沃森过世一年之际，南希在便利商店买面包时突然看到柜台有一张手写纸条，上面写着：“小猫。”柜台的女孩问南希愿不愿意看看小猫。南希拒绝了，并开车离去。然而，周末当儿子亚伦（Aaron）拜访她时，南希无意间提起了这件小事。他说：“妈，我们可以去看看小猫啊。”令亚伦吃惊的是，南希竟然点头同意了。两人在便利商店的后门纸箱里见着了两只七周大的幼猫，其中一只黑黄毛色混杂，另一只则有如夜色般黝黑。南希对小黑猫一见钟情，并立刻把猫带了回家，将它取名为查理。

一直到现在，南希与查理已经住在一起八年了。现在的南希情绪乐观、精力充沛而且身体十分硬朗。她跟我说，自己跟查理根本就是一体的。“它让我过得很快乐，”她说，“自从查理来了以后，我再也不感到寂寞，它可以说是我的全部吧。”除了是南希的好伙伴以外，查理也为南希的生活带来了重心。每天早晨，南希得为自己和查理弄早餐——一大匙鲔鱼罐头给查理猫猫，一碗早餐谷片给自己。接着，查理会到户外散步十分钟至十五分钟，当它回来时，会跳到南希的腿上，一人一猫就这么坐着，聊一会儿天，接着查理又会慵懒地离开跑到笼子里睡个午觉。当它醒来时，通常已经是下午了，若天气晴朗，查理和南希就会坐在前院的双人椅上，直到夜幕低垂。南希会为自己和猫准备晚餐，并一起享用。查理对电视没兴趣，所以傍晚时它会在外头走走，但它会每隔一阵子就走回来两三次，看看南希的状况，直到深夜入眠时刻。

不过南希也说把猫当作最好的朋友也有些小缺点。譬如每当她入睡时，查理就会从杰基尔医师（Dr. Jekyll）化身为海德先生（Mr. Hyde）：它热爱狩猎，而且总是雄赳赳、气昂昂地为南希带回战利品：刚猎杀的鸟，一堆田鼠、松鼠，就在上个星期，查理还带回了一只幼兔。有时候这些小动物还一息尚存，南希会立刻打开前门要查理把动物带出去。查理通常会乖乖照办。

南希和查理可说是一对人猫活宝，也是人类与动物的巧妙组合。猫咪让南希的生活渐入佳境，我甚至会认为南希身体状况良好、精神稳定而且能继续独居的原因，都是因为查理的关系。

类似南希和查理的故事其实很常见。这大概是美国上百万家庭中上演的故事。我的爸妈就是一例啊，对动物从来没兴趣的老爸退休后突然养了一只腊肠犬，之后又来了两只，老爸老妈对腊肠犬宝贝们有着满满的爱，宝贝们还都有着一样的名字：威力。

不过莎拉和宠物的故事，就没那么欢乐和正面了。

莎拉的狗：当人与狗互相折磨

莎拉是西岸兽医院的行政人员，她的丈夫伊恩（Ian）则在大学资讯科系工作。两人结婚约三年时，莎拉突然决定养只狗。一开始伊恩不太感兴趣，但最后默默接受命运。虽然莎拉对狗不太了解，不过由于在工作场合看到太多行为诡异的狗狗以后，她和伊恩决定一定要精挑细选。他们花了数个月的时间分析犬种以及性情，最后选择了柴犬，一种长相近似狐狸，为了小型狩猎比赛而被育种的日本犬。美国养犬俱乐部以“勇敢坚强”“超级活泼”“极富男子气概”与“来自地狱的小毛球”形容柴犬。而对莎拉与伊恩来说，这正是地狱之门大开之时。

两人从俄勒冈的一窝小狗中选中小浩时，它才九周大。从刚进门开始，小浩就需要时时刻刻照料，如果夫妻俩没关心它，小浩就会发出哀怨的低鸣，如果每天不能出门奔跑一个半小时，小浩就会发疯似的造反。好在两人住家附近有个遛狗公园，允许狗不戴狗链自由玩耍，但是小浩有社交障碍，也不太会与其他狗狗相处。很快，它诡异的行径就让其他狗主人发飙。

有天下午，六个月大的小浩突然骑乘到一只年轻的西藏梗犬身上，而且对方还是公狗。伊恩当然知道身体磨蹭不过是很常见的幼犬行为，这和性向一点关系都没有。不过此时西藏梗犬的主人却开始尖叫：“不准骑我的狗！谁都不准骑我的狗！”

伊恩试着和狗主人解释这只是小狗嬉闹的方式而已，对方却完全不领情，接着两人开始无法遏制地大声争辩。

不愉快的遛狗事件一而再、再而三地发生，而伊恩与莎拉也开始厌恶其他狗主人对他们的指教，他们不再带小浩去狗公园，改聘请专业的遛狗员，以每个月三百美元的代价带着它去长跑，而夫妻两人也借此在家度过一两个小时的宁静时光。

莎拉的一位同事建议她，或许替小浩找个玩伴可以减轻它的过动症状。这真是恶魔捎来的信息啊。小浩的新柴犬玩伴娜美简直比它还失控。娜美超级霸道，不但行为无法预料还非常具有攻击性，根本是活脱脱的大小姐脾气。娜美妒火满满，因此每天晚上伊恩和莎拉还得偷偷摸摸地回房睡觉。每天早上当娜美看见伊恩上班前给莎拉的临别吻时，它还会大发脾气。当娜美两岁时，它已经在服用百忧解和烦宁了。许多狗主人都会把狗当作毛小孩，可惜伊恩和莎拉的两个小孩一个是疯狂的坏蛋，另一个则是有精神病史的疯子。

莎拉个性循规蹈矩而且喜欢把家里打理得整整齐齐的：干净的地板，家具拥有一致的设计风格。但自从有了柴犬以后天下大乱。两只狗狂啃沙发、破坏地毯，时常让屋子呈现炸裂状态。“我实在是不希望住在疯人院里啊。”莎拉这么跟我说。伊恩和莎拉两个人都是超级讨人喜欢的有趣家伙，但是两只柴犬却摧毁了他们的婚姻生活。因为娜美和小浩不但会偷吃客人的食物还会疯狂尖声吠叫，渐渐地，两人不好意思再邀朋友过来聚餐。

虽然两只柴犬可说是彻底撕裂了他们的生活，但是伊恩与莎拉仍旧爱着小柴犬们。莎拉会为娜美缝制衣服，而伊恩把小浩当作自己的犬形化身。伊恩和我说，自己和小浩就很像是一颗圆木钉试着要融入方形的世界。莎拉一家人也试过去宠物行为学校，还拜访了全美国著名的狗行为学家。但一切于事无补。两夫妻几乎每年都会讨论好几次是否该放弃狗——找新饲主或是安乐死。不过两人的频率总是缓急不一。当莎拉准备要认输时，伊恩却觉得放心不下。这样的情况反反复复，永远无法达成一致。

我问两人，养狗是否让他们的婚姻生活蒙上阴影。两人陷入好长的沉默。他们看着彼此，并且坦承他们已经在看婚姻咨询师。一个星期过后，当我继续进行访问时，两人已经暂时分居。莎拉搬到新的公寓，她认为从地狱来的柴犬根本打乱了她的婚姻生活。至于娜美与小浩的未来，目前仍旧在未定之天。

到底何谓宠物

南希和莎拉呈现出了两种有如天壤之别的人类与宠物关系的模式。但到底宠物是什么呢？历史学者基斯·托马斯（Keith Thomas）认为所谓的宠物就是被允许出现在房屋内的动物，它有名字，人们也不会吃它。这定义似乎浅显易懂，不过事情总有例外。我的邻居从来不会让狗进家门，而我的牙医也不会帮热带鱼取名字。有时候，人们也不能保证自己不会把宠物吃掉。当我在佛罗里达州研究所研究鳄鱼行为时，玛莉·珍和我一同拜访好友吉姆（Jim），一名退休的农业学者，吉姆的住家正巧在我的研究所湖边。吉姆在自己的开心农场里弄了个动物园——山羊、短脚鸡、番鸭、孔雀、中国哈巴狗，还有几只小孩饲养的天竺鼠。他的太太和小孩周末不在家，因此他正准备自己的晚餐。我们一边聊天，他一边从笼子里抓了一只天竺鼠出来，用锤子敲碎它的脑袋，去皮，接着放上烤肉架。我想吉姆应该没有把天竺鼠当作宠物吧。

我个人比较认同宾州大学人类-动物互动学者詹姆斯·史尔贝尔的宠物定义。他认为宠物是与人同住但没有任何明显功能的动物。虽说他的定义已经模糊到不着边际了，但还是有出错的可能。从前，美国人家里的狗可是有着重要的任务，好比放牧、狩猎、警卫、推车甚至搅拌奶油；猫咪则比较像是活体捕鼠器。以前大部分美国人并不在意猫咪是否可爱，一直到19世纪中期，美国人才开始饲养以可爱著称的各式各样的宠物，最先是养鸟热，当时最受欢迎的是会唱歌的金丝雀。

人类养了稀奇古怪的动物当宠物——蟋蟀、老虎、猪、牛、老鼠、响尾蛇、鳄鱼、巨鳗等，这还仅只是名单的一部分而已。不过当人们被问到会将哪种动物当宠物时，多数人的答案里没有鳗鱼或蟋蟀，所以，他们心中的宠物是什么呢？答案当然是狗或猫啦。

认知心理学者往往将一种足以代表所属全体的东西称为“原型”（prototype），现在，请你试着去想象一只鸟。

我猜你脑海中浮现的应该是麻雀、知更鸟或老鹰，而不是鸸鹋或企鹅吧？那是因为知更鸟比鸸鹋更有“鸟的样子”。那什么动物算得上是宠物的原型呢？不久前莎曼莎·斯特拉扎纳克（Samantha Strazanac）和我访问了一些大学生，要求他们针对16种动物进行宠物适宜度的评比，试着了解不同动物能被当作宠物的可能程度。当然，几乎所有同学都认为狗和猫绝对是宠物的首选；金鱼则稳坐第三名的宝座，约有75％的受访同学都肯定金鱼的宠物身份；至于仓鼠、沙鼠、兔子、小鹦鹉和金刚鹦鹉得到半数同学的认同；老鼠和鬣蜥得到了相当凄惨的分数；蟒蛇更不用说了，仅有5％的受访同学认为它们有可能以宠物的身份出现在人间。

有很多动物权分子不太满意“宠物”这个字眼，认为这说法贬低了与我们同住的动物伙伴。他们希望人们可以把毛茸茸、有翅膀或有鳍的朋友称为“伴侣动物”，而主人则应谦称自己为“监护人”。动物防御组织（Defense of Animals）已开始游说市政府正式命名人与宠物之间的关系，将近20个城市（多位于加州）以及罗得岛州的动物管制条例中，已经开始以监护人替代宠物主人一词。

我不是太喜欢伴侣动物这个说法。说实在的，很多宠物真的称不上是我们的伴侣。我的好友乔·比尔（Joe Bill）长大时，他最爱的宠物就是床旁边玻璃缸里养的小螯虾。它是宠物吗？没错，但小螯虾是比尔的伴侣吗？

把宠物主人换掉改称监护人不过是让我们陷入语言的旋涡里打转。这和大人作为小孩的监护人不同，动物监护人可以随意进行贩卖、赠送甚至在不经过动物的允许下，为它进行消毒。如果监护人对动物感到厌腻，甚至还可以申请执行安乐死。所谓的伴侣动物和宠物监护人不过是语言迷障，让我们假装与人类共住的宠物也有自主权。

对科罗拉多大学社会学者莱斯莉·艾尔文（Leslie Irvine）一类的动物爱好者而言，宠物拥有权自是道德难题，她在著作《如果你驯服了我：重新认识我们和动物的关系》（If You Tame Me: Understanding Our Connection with Animals ）中描述：“如果我们理解动物生命本身的价值，那么将它们圈限起来以取悦自己根本就是不道德的行为，称呼它们为伙伴或宠物，根本无足轻重。”在理性层面上，艾尔文认为为满足人类个人私欲而监禁或繁殖动物，都违反了道德原则，她认为所谓的人类与宠物关系更近似奴隶制度，而非友谊。不过问题在于，艾尔文深深爱着自己所养的狗与猫。因此，她继续厘清思绪，“我很怕回家时看见家里空无一物，没有摇摆着尾巴的小狗等着我……但是我个人期待从宠物身上获得情感回应或陪伴，并不能将饲养宠物之举合理化”。艾尔文在情感与理智间激烈摆荡，最终结果可想而知，情感总是剩余，而理智无用。

把宠物当人

有许多美国人和艾尔文一样，深深爱着家中的宠物。根据美国宠物产品制造商工会数据，约有63％的美国家庭饲养了宠物。2009年时，美国人与7800万只狗，9400万只猫，1500万只鸟，1400万只其他小型哺乳类动物（包括小老鼠、貂、大老鼠、兔子、天竺鼠、仓鼠、沙鼠）以及1.8亿只鱼共组家庭。凯西·格里尔（Kasey Grier）发现，美国社会周期性地掀起一股饲养宠物的热潮。第一次发生于19世纪晚期，当时饲养宠物被视为家庭生活美满的象征，尤其美国母亲们将养宠物当作培养孩子爱心与责任感的方法。第二次宠物浪潮则发生在第二次世界大战后，当时郊区住宅概念蓬勃发展，人们更相信养宠物绝对是童年时期的必备经验。

不过虽然宠物早已大肆入侵美国家庭，但是人类与动物的关系已然进入全新的局面（特别是我们和狗与猫的关系）。近年来，宠物已几乎被视为家庭的一分子，宠物用品工业称此为宠物的人类化。今日，约有70％的宠物主人表示偶尔会与宠物同床而眠，三分之二的主人会为宠物准备圣诞节礼物，23％的主人会为宠物精心调制食物，18％的主人会在特殊场合为宠物打扮。

虽然过去十多年来，饲养宠物的家庭数量只是在缓缓上升，但人们花在动物身上的金钱却是在飙升。目前美国人花费在宠物身上的金额已超过看电影、打电玩与听音乐的消费金额之和。美国家庭共计花费了170亿美元购买宠物食品与营养补充品、120亿美元进行兽医诊疗、100亿美元用于宠物用品（包括猫砂、狗的设计服装、项圈、食物器皿、玩具和生日卡片）。此外，还花费了30亿美元在宠物保姆、寄养、狗笼、宠物美容清洁服务、行为校正、按摩治疗、遛狗专员、骨灰坛、保险单以及新世纪宠物沟通师等光怪陆离的事物上。

根据幽默风趣的《属于狗的国度》（One Nation Under Dog ）一书作者迈克尔·沙佛尔（Michael Shaffer）描写，宠物产业可说是正逢盛世。高档宠物食品虽仅占总销售量的20％，但获利已达整体产业之一半。好比福尔恩营养品牌的“煨野鸭”罐头：天然放牧的野鸭以人工剁碎，再以小火慢炖30分钟，佐以洋芋、青豆、胡萝卜。这完全不输人类食物的精致，你还可以让狗狗在餐后喝点狗用鲍塞尔啤酒（Bowser Beer for dogs）或宠物派特许瓶装水（Pet Refresh Bottled Water）。目前最新流行的是有机与天然食材的宠物罐头。举例来说，你可以买哈维医师意大利手工脆饼（Dr. Harvey’s Homemade Biscotti），食材特选有机燕麦粉、黑麦、蜂蜜、蜂蜜花粉、苹果、蒲公英、花椰菜、薄荷与茴香制成。

许多宠物主人深信小动物也喜欢穿得有派头。“茶杯狗狗精品店”（Tea Cups Puppies and Boutique）为一间网络宠物服装店，除了提供要价高达300美元的“施华洛世奇洋装”（花园派对场合适用）之外，也提供较平价的T恤、无袖背心、外套与全套的牛仔服饰。如果你想要带着狗狗四处闲逛一整天，茶杯狗狗精品店也有闪亮蟒蛇皮宠物提篮，售价1955美元。“巴郎的藏宝屋”（Barron’s House of Treasures）提供小狗专用的内裤、波斯头饰、泳衣、燕尾服和婚纱。为了方便重机骑士们把狗带到南达科他州斯特吉斯参加年度哈雷大会，哈雷机车也开始提供一系列让狗能舒适骑乘的周边产品。而对宠物时尚达人来说，最重要的盛会莫过于纽约市每年举办的“宠物时尚周”，在那儿，超级名模们会牵着穿着最新流行设计服装的吉娃娃和约克夏闪亮登场。

如果你的狗想要放慢生活脚步，可以到五星级的度假饭店洛杉矶狗工厂（L.A. Dogworks）享受全然美好的身心灵体验，该饭店服务项目包括禅风疗法，“一种来自东方的治疗方式，让狗狗得到全然的放松与休息”。现在有很多顶级饭店都提供宠物服务。你可以带狗狗入住莎拉索塔的丽兹卡登酒店，只要它的体重少于9公斤，而你愿意付125美元的房间清洁费就成交了。若加付130美元，还可享有瑞典式宠物按摩、全身舒压按摩、活力能量按摩以及较为温柔的高龄宠物舒缓按摩。

宠物与人的分际日益模糊绝非新鲜事。自19世纪法国开始，此风潮即盛行不衰。当法国中产阶级的数量与影响力与时俱进时，对动物的爱好也日趋浓厚，此后的50年内，家中的狗与猫咪不但不需要分担家务，更转型为类似家人的角色。1890年，养宠物亦成为奢华的代名词。当时巴黎的时尚狗的衣橱可能有靴子、礼服、泳衣、内衣裤和雨衣。狗美容沙龙在法国如雨后春笋般涌现，宠物墓地也在此地现迹。19世纪初期，死去的狗会被直接丢进塞纳河里，但在19世纪中期，巴黎的宠物主人开始将过世的狗与猫埋葬在宠物墓地，或者以纱盖头，供人凭吊。

这股宠物服饰、度假舒压按摩与瓶装水的热潮被迈克尔·西尔弗斯坦（Michael Silverstein）与尼尔·菲斯克（Neil Fiske）称为“消费升级”。他们认为人类购买高档宠物食品与狗按摩服务的背后，与喝一杯六美元的咖啡以及购买维京牌（Viking）厨具为同样的文化趋力所驱使。但要是在经济不景气之时呢？当手头拮据时，主人们还愿意花大钱在动物身上吗？

根据宠物市场产业趋势专家大卫·路米斯（David Lummis）的说法，答案是肯定的。2008年，当经济跌到谷底时，美国宠物专用品零售龙头“宠物宝”（PetSmart）连锁店年营收上涨了8.4％，营收超过50亿美元。同样，宠物药品网络专门店“宠物便利药房”（PetMed Express）在2007年第四季财报也出现了16％的增长。据路米斯估计，2010年时美国宠物零售市场总额将达到560亿美元。

凯西·格里尔的著作《美国宠物史》（Pets in America ）精彩地描述了美国人与动物的关系史，我问格里尔为什么美国人花在宠物身上的经费暴增。她认为宠物，特别是狗，被宠物工业定调为消费者本身。许多人认为宠物也会有物质生活的欲望，并且它们本应当享受——比司吉、去口臭的薄荷药锭、雨衣、夏令营、SPA甚至是百万婚礼。

我想问的是，除了美国宠物产品制造商工会成员以外，还有谁会因此而受益？美国防止虐待动物协会（The American Society for the prevention of Cruelty to Animals）的史蒂夫·扎维斯托夫斯基（Steve Zawistowski）说：“如果你花了20美元买雨衣给狗狗，那是为了狗好。但如果你花了200美元买狗雨衣，那就是为了自己。”哥伦比亚大学行销学教授莫里斯·霍尔布鲁克（Morris Holbrook）这么建议想要进入宠物商品市场谋取丰厚利润的厂商：“你必须提醒消费者，他们不是宠物主人，宠物不是他们的财产，宠物本身有自己的需求、欲望以及权利，它们和其他家庭成员没有什么不同。”他还补充说道：“基本上就是把宠物当人，这样就对了。”

以前养宠物根本无须额外开销。第二次世界大战后，家畜专门吃残渣剩食，当时的人们也从没见过兽医诊所。但现在情况截然不同。据估计，一只中型犬一生约花费8000美元，而一只猫则要10000美元（因为猫活得比较久）。那么，庞大的投资又为你带来了什么好处呢？

宠物真的会给我们无怨无悔的爱吗

数年前，我调查北卡罗来纳州西部宠物诊所的宠物主人们，询问他们究竟能从宠物关系之中得到什么。我得到三种类型的明确答案：“宠物就是我的家人”，“宠物就是我的小孩”，还有“宠物就是我的朋友”。哥伦比亚大学社会心理学者罗宾·科瓦尔斯基（Robin Kowalski）与我进行后续研究，我们要求宠物主人通过一系列陈述比较人类好友与宠物好友分别给他们带来何种好处。受访者表示，不管是人类好友或宠物好友都能够提供陪伴、消减寂寞，而且也让自我得到被需要感。相较之下，人类好友更能提供信任感与言语交流。但是说到无怨无悔的爱，宠物朋友似乎大获全胜。

虽然市面上有一堆书籍宣称宠物能给人类提供无条件的爱，但若将此说视为人类想要与宠物生活的根据，则是太过夸大。如果宠物真能给人类提供无条件的爱，那么应该所有的宠物主人都与宠物拥有无比亲密的关系。但事实并非如此。1992年的调查显示，约有15％的成年人认为自己与宠物并没有太深厚的感情。我也曾在自己的课堂里做过非正式的调查，几乎有1/3的同学表示家中有成员非常不喜欢，甚至讨厌自家的宠物。

人口统计学也显示无条件的爱的理论并不准确。因为若此说成立，那么独居人因渴求无条件的爱，应当是饲养宠物比例最高的族群。情况并非如此。事实上，独居的成年人为饲养宠物比例最低的族群，而抚养学龄儿童的成年人才是饲养宠物比例最高的族群。有趣的是，虽然有小孩的成人饲养宠物的比例最高，但若以整体来看，这些人与宠物互动的亲密程度远比单独与宠物同居的人来得低。事实上，宠物与主人之间的情感联结程度与家中人口数成反比。家庭成员人口数每多一人，宠物联结度就下降一级。若家中有幼儿时，宠物的地位更是一落千丈。举例来说，当家中有小孩时，仅有25％的主人愿意每日帮宠物梳毛，若宠物主人独居，那么每日帮狗狗梳毛的比例则达80％。如果家中没有小孩，圣诞节时狗狗猫猫就会收到许多礼物并一同外出度假。令人伤感的是，在夫妻结婚后的第一年，狗通常会被当成“我们的宝贝”，但等到新生婴儿从医院回家的那一刻，宠物的地位便难以复返。

剑桥大学的安东尼·波德伯斯切克（Anthony Podberscek）为《人与动物》期刊编辑，讲话向来无所保留的他更称无条件的爱的理论为“垃圾”。波德伯斯切克认为此理论恐怕只有美国佬会上当，因为除了美国人以外，英国人或澳大利亚人受访时鲜少使用如此字句形容自己与宠物的关系。他认为所谓的无条件的爱的理论根本是在贬低动物，若人类认为不管如何对待宠物，都会得到全心全意的回报，那么宠物根本就是专捡人类剩菜剩饭的笛卡儿机器人 [1] （Cartesian robots）。

不过我必须承认，无条件的爱之说比较适用于狗的身上。看看我家现在养的猫，我还挺怀疑这说法的。我的结论是，虽然我对它的爱是全心全意的，但堤莉对我的爱绝对是有条件的。本人完全是猫奴。当我帮它准备晚餐或给它猫草或帮它搔肚皮或玩游戏时，它还挺爱我的。但是在大部分的情况下，我不过就是一个在它想出门去玩时帮它开窗的男人罢了。

宠物会让我们更健康吗？先来听点好消息吧

无条件的爱无法完全解释为何人们要养宠物。除了让自己感到愉悦以外，人们应该是为了其他原因兴起了养宠物的念头。宠物提供的社交支持让我们更健康也更开心，或许我们只是想找个说说话的对象。宠物业界早已标榜养宠物可以让主人获得医疗或心理上的疗效。美国宠物产品制造商工会宣称养宠物可以降低血压、减轻压力、避免心脏疾病、减少看诊次数，并降低人们的忧郁程度。现在，几乎所有人都听过养宠物的好处。我们有一堆关于养宠物的励志书籍，好比莎伦·萨肯（Sharon Sakon）所著《狗爪效应：动物的疗愈力》（Paws ＆ Effect: The Healing Power of Dogs ），兽医名人马丁·贝克（Marty Becker）所著《宠物的疗愈能力：借助宠物的神奇能力让人常葆愉快与健康》（The Healing Power of Pets: Harnessing the Amazing Ability of Pets to Make and Keep People Happy and Healthy ）。不过人类-动物互动学者必须为人们厘清现实与想象的界限。上述说法真实性如何？如果动物确实有疗效，那么背后的原因何在？

在人类-动物互动学短短的历史中曾经出现过一篇重量级的文章，并发表于1980年7月的《公共健康报告》（Public Health Reports ）期刊，该文仅有短短6页，作者为甫于宾州大学行为生物学系获得博士学位的埃丽卡·弗里德曼（Erika Friedmann）。埃丽卡博士论文研究社会支持对心脏疾病幸存者有何影响。她于一间冠心病加护病房访问了92位患者，研究病患的社会地位、居住状况以及和家人、朋友的关系。此外，她还问病患们是否与宠物同住。

12个月以后，她重新追踪患者，了解复原状况。令人惊讶的是，养宠物的患者们拥有较佳的存活率。该年底约有20％的无宠物患者过世，而养宠物的患者死亡率仅有6％。埃丽卡对此研究结果感到惊讶，并在1978年美国心脏学会的会议上公开此研究结果。然而，大部分的心脏学研究者都对此研究嗤之以鼻，仅仅有一名学者勉强称此研究“挺可爱的”。相较之下，媒体对她的研究比较感兴趣。很快，埃丽卡接到无数的电话访问，《读者文摘》与《时代》杂志纷纷报道了她的研究。埃丽卡的学术之路可说是一路顺遂，不久后她当上了国际人类-动物互动学协会主席，目前于马里兰大学护理系（University of Maryland School of Nursing）工作，并持续研究宠物对人类健康的影响。

埃丽卡的研究开启了人类与动物联结相关研究的热潮，大量的研究成果显示宠物确实对人类的身心健康有所助益。抚摸小动物可以让血压降低，即便所谓的小动物为大蟒蛇也是一样有效的。事实上，即使只是观看热带鱼在水族箱优游的影片也能降低观者的血压。纽约州立大学水牛城分校生物心理学者凯伦·亚伦（Karen Allen）发现，当成年人在配偶面前进行复杂的心算时，血压会急剧升高，不过如果面前是宠物的话，情况则大不相同。

此外，其他研究也证明了养宠物对人类有着诸多益处。举例来说，家中有养宠物的小孩罹患气喘的比例较低，请病假的次数也较少。与宠物同住的年长者的胆固醇和忧郁状况较低，整体而言，宠物主人拥有较好的心理状态。有一份针对一万名德国人与澳大利亚人进行的调查发现，与宠物同住者上医院的次数远较没养宠物的人少。墨尔本大学与北京师范大学的研究者发现，和没有养宠物的对照组比较，养狗的中国妇女睡得较安稳、心情较佳，请病假的天数也较少。密苏里大学研究发现，参与遛狗课程的学员即便在课程以外的时间，也有较频繁的运动频率。部分研究显示养宠物的成年人较不容易感到寂寞，很多医师甚至开始思考是否该向老年人建议养只德国腊肠犬或约克夏犬。

宠物并非万能

或许想象狗狗或猫猫可以让自己的病好起来并非坏事，不过先别把手中的立普妥（Lipitor）与百忧解丢掉啊。媒体对宠物具有神奇疗效的报道恐怕有误导渲染之虞。举例来说，我住处附近的地方报纸报道称“密苏里大学研究者发现，30名正接受化疗的患者认为在每周一次长达4小时的狗治疗师拜访后，‘健康状况改善许多’”。报纸观点根本大错特错。首先，接受宠物治疗师拜访的实验组仅有10人而非30人；控制组的成员以安静阅读或与其他人交谈取代和狗治疗师碰面。总之，研究者发现在许多次的实验里，狗治疗师为病患带来的作用和阅读相差无几。密苏里大学研究团队认为，动物并不能改变患者的心情或身体状况。

上述研究绝非唯一否认宠物对人类健康有正面影响的报告。

贝克医师和宠物用品店没告诉你的是，也有许多研究显示宠物对人类健康并无影响。此外，更有一些研究结果显示，养宠物的人远比他没养宠物的邻居的健康状况要差。举例来说，位处贝尔法斯特（Belfast）的皇后大学（Queens University）心理学者戴波拉·威尔斯（Deborah Wells）近年研究宠物究竟是否会为慢性疲劳症候群（Chronic Fatigue Syndrome）患者带来正面效应。拥有宠物的患者们确实认为与宠物同住会提升自己的健康与心理状况，但是实际检测患者的心理与生理状况后发现，拥有宠物的慢性疲劳症候群患者和没有饲养宠物的患者一样疲劳、沮丧、担忧、感到压力而不快乐，其严重程度与没有养宠物的患者不相上下。

我先前提到的针对一万名德国人与澳大利亚人所做的调查发现，养宠物并不会让人们更满意自己的生活。而当实验者企图重新制作蟒蛇与降低血压效应的实验时，发现结果完全不如预期。研究者无法证明遛狗能让主人比较强壮。密苏里大学的遛狗研究发现，尽管遛狗课程让人心情大好，但是却与血压升降或减重没有任何显著关联。新西兰一项规模庞大的研究发现，尽管养狗的人确实会花更多的时间走路，但是其每周整体活动量却反而下降许多。事实上，芬兰一份访问21 000名受访者的研究显示，相较于没有养宠物的人，宠物主人通常有较高的血压、胆固醇，该项调查还发现，养宠物的人更有可能罹患肾脏疾病、关节炎、坐骨神经痛、偏头痛、习惯性忧郁与焦虑。另外，尽管芬兰的宠物主人和没有宠物的人一样少烟少酒，但他们的活动量却较少，并且更容易体重过重。

澳大利亚国家大学的研究者发现，60岁至64岁之间与宠物同住的成年人同没有养宠物的同龄者相比，前者显得更沮丧、使用更多止痛剂，并且精神与身体状态都更显老态。另一项研究则将定期与宠物玩耍的老人与从不或极少接触动物的对照组相比，两者的死亡率不相上下，可见与宠物玩耍对实验参与者的健康与幸福感没有益处（事实上，和宠物一同玩耍的参与者通常会饮用更多的酒精性饮料）。

好吧，假使养宠物真的无法治病，那至少可以让主人更开心，也比较不孤单对吗？不见得。2006年皮尤研究中心（Pew Research Center）随机选取3000名美国成年人进行调查，调查发现不管是猫主人、狗主人或没养宠物的人，都表示自己对生活相当满意。英国华威大学针对养宠物是否能降低成年人的寂寞感进行研究。受测者在刚养新宠物与六个月之后进行寂寞程度的心理测验。结果相当明显：和宠物同住并不能降低人类的寂寞感。

所以我们到底该如何解读如此迥异的研究结果？宠物对人类真的有好处吗？还是有坏处？最近埃丽卡·弗里德曼详细鉴定了自1990年至2007年之间发表的30篇关于与宠物同住效益之研究结果。她发现其中有19份研究结果支持“宠物对人类确实有益处”的假设，不过有10份研究则认为宠物不但对人类无益，甚至有损人类身心健康。当我和埃丽卡讨论如此歧异的研究成果时，她说：“没错，宠物对人类确实有好处。”不过她补充说：“只不过不是万灵丹。”

为什么宠物对某些人来说是好的

养宠物似乎并没有让所有人都更健康或更快乐，至少就比例上来讲，成功案例远远低于宠物产业所宣称的数量。因此我们必须修正科学提问：“为何养不养宠物会对人类生活造成差别？”可能的原因有三种。首先，宠物本身并不会直接让人感觉更好，其因果关系很可能应该颠倒过来看，那就是较快乐与较健康的人，更有可能会想要养宠物。或许因为他或她们拥有较好的经济状况足以负担宠物支出，也或许因为身体状况较佳，所以有办法天天带狗外出跑步。第二个可能则是，宠物确实增进了主人的健康状态，因为宠物鼓励主人与其他人互动，例如戴波拉·威尔斯调查发现遛狗确实会增加与陌生人交谈的机会。然而，这也和狗的品种息息相关，在她的研究中，小拉布拉多犬绝对是社交的超强润滑剂，但成年的罗威纳犬则没有太大帮助。

第三种可能是，人类与动物的联结确实提供了社交支持力，并因此增进健康。为证明这个说法，研究者进行随机临床实验，并将不养宠物的人分配到实验组（接着组员将得到宠物），而控制组则维持没有宠物的状态。在真实世界中，随机临床实验相当难以执行，但凯伦·亚伦做到了，她以富有的股票交易员作为受测对象。

她的受测对象都是“华尔街型”的人，这些人因为压力过高而有高血压的毛病。研究开始时，所有的实验对象都先服用抗高血压药。实验组成员会得到一只来自宠物收容所的狗或猫，而控制组的成员仅获得药品。六个月以后，亚伦和同事将受测者丢进面临充满压力的情境里：一组人接受困难的数学测验，而另一组人则必须在众人面前发表演说。实验结果令人印象深刻。如同预期所料，所有的受测者的血压都上升了，然而拥有宠物的实验组成员血压上升仅有控制组成员的一半。此外，宠物带来的好处在那些朋友较少的股票交易员身上获得最明显的效益。此实验明显证明，当宠物长期伴随身边时，确实可以改善一个人的心血管功能。

宠物可能对你的健康有害

据传美国总统杜鲁门（Harry S. Truman）曾听经济顾问告诉他：“从某方面来看X是正确的，但从另一方面来看，Y才是正确的。”之后他喃喃抱怨说：“可以帮我找个干脆点的经济学家吗？”人类-动物互动学也面临类似困境。

我的邻居安妮（Anne）不久前才因为被狗狗绊倒，从楼梯上悲惨地摔了下来，这种因宠物而起的意外事件不算少见。在短短一年半之内就有16名年长者被送入悉尼一间急诊室治疗，都是因为宠物而起，伤势包括：四块破裂的骨盆、两块刮伤的屁股蛋、三只断臂、两只脱臼手腕、一根扭伤的脚踝、两根断裂的肋骨，外加断鼻、断脖等。疾病管制中心（The Centers for Disease Control）估计，每年约有8.5万名美国人因为被宠物绊倒而受伤，多数的加害者为狗狗。

宠物给人类带来的伤害各式各样。1999年意见调查公司（Opinion Research Corporation）报告显示，约有1/6的狗主人曾经因为狗在车内乱跑乱跳而造成（或几乎发生）车祸。此外，在容易影响人体的病原体中约有60％为人畜共通，这表示疾病会经由接触动物而传染。宠物会将许多恼人的病症传染给主人，包括：蛔虫、虱蚤、莱姆病、布鲁氏杆菌病、金钱癣、肠梨形鞭毛虫病、钩端螺旋体病、大肠杆菌、钩虫和名副其实的猫抓病。我12岁时，养了只小乌龟，这在当时应该挺流行的吧，有谁知道85％的乌龟都带有沙门氏杆菌呢？美国食品药物管制局（FDA）于1975年开始禁止贩售幼龟，不过现在蛇、鬣蜥和其他爬虫类生物早已成为更热门的宠物选项。可想而知，宠物相关的沙门氏杆菌传播率正不断攀升，每年约有7.5万起沙门氏杆菌疾病来源为美国家庭中所饲养的爬虫或两栖类动物。而且，连许多宠物治疗师都有可能为人类带来健康损害。许多研究团队发现，部分狗治疗师带有并可能传播金黄色葡萄球菌，一种对多数抗生素都有抗药性的细菌，而当医院与疗养院中的年长者交叉传染时可导致相当严重的葡萄球菌感染。

基因让我们天生就爱动物

近20年来的人类-动物互动学研究显示和宠物同住会带给我们许多附加好处，只不过也得付出相当的代价。然而，研究并没有解释为什么人类开始变得如此喜爱动物。达尔文主义者直接或间接地暗示生命总会为增加繁衍机会而努力，以便将基因传给下一代。但是如果达尔文主义为真，那么乔和太太为什么要每个月花那么多钱帮自家的老黄金猎犬化疗呢？以基因繁衍的角度来说，如果把钱拿来花在小孩（或孙子）的大学学费上，不是对自己更好吗？

关于“为何要养宠物”这类问题，人类-动物互动学者提供了许多解释：

·宠物让孩子富有爱心与责任感。

·在后现代传统价值和社会关系崩坏的状态下，宠物提供了个人生存的安全感。

·就像观赏性花园一样，宠物代表了人类希望掌控自然的欲望。

·宠物让中产阶级家庭假装自己很有钱。

·宠物可以替代人类朋友。

·宠物和人类能够从彼此互动间得到安慰与快乐。

上述解释都有其道理，但是我对具有演化意义的解释更为有兴趣。哈佛大学的丹·吉尔伯特（Dan Gilbert）曾打趣说所有的心理学家都应该会在某一天某个时刻在论文中写下“人类应该是唯一会……的动物”的句子。

我也很想这么做：“人类是唯一会因为欢愉感而将其他动物养在身边的动物。”为什么我们会想要宠物，就跟为什么我们会创造出如此复杂并具有象征意味的语言、道德标准、宗教信仰并热爱呛红辣椒（我指的是香料不是那个乐团）一样，都是演化学里的千古谜题。

不过我的“人类是唯一会……的动物”的句子显然有漏洞。有很多例子显示非人类动物也会对其他的动物感兴趣。2004年印度大海啸之后，肯尼亚游乐公园里的一只重达600磅（约272公斤）、名叫欧文的孤儿河马，开始紧紧黏在160岁大陆龟密兹（Mzee）的身边。不久前，田纳西州霍恩沃尔德的大象保育中心里，有只四吨重的亚洲象泰拉（Tara）和一只名叫贝拉（Bella）的搜救犬一见如故。一犬一象形影不离，而当贝拉生病时，泰拉就站在贝拉养病的建筑物外长达数个星期。加州大学戴维斯分校的比较心理学家比尔·梅森（Bill Mason）将年轻恒河猴和成犬饲养在一起，系统性地研究不同物种间的依附行为。当梅森把恒河猴介绍给狗以后，两者就成为密不可分的好友。数个月后，梅森让所有的恒河猴做选择，它们可以选择要和新的狗、其他猴子或是它们已经认识的狗玩。结果所有的恒河猴都选择自己认识的狗。它们已经变成好朋友了。

但是不同物种间的友谊通常只会在微妙的特殊情况下突如其来地发生。举例来说，没有任何证据证明我们的近亲大猩猩会在野外和其他物种嬉戏。我相信，人类是唯一会饲养宠物的动物。

为什么这种现象会发生？这种现象又会在何时发生？对于超物种友谊的发生时间我们根本无法掌握。根据考古学证据，人类在距今1.2万年至1.4万年之间开始养狗，并于9000年前开始养猫。当然很有可能我们生活在旧石器时代的祖先也曾把在野外捕捉到的鹦鹉或野猪带回家，当作宠物。问题是，此类型的人类与动物友谊无法留下任何考古证据。举例来说，如果我们在距今约有2.5万年历史的化石中发现一男子抱着猴子的残骸，我们无法得知猴子是死者的宠物，还是被放在他的棺材里当作死后世界的营养品。

既然我们缺乏实质证据证明最早的人类与动物关系建立于何时，那么就只能用猜的。外形最接近我们的个体最早出现于10万年前的非洲。然而多数人类学家认为距今5万年前人类智力产生了巨变，当时陡然出现大量文化产物，包括艺术、音乐、武器、工具等都同时具备精巧的形式与功能。马克斯·普朗克研究院演化人类学研究所（Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology）的迈克·托马塞洛（Mike Tomasello）表示，人类智力大幅跃进的原因是因为当时人类祖先已经开始懂得揣摩其他人的心态，这是一种复杂且崭新的心理技巧。距今3.5万年至4万年之间的洞穴壁画出现了半人半兽图像，这表示人类开始将动物拟人化。詹姆斯·史尔贝尔相信，以人类角度来思考动物的能力，开启了人类驯化动物并与之产生联结的历史。史尔贝尔言之凿凿，只可惜世界上没有时光机，我们永远无法得知什么时候毛茸茸的动物开始变成我们的朋友，而非香喷喷的晚餐。

养宠物是演化后的适应结果

诚如圣经信徒所乐道的，达尔文主义者意见分歧，后者无须争辩人类是否由猿类进化而成或地球是否已有数亿年历史，毕竟这都是事实。不过我们达尔文主义者确实很爱对细节争论不休。人类为何养宠物确实和演化论中备受争议的“适应”（adaptation）论点有着密切关联。拥护适应论点的达尔文派学者认为我们远古的祖先能够顺利地从物竞天择的自然淘汰赛中胜出的关键是因为人类大脑所发展出的特殊技能，如学习语言、惧怕乱伦禁忌、企图远离毒蛇与危险，并且吸引可能的对象。

不过反对适应说的学者则指出，即便无助于个人繁衍，人类仍旧会发展出如此天性。反对派学者认为许多普遍人性皆属于意外的巧合，举例来说，人骨由钙质组成因此显现为白色色泽，而非因为女人较受苍白男性的吸引。哈佛大学斯蒂芬·杰·古尔德（Steven Jay Gould）将无生理学作用的人类特质归类为“拱肩”（spandrels）作用，也就是建筑师在建筑物之中为了美学设计考量而加入的缺乏特殊功能性的装饰构件。

我们可以试着以适应说的支持者与反对者的角度，解释为何人类女性拥有性高潮。适应派支持者（我也曾经是其中一员）至少提出过二十种理论来解释为何性高潮几乎仅发生在人类的女性身上，而非其他物种；许多解释都满令人莞尔的，好比性高潮造成的阴道收缩会将精子吸入子宫，或者性高潮带来的信号让女性借以辨识男性的优劣。而我最喜欢的其中一个理论认为，性高潮带来的晕眩让女人继续慵懒地躺着，因此精子不需费力地往上向子宫游去。反对适应派的学者则认为上述种种说法都相当可笑。他们主张女性的性高潮对男性而言有助于繁衍后代，就像雌性哺乳动物需要乳头以哺育后代，而男性的乳头则缺乏任何功能，就仅只为人类演化上的副产品罢了。

演化适应论的争辩之战也延烧到人类与动物之间的关系。我知道很多人包括许多人类-动物互动学者都希望相信对动物的爱来自人类演化后的天性，因为宠物帮助人类祖先繁殖并且存活下来。不过演化心理学者认为若某项特质为因适应环境而慢慢发展成为人类天性，那么此特质应当如同语言一般，更具有普遍性。但养宠物绝对不是个普及的概念。加州大学圣芭芭拉分校人类学家唐纳德·布朗（Donald Brown）列举出四百多种人类特性，其范围从吸吮手指到对死亡的信念都有。排行榜上包括了对不同形式的生物体的兴趣，但是养宠物却缺席了。在世界上的许多国家里，有很多人并不会与动物产生亲密联结，特别是在非洲。我的人类学者好友尼亚加·姆瓦尼基（Nyaga Mwaniki）来自肯尼亚乡村，他们村庄里的人从不会对特定动物产生情感。事实上，在他的第一母语基安布语（Kiambu）之中，根本没有宠物一词。虽然村民会养狗以防卫大象任意踩踏庭院，不过他们绝对不会让狗进屋内，也从未将狗视作同伴，如果跟他们说美国人喜欢和狗狗同床而眠，他们应该会被吓得半死。

如果我们能证明对宠物的爱具有遗传基因基础，那或可证明饲养宠物是演化而得一说。可惜，我们无法证明。行为基因学者以双胞胎为研究对象，希望由此检验某一特质是受到环境抑或基因之影响而得。若基因强烈影响某一特质，那么同卵双生的组合会比异卵双生的组合拥有更为相似的结果。借由比较这两种不同类型的双胞胎，科学家发现，人类的身高约有90％受到基因影响，快乐程度也受到一半的基因影响，至于女性性高潮也有35％取决于基因遗传。不过目前仍未有科学家研究是否同卵双生的双胞胎比异卵双生的双胞胎对养宠物有着更为相似的看法。事实上，基因是否会对我们与动物的关系造成影响仍旧是悬而未决的问题（唯一可以被确定的是人类确实嗜好肉类）。

最后，假使养宠物确实为进化后的适应结果，那么在人类历史中应该曾经发生过宠物爱好者比厌恶宠物的人更容易将基因繁衍下去的情况。毕竟以演化论的观点来看，真正的赢家就是能够成功繁衍后代的族群。事实上，尽管你的猫可以让你更开心、更健康甚至让你活得更久，但这都与演化论无涉。和宠物同住确实能提高你的繁殖能力吗？或许家中有养过宠物的女孩成年后对照料小孩会更能得心应手，因为她们曾经在饲养宠物时学习过亲职技巧。也或许有养宠物的人较能在困境中求存，因为他们至少可以选择吃掉自己的宠物。我个人猜想说不定有些女性确实会对牵着大狗的壮硕男子产生浓浓的性趣，也可能会更喜欢带着可爱小狗的草食系男子。（还记得安东尼吗？那个帅气的法国人，当他带着狗狗出场时，很多女性表示愿意和他约会。）不过我很怀疑，对于石器时代的人类来说，带着一只消耗资源与时间的宠物，真能让他们获得繁衍后代的机会吗？

宠物是寄生者吗

如果养宠物确实与演化无关，那么我们为何会与宠物形成如此亲昵的联结，又投注庞大的金钱与情绪在它们身上呢？或许我们对宠物的喜好和我们骨头的颜色一样，都是非功能性的演化副作用。我们可以参考哈佛大学演化心理学者斯蒂芬·平克（Steven Pinker）所提出的音乐理论。平克认为不管是恐蛇现象或语言，都是适应作用的结果。但他认为从生物学角度来看，所谓的音乐品位仅只是大脑结构运作下的意外结果，并无实际功用。那么我们是否可以将平克的音乐理论拿来套用在人类与动物的关系上呢？

仔细想想，美国人老爱形容宠物为毛小孩。出于本性，人类非常容易将动物视为婴儿——大大的眼睛、大大的头部以及柔和的线条。我们总是给予有着相似外形特征的动物无限的爱，或许演化确实让我们出于本能地会主动关爱和我们有着相似基因的生物，也就是人类的婴儿。不过由于本能总是以自动化的方式反应，因此也有被“劫机”的可能。举例来说，许多种鸟类都会使用被称为巢寄生（Nest Parasitism）的繁殖策略。有着褐色小脑袋的燕八哥（cowbird）会将蛋下在东菲比霸鹟（Eastern phoebe）的巢里，而倒霉的东菲比霸鹟会乖乖地孵育小燕八哥直到它翅膀长硬飞走为止。讽刺的是，这只东菲比霸鹟往往不会发现自己是达尔文圈套里的受害者，反而还会因喂养这只“假幼鸟”而获得情感上的大满足。

2005年，玛莉·珍和我就上过当。一只聪明狡猾的母猫把某只小猫留在我们门口就潇洒离去再也没出现过，而那只小猫正是我们的堤莉大人。当时我们的黄色拉布拉多犬过世约一年，我们完全没有要再找只宠物陪伴的意愿。当天下午回家时，玛莉·珍带着一脸的微笑迎接我，这时我听见客厅传来一声哀怨的猫叫声。原来她在阳台发现了一只小猫，软绵绵、毛茸茸的小猫绝对是超强的娃娃启动装置，圆滚滚的大眼睛、柔软的毛发，这太难抗拒了，我们立刻决定收养它。

我个人认为人类之所以会与动物产生如此特殊的联结，完全是因为演化后的亲职本能的转移。问题在于我们该如何解释在不同文化语境底下，人们所创造出的迥异而程度差别不一的宠物文化。或许，另一种演化论比达尔文理论更能确切形容为什么我们如此深爱自家的宠物，那就是社会演化（social evolution）。

养宠物具有传染力

我个人学术生涯的高峰大概发生在1979年和理查德·道金斯（Richard Dawkins）同坐一台巴士的时刻吧，当时车上还有一堆同样要前往温哥华水族馆的动物行为学家们。那时我刚好读完道金斯撰写的令人神魂颠倒的《自私的基因》（The Selfish Gene ），整本书都很棒，不过第十一章让我特别震撼。该章强调演化中的转变并不需要仰赖基因或生物体机制，只要生物体能够以彻底忠实的方式复制自我并延长存活度即可。以生物演化角度来看，我们称之为基因的分子螺旋式阶梯就是类似的复制机制，它利用人体本身进行复制。道金斯的说法也可以说明社会演化的作用方式，当人类心理察觉部分资讯的存在并且刻意通过模仿进行复制来传递此资讯时，就完成了社会演化。大概复制机制听起来没有任何科学重量，道金斯将此假设性的文化传递机制称为模因（memes），此词不但与基因押韵，也暗指了希腊文中的“回忆”一词。

模因无处不在。有些模因很小（譬如把棒球帽反戴），也有些是十足悲剧性的（日本曾短暂流行过陌生人聚集在密闭厢型车内集体自杀的风潮），有些则具有伟大性（例如艺术作品）。那种让人过耳不忘的流行歌可称为模因，很帅的球鞋或某种政治潮流亦是。我们的祖先借由复制其他人的行为传播模因，不过当符号语言出现后，模因更大力地推进了人类演化史。现在，模因以广播、电视、网络为媒介，高速传播至全世界，最新的模仿运输模式则是简讯对话所使用的火星文，一种让人感到莫名其妙的文字——“plz”。

事实上“模因”一词本身正是最成功的模因现象。10分钟前，我试着用Google搜寻“模因”一词，结果找到3.5亿笔资料，这一单词早已正式进入《牛津英语大辞典》。昨晚，某个电视节目评论者称一丑陋的政治抹黑事件为模因。虽然许多科技怪咖、时髦潮人和部分哲学家都认同道金斯的理论，但是文化演化论里的真正专家，也就是人类学界则对此概念不表苟同。他们认为模因的定义太过松散粗浅，对比基因一词，显得过于草率。而人类文化的前进亦无须通过假设性的复制行为。

我对模因概念的真实性尚且持保留态度。但是人类的行为与概念确实具有感染性，而当我们谈论文化在人类与其他物种间关系之中所扮演的角色时，模因确实是极具功能性的象征用语。以模因概念理解的话，养宠物确实是如火燎原般的文化模仿。这听起来似乎太过牵强，但是似乎有许多强烈的证据足以佐证此说法。

第一，由于人们必须通过学习而传递模因，因此家庭成员间很容易有此交流。信天主教的父母通常会教养出信天主教的小孩，接受割礼的父亲通常也会让小孩行割礼。同样，如果在养宠物的家庭长大，以后也极可能成为爱宠物之人。此外，家里养猫的，以后更可能继续当猫奴，家里头老有狗狗奔跑的，或许未来仍旧会独独爱狗。

第二，每个社会在对待宠物的方式与态度上有着极大的差异，此点和模因说法不谋而合。爱丁堡大学的达林·科诺贝尔（Darryn Knobel）以斯里兰卡岛上的养狗模式作为研究主题，斯里兰卡社会文化相当多元化，并且拥有全世界最高的狗密集度。在斯里兰卡，宗教信仰决定你是否养狗。在首都科伦坡约有89％的佛教家庭养狗，而在伊斯兰教家庭，养狗的比例仅有4％。斯里兰卡佛教徒养狗比例比伊斯兰教徒高了20多倍的事实说明了，伊斯兰教徒较少受到养狗模因的影响，但此模因概念却深植于佛教徒心中。

此外，如同其他种类的文化变迁，宠物模因也可以快速传播。数个世纪以来，日本家庭惯常出现的宠物为金鱼和关在笼中的鸟。然而，第二次世界大战以后，当日本人开始大力拥抱美国文化，养狗开始蔚为流行，今日约有1/4的日本家庭养有狗。在中国，20世纪90年代宠物增加的数量堪比北京肯德基连锁店开设的热潮。现今，约有10％的中国城市居民养有宠物，近十年来，中国人每年花费在宠物身上的金额从零节节上升至近10亿美元。

宠物之爱与单一因果迷思

许多科学上的争辩都来自错误的谬见，那就是——如果对一现象的某个解释是正确的，其余的皆为错误答案。我喜欢简单的解释甚于复杂的解释，而且我希望可以用一个简明易懂的答案说明人类为何深爱着宠物，但却事与愿违。

动物学者时常以两种原因解释动物行为，近因（proximate）与远因（ultimate），这也适用于人类与动物的关系上。近因解释专注于行为“如何”出现，它们如何运作、发展以及背后的神经与心理学机制。如果有科学家主张人类热爱动物的主因是血液内的荷尔蒙催产素激发内在心理的被需要感，那么这就是养宠物的近因解释。相反，远因解释企图找出行为背后的原因。它们的功能为何？如何进化而得？以及它们如何帮助人类祖先存活并繁衍下一代。若认为养宠物为人类亲职本能反射下的副产品，此即为远因解释。

重点是，我们可以同时使用近因解释与远因解释反映养宠物背后的原因。我有无数个爱堤莉的原因，或者是它的大眼睛，又或者是它婴儿般的特质，触动了人类遗传自祖先的基因中本有的亲职本能。这可说是人类养宠物的远因解释。不过，我就是很爱和堤莉玩激光笔追逐赛，有它在可以填补玛莉·珍不在家时的空荡感。堤莉确实太过好动，常让我惊吓连连（它可以三秒跳上萸树）。总之，它早已在我心中占据了无可取代的地位，以上都可以说是我如此深爱堤莉的近因解释。

不过针对人类为何养宠物所提出的不同说法，也反映了不同学科的偏见。临床心理学医师认为，人类养宠物是因为希望自己感到被爱。生物学家认为宠物饲养为巢寄生的变形。也有些社会学者认为宠物为人类社会关系建构的一块砖，那就是为什么狗在堪萨斯州会被视为家人，在肯尼亚被当作贱民，而在韩国又成为热腾腾的午餐。总之，人类对宠物的爱可说是最亲密的人类与动物互动关系之一，其背后的原因复杂而多元。宠物除了让我们感到被需要以外，也可以在我们低落时提供情感支持，不过同时它们也确实为社会建构的一部分元素，并且偷偷地以巢寄生方式入侵我们的生活。

别难过，堤莉。不管你是人类社会的一块砖或寄生者，我都爱你。反正我早就染上了一种想把狗狗猫猫带回家并把它们当作自己小孩的传染病。

小甜心，还想吃些饼干吗？

注解：

[1] 　笛卡儿，17世纪法国数学家、科学家和哲学家，人称近代哲学之父。他认为所有的物质实体，包括人的身体，都是按照机械原理工作的机器。他于生理学研究解剖动物躯体，以显示它们的各个部分是如何运动的，因此开创活体解剖术——译注

04
朋友、敌人还是时尚宣言
人与狗的关系

我喜欢陪狗玩。当人开始慢慢变老时，会忘了怎么玩耍、嬉闹或是活在当下。但狗狗让七十八岁的我记得并享受这些感觉。不管是它们的微笑、不停摇摆的尾巴还是亲亲，都说明了一切。

心理治疗师鲁比·本杰明（DR. Ruby R. Benjamin）

如果狗会说话，那就无聊了。

歌手鲍勃·迪伦（Bob Dylan）

“不要离栅栏太近，它会咬你屁股噢。”

我赶紧移动脚步。

它是马弗里克（Maverick），一只98％基因为狼，2％基因为犬的动物，和我说话的是新月农场（Full Moon Farm）的南希·布朗（Nancy Brown）。此处占地16英亩（约64750平方米），位于北卡罗来纳州黑山附近，为狼犬的收容所（不过南希从不认为它们是狼）。有些狼犬自受虐家庭中被营救而来，也有些狼犬被野生动物管理员或动物控制专员带来此地。还有一只狼犬来自马里兰州，一开始主人还以奶瓶喂养襁褓中的它，等它长大时却猛爆践踏屋舍，导致一万美元的重大损害，之后就被主人带来此处。

新月农场距离九号公路约有16公里车程，我沿着二线道柏油路开着车，瞬间想起了30年前蓝山山脉尚未被封闭型现代社区填满的年代。沿途经过浸信会教堂，接着进入岩溪镇，眼前尽是坍塌的谷仓和志愿者救火队基地，往左继续前进，忽视眼前的此路不通的招牌再开几公里路，往右转接上尘土飞扬的泥道。当你看见告示牌写着：“私人土地。此处乃为动物所设之社区，以保其安全与舒适。不喜者恕不接待。”目的地就到了。

动物们听见我的到来后群起吠叫，此时我尚距离农场有400米远的路呢。它们的声音听起来颇猖狂诡异，让人联想到西部电影。不过在接连不断的嚎叫声中，又夹杂着几声类似普通黄金猎犬的温和叫声，这和在蒙大拿山区或意大利偏远山区会听到的野性嚎叫声可说是大不相同。一直到我熄火前，由70只激动的动物组成的合唱团各自高昂地表达对入侵者的不满，而它们迥异的吼叫声更凸显出不同动物在演化路程上的先来后到（从野生到驯服）之别。

南希手中拿着咖啡走了出来，并自我介绍。不过狼犬们仍旧扯着嗓子嚎叫。而她竟然可以从吠叫声中辨别出每只狗来。当我们在讲话的同时类似这样的字句会突然插了进来：“你有听到吗？它们在吵架。那是艾利斯。嗨，古尼韦尔。闭嘴，奥图！”当南希发飙时，有些狼犬会挺直身子，并竖耳聆听，不过，许多狗则毫不理会。狼犬们对陌生人的出现相当敏感，全身僵硬得像是斑鸠琴上的第五根紧绷琴弦一般。它们并没有攻击意图，只不过脾气稍嫌暴躁罢了。

第一眼看上去，所有的狗都像是纯种的狼。有些狼犬的皮毛为雪白色，也有些呈现斑杂褐色或黑色以及灰色，而它们绝对有着十足的魅力与气势，虏获你的眼光。不过当南希开始向我解释它们在外形上的差异时，我也慢慢地开始可以分辨狼犬的差异。如果狗的血统较多，那么脸会较宽、耳朵较厚、腿也会更加粗壮，同时也比较爱吠叫。而蓝眼珠也是来自狗的基因。基本上“98％纯种”的狗绝对可以称为犬界的詹姆斯·迪恩（James Dean），享受狼狗爱好者的倾心爱慕。

南希表示狼血统较高的狼犬很难被驯服，相较之下，狗血统较高的狼犬会比较好相处。如果你有一只狼血统较少的幼狼犬，经过合适的训练，或许最后还能给它挂上狗链，并和它一起玩耍，它也不会三天两头盯着围篱准备撕烂邻居的猫。换句话说，你的狼犬有可能成为不错的居家良伴。

不过南希也警告我种种的一切都像是赌注。即便狼血统较高的狼犬，若遇到合适的主人，也可能成为绝佳的宠物。南希带我去看马弗里克（98％为狼）与它的好友米基（Mikey），两只狼犬证实了南希的说法。当南希靠近时，两只狼犬立刻开始撒娇，绕着她打转、玩耍、磨蹭。一人两犬的画面十足美好。不过就算是在她最疼爱的狼犬面前，南希还是坚守原则。她绝对不会让狼犬超过自己头部，也不会和它们玩拔河。我问南希有多少比例的收容狼犬最后有可能回归家庭生活，她抬头思索了一会儿，在脑海里盘算了一分钟左右后说，“4只”。这听起来不是太乐观，毕竟现场总共有70多只狼犬。

宠物狼犬在法律上仍旧处于模糊状态。在北卡罗来纳州，任何人都可以饲养狼犬，但也有许多州禁止饲养。宾州将狼犬定位成野生动物，你必须取得特殊执照才能于自家饲养狼犬。然而，居住于宾州塞勒姆的桑德拉·皮奥维桑（Sandra Piovesan）并没有将自己的9只狼犬当成新奇的野生动物，她将狼犬登记为狗，并把它们看成自己的小孩。就在桑德拉和邻居闲聊狼犬给她“无限的爱”数周后，人们在围栏内发现她惨被狼犬猛烈攻击的尸体。

这起意外绝非个案。1982年至2008年之间，北美洲共有19人遭狼犬攻击致死，而仅有9人被德国牧羊犬咬死。不过，毕竟德国牧羊犬的数目远比狼犬来得多。独立报社《动物人》（Animal People ）编辑梅里特·克里夫顿（Merritt Clifton）表示，狼犬攻击或杀害幼童的概率比德国牧羊犬高了60倍。然而，狼犬迷耳根子很硬。对他们来说，那只是对狼犬的误解，而它们的美好远远被大众低估了。

从新月农场开往回家的路上，我情绪激动。狼犬确实很惊人，而我也很感动于南希如此悉心地照料它们，毕竟如果没有新月农场，这些狼犬都会被安乐死。然而这些介于凶悍掠食者与宠物之间的狼犬却能在此享受快乐的生活。我的身上似乎也沾染到了狼犬的凶猛气味，我感觉自己像是与重机帮派厮混了一整天的记者。

傍晚惊魂未定的我先缓缓散了个步，然后再去找朋友珍尼特（Jeanette）和她的混种狗宾蒂，宾蒂是她从收容所救回来的小狗。宾蒂满怀期待地抬头望着我，我立刻弯下腰搔了搔它的耳后，就在这一瞬间我感到彻底放松了。我实在不敢想象宾蒂和我今天一整天相处的灰色野性动物之间仅有微小的DNA碱基对差异。

走秀犬的奇妙世界

如果想了解人类如何让狼的基因混种成各种不同形式的狼犬，不妨参加每年由美国养犬俱乐部所举办的全品种犬赛。每年夏日美国养犬俱乐部在艾许维尔市举办此盛会，并吸引全国将近1500只狗、狗主人、职业训练师前往参赛。有些主人会坐飞机，也有些人会开着大型露营拖车或小型拖车前来。此时的西北卡罗来纳州乡村中心停车场已经涌入了无数的躺椅、瓦斯烤肉架以及移动式围栏。摊贩吆喝兜售着仅有一口大小的狗点心，让狗在上场前保持精神抖擞的状态；另外也有专给大麦町犬和圣伯纳犬吃的大骨头；梳狗毛发成套用具、乳液、洗发精以及营养补给品；狗蝴蝶结与发夹以及给饲主穿的绣有犬种肖像的袜子。

裁判、赛场管理人员、饲主以及观众在主场间来回穿梭，饲主忙着帮狗梳发、剪指甲、拨开掉在狗狗脸上的杂毛，或是把新芬兰犬脸上的口水擦掉。狗主人看起来与一般人无异——男女各半、退休人士或小孩，都准备好要参加少年犬表演赛，令人惊讶的是，整个展场意外地悄然无声。现场约有一千只狗准备上台，成为镁光灯的焦点，我不但看不到任何粪便，除了一两只古灵精怪的吉娃娃犬以外，几乎听不见狗的吠叫声。这些绝对是职业级的狗。

我在后台随意走动、拍照，并和狗主人谈谈狗。饲主们就像这些年来我所访问的宠物主人一样，只要一谈起宠物，眼睛就闪闪发亮。这就像父母谈论自己的小孩一样。狗主人通常都很友善，而他们对宠物的爱也相当具有感染力。

然而，赛场里有一件事让我感到奇怪。我发现有位穿着得宜的职业训练师坐在一只黄褐色的大麦町犬旁，准备带大麦町犬上第四舞台展示。她前方的桌上摆着一包小熊软糖，就是有着缤纷颜色、小孩最爱嚼的那种。那位女士抓了一把软糖丢到自己嘴里嚼了几下后，吐出一团湿湿糊糊的高糖分软糖泥后，面无表情地把它放进狗狗的嘴里，呃……

当天下午，我看见另一位来自新奥尔良的金发女训练师也给身旁可爱的黑白日本种犬吃咀嚼过的小熊软糖。“噢，对啊，”她回答我的问题，“职业训练师都会这样做，这让狗狗认识你，通常我会用鸡肉。”她指了指运动臂套里装着的10厘米厚的大块烤鸡肉。当她带着狗走上舞台时，她将整块鸡肉塞进嘴里，就像是印第安人咀嚼烟草般嚼着。当裁判接近黑白日本种犬时，她把鸡肉吐出来，并拿到狗鼻端前晃动，接着又把鸡肉塞回自己嘴巴，狗立刻抖擞起来。

我当天还挺幸运的，恰巧碰见正在为小哈瓦那犬梳毛的巴布·贝塞尔（Barb Beisel），她不但是专业的狗训练师还是育种专家，她答应接下来的两天里我都可以跟在她的身边，一窥犬选秀的门道。巴布把我介绍给几位裁判与顶尖的训练师：数十年来专门负责展示顶级德国牧羊犬的吉米·摩斯（Jimmy Moses）以及专门负责照料纯种白色贵宾犬瑞米的克里斯·曼内洛普洛斯（Chris Manelopoulos）。七个月后，我在国家电视台看见两人都带着他们的狗参加西敏寺犬比赛，瑞米参与的是非运动项目组，不过很可惜，它却是因为输给屋诺（有史以来第一只赢得选秀赛最佳大奖的米格鲁猎犬）而上了报纸头条。

即便在艾许维尔市举办的选秀赛，大部分参与的训练师也是顶级好手。若你希望由训练师带着你的狗狗上场，那么至少需要花费50至100美元。除非你真的很了解犬选秀的一切，不然让专业训练师打点一切真的是不错的选择。巴布说即便非常优秀的狗也很难在没有专业人士带领的情况下完美走秀，并赢得裁判的青睐。

以前巴布是保险员，后来才成为全职的专业训练师。她有着一头银灰色的秀发、闪露出光芒的眼睛，看起来挺像灰姑娘故事里的神仙教母。不过当她牵着狗走进舞台上时，就完全流露出了职业级好手的气势。由于狗的现场表现几乎就是得胜关键，因此所有极富国际犬界声望的饲主都希望雇用巴布，让狗的表演更为出色，并赢得奖金。每当巴布遇见她的新客户，特别是她认为有冠军犬潜力的狗时，她会先教狗狗如何在裁判前展现自己的优势——保持警觉；当巴布把手中鸡肉放到狗鼻子前时，代表要紧紧跟着她；当裁判开始观察狗狗肩高与牙龈时，还得保持耐心。接着，她就会用拖车带着狗进行参加全国巡回赛，直到它们赢得足够的累积分，并夺取冠军为止。巴布总是四处旅行，她开着露营营地车参与全国大小赛事，随行的通常有数十只顶级的猎犬、助理玛丽（Marie）以及一只年老的鼬鼠。

巴布热爱狗，当然她也有自己的偏好。她特别喜欢小型犬——可爱、精力旺盛的小动物，总是发出尖锐的叫声，有时又蜷缩成一个小毛球呼呼大睡。当巴布正在跟我说明为2.7公斤重的约克夏犬梳发会给它的健康带来什么好处时，一名训练师带着一只尺寸堪比小型马的獒犬走来，那只獒犬的睾丸几乎有约克夏的头那么大了，巴布瞄了一眼那狂流口水的猛兽后默默说道：“我真不懂为什么有人会爱这样子的动物啊。”我想獒犬主人八成也完全无法理解为什么巴布一个下午要帮那小娃娃狗梳20次的毛啊。

从狼变成赛犬的过程

究竟要怎么做才能将南希·布朗家里凶神恶煞的狼犬，培育出巨大的獒犬或是像小精灵般的约克夏犬呢？灰狼如何变成全世界繁衍出不同后代最多的哺乳类动物？一只獒犬可以重达90公斤，而最迷你的约克夏犬大概只有0.9公斤重，这两者之间的差异堪比我和一只非洲象的差别。国家生物学会的分子生物学家海蒂·帕克（Heidi Parker）与伊莲·奥斯特兰德（Elaine Ostrander）认为犬类的驯化可说是人类史上最庞大的基因实验。更神奇的是，就在演化之神的眨眼间，犬类发生了巨变。

查尔斯·达尔文认为现代犬类为土狼、狼与豺狼的混种。达尔文大错特错。据科学界所知，住在你家里的狗狗的祖先，不管它是贵宾犬或是罗威纳犬，祖先都是灰狼。事实上，狼是最早被驯化的动物，这点相当合理。狼和人一样是社交型动物，在日间出没，并跟随领导者的脚步。选择与以两脚站立、没有毛发的生物一起生活，绝对是犬类所选择的绝佳策略，直到今日至少有四亿只狗狗存活在这世界上，而相较之下灰狼的数目仅有数十万只而已。不过，我们的祖先在何时、何地又因为什么原因决定与这掠食性动物一起生活的呢？

首先是时间点的问题。正确答案为距今不久之前。我所认识的每一个狗主人都会在家里摆放狗狗的照片。如果我们石器时代的祖先们和我们一样爱护狗狗的话，应该也会想记录下它们的身影吧。不过，他们显然没有这么做。旧石器时代的惊人壁画描绘着栩栩如生的驯鹿、水牛、马、长毛象、野山羊、犀牛、熊、狮子、鹿，有时他们也画鱼和鸟。不过犬类生物并没有出现在此时期的艺术作品里。如果希望寻找人类与狗开始同住的时间点的话，我们必须好好检验骨骸和基因。类人类族群早已与狼共存于世近50万年，不过没有任何迹象显示人与狼之间能够保持友善关系。直到最近我们才从化石中找到人类与近狼犬之间的友谊证据。驯化往往可以彻底改变一个物种。首先，狼的体形变小了。伦敦自然史博物馆（Natural History Museum in London）的朱丽叶·克劳顿-布洛克（Juliet Clutton-Brock）认为此为怀孕期营养不良后的适应结果，母狼产出体形较小但总数较多的幼狼。相较于狼，早期的狗有着较小的下巴、更拥挤的牙齿、宽脸、短鼻。它们和许多驯化后的动物一样，都比原始祖先拥有较小的脑部。简言之，所谓的狗，外貌上就是小型的狼。

依照化石推断，家犬出现于距今1.4万年至1.7万年之间。第一个最能证明人类与狗之间友好交流的化石出土于以色列北部，一名老妇人被仔细地安葬在狗旁边，一人一犬作深情拥抱状，此化石距今约1.2万年。欧亚石器时代后期狗们开始成为频繁出现的角色了。到了1万年前，狗们开始在新世界自由地奔跑，并伴随人类穿越西伯利亚陆桥抵达北美洲。狗们花费了近四千年才从阿拉斯加往南移动至巴塔哥尼亚半岛。

考古学家靠铲子、牙医镊子以及沾满尘土的靴子吃饭，而分子生物学家则穿着实验室长袍，企图通过DNA聆听生命所发出来的讳莫如深的隐约信号，解释犬类进化的秘密。对后者而言，已成为化石的牙齿或下巴碎片并非他们的研究材料，通过母亲而传递千万个世代的线粒体基因才是。线粒体基因和细胞核基因不同，后者在卵子遇上精子时，即将基因特质传给下一代。线粒体基因漂浮在细胞质膜液体中，将有机物质转化为能量。对进化生物学家而言，最重要的是，所有的线粒体基因都来自母亲。线粒体基因和普通DNA不同，不会在卵子与精子结合时随机交换，除了特殊的突变（mutation）状况以外，世世代代都会拥有相同的线粒体基因。

基因学家往往运用线粒体基因的突变概率，计算新物种出现的时间、地点以及品种来源。1997年，一篇出现在《科学》（Science ）期刊上的文章让全世界所有关注狼从何时转化为犬类的人大为震惊。加州大学洛杉矶分校的罗伯特·韦恩（Robert Wayne）所率领的团队分析了67种狗类的线粒体基因，以及狼、土狼和豺狼的DNA 。研究团队以分子时钟进行推算并认为灰狼大约于10万至13.5万年前之间开始突变为犬类，这比犬狼分界的化石证据足足快了十倍。为什么此推论与先前的估测差距如此之大？究竟问题何在？事实上，分子时钟和普通时钟的准确度都操纵在你如何设定它，而加州大学洛杉矶分校的团队或许以较为宽松的方式定义时程。多数的生物学者都相信狼于1.5万年至5万年前之间突变为犬，此说法也与目前的考古证据互相吻合。

最早出现的狗是宠物还是专吃垃圾的偷儿

人类动物行为学者对狗与人类如何开始共同生活有着不同的看法。宠物理论大约如下：石器时代猎人佛烈德·燧人氏在某天傍晚的狩猎时间时，从狼窝里抓回一只幼狼，准备当作晚餐。正当他准备将小灰狼丢进炭火烧烤时，他的太太威尔玛恰巧和可爱的幼狼四目相接。顿时，威尔玛的母性大发，她把小狼抱走甚至将它视如己出，说不定还喂它喝奶。幼狼凶猛的天性因此被驯服，若以比尔·门罗（Bill Monroe）的歌词形容的话，那就是“一位温柔女性的爱”征服了一切。就这样，小灰狼成为人类第一个圈禁豢养的伙伴动物，小狼不久后又怀了小狼，在一代又一代的驯化狼的演变下，狗就慢慢诞生了。

罕布什尔学院（Hampshire College）生物学家以及狗拉雪橇赛者雷·科平格（Ray Coppinger）对此说法抱持怀疑的态度。他认为此说法近似“小木偶奇遇记”，认为狼可以像小木偶一样，因为仙女的神仙棒挥舞几下就从木偶变成小男孩或是家犬。科平格认为此犬种起源说忽视了狼性难以驯服的特点。这也是为什么我们无法在马戏团看见狼表演的缘故。科平格认为狼确实可以学会一些小伎俩，也能够慢慢接受被铁链牵着行走，但是这和真正驯服的动物有着极大的差异。其他研究者则发现即便由人类抚养长大的幼狼，仍旧不会像狗一样对照护者产生情感。它们终究享受尽情地嚎叫，甚至毫不留情地啃咬喂食者的双手。

不过若人类没有驯服狼，那么它们怎么会成为人类的伙伴呢？科平格认为它们是自我驯化的。他发现人类结束游牧时代开始定居生活的时间点恰巧与狗的出现时间相重叠。定居生活所产生的大量废弃物对拾荒者来说等同于金山银山。对人类较不惧怕的狼相对地能捡拾到更为有营养价值的废食，这点我们可以在伊斯坦布尔、墨西哥城以及拉哥斯垃圾场或郊区的野狗身上，看到相似的状况。愿意捡拾人类剩食的狗通常会比其他凶猛的竞争者得到更强的营养补给，也能孕育更多的后代，而它们所生下的后代往往也因为基因关系较不惧怕人类存在。经过一代又一代的繁衍，驯化的动物可以得到更多的食物，也因此更能接受与人类同住。通过自我驯化，狼类的自然选择机制让懂得对陌生人吠叫、愿意吃人类剩食，也懂得与人类玩耍的后代，从淘汰赛中胜出。

与狗一同猎捕鬣蜥

或许科平格说得没错。我曾经看过人类如何运用狗进行小型狩猎，当时的情形应当和史前人类所面对的状况差不了多少。我的研究所朋友贝夫·杜根（Bev Dugan）花费了数年时间在巴拿马丛林研究鬣蜥的交配策略。她面对排山倒海的挑战：几乎所有的鬣蜥看起来都很像爬虫版的基思·理查兹（Keith Richards） [1] ，此外，它们几乎一整天都待在树顶。如果贝夫希望好好完成此研究计划，那得把鬣蜥先抓下来做好记号以后再放回。但是你要如何捕捉逍遥在热带雨林穹顶的生物呢？

这时就得仰赖狗了。

另一位研究员将非常擅长捕捉鬣蜥的当地人皮福与凯萨介绍给贝夫。当我到研究基地拜访贝夫时，她邀请我参与了一次野外突袭。皮福带着一只棕色、短毛、卷尾巴、尖耳的中型杂种犬过来，它看起来就是处处留情的野生狗。雷·科平格称这类型品种为“自然品种”（natural breeds），此野犬外形让人联想到澳洲野狗，其踪影遍布坦桑尼亚与以色列，直到南加州海岸边。皮福的这只中型犬不但是伙伴动物，也是狩猎的帮手。他不断地和狗说说话，抚摸它，并用桌上剩下的食物让它填饱肚子。

当鬣蜥出现在树梢进行日光浴时，意味着狩猎行动就此展开。猎犬矫捷地奔上树身并小心翼翼地移动步伐，全身保持警觉状态，眼睛一眨也不眨地看着鬣蜥。凯萨猛烈地摇动树枝，鬣蜥瞬间掉落树梢直直往18米下方的树丛而去。就在刹那间，狗已跟了上去。人类的速度远远落后于狗和鬣蜥，好在有皮福的狗，狩猎行动空前成功。

凯萨与贝夫紧紧跟在猎犬后方，我慌慌张张地跟上队伍的脚步。狗已经把鬣蜥逼到死角，说时迟那时快，贝夫赶在狗要吞掉鬣蜥前抢先行动把鬣蜥压制住。公鬣蜥身长可达1.8米。它们可以用尾巴鞭打来敌，也可以用爪子抓伤你的脸。被鬣蜥撕咬绝对不是一件好玩的事。贝夫通常都可以在人类女性对决鬣蜥的摔跤赛中得胜。当她控制住场面后，会先测量鬣蜥体重，检查其生殖状况，做记号，再放生。

贝夫和猎犬合作无双。若皮福带着狗参加猎蜥行动，那么一天少说可以捕捉到10至20只。而当凯萨与皮福没有参与研究室行动时，则会带着狗出去猎捕鬛蜥，并当作晚餐。当他们抓到鬣蜥时，会从它的前脚拉扯出肌腱并以此捆绑住它的四肢束在背后，接着，他们会用长刺戳穿鬣蜥的脑袋，直达脊髓。

科平格认为纯种狼过于凶猛，根本无法与人类共同合作进行狩猎。自从上次和南希·布朗的狼犬们共处后，我还挺同意这个说法的。事实上，最能佐证科平格的家犬演进理论的则是一项针对狐狸进行的大规模基因实验。

从野生到驯服：狐狸如何能变得友善

20世纪50年代中期，基因学家德米特里·贝利亚耶夫（Dmitri Belyaev）因在科学论战中败北，惨遭莫斯科毛皮动物育种中央研究院革除职位。1959年，贝利亚耶夫接掌西伯利亚动物研究室院长，并开启了长达40年、研究超过4.5万只动物的银狐实验。此实验彻底改变了科学家对动物驯化的看法。

贝利亚耶夫以选择性育种方式选出最温驯近人的狐狸。他在动物农场里测试幼狐对人类的反应，并选出最温和的公狐与母狐进行配种。一开始，几乎没有任何狐狸能符合贝利亚耶夫所设定的“亲近人类”的标准，但是当他育种至第十代狐狸时，约有20％的狐狸性情温和，到第四十代狐狸时，已有80％的幼狐绝对温驯。贝利亚耶夫所选配出的狐狸性格温和到会亲舔人类的脸庞，通常普通的野狐可是会撕烂你的脸。

贝利亚耶夫培育出的温驯狐狸相当可爱。这可是一件大事，重点是，在贝利亚耶夫的温驯育种计划中培育出的狐狸在外形与行为上非常趋近于狗。经过世代的交替，贝利亚耶夫培育出的狐狸（简称贝利亚耶夫狐狸）的耳朵越来越松软、尾巴卷曲，它们的皮毛开始混有褐色（早期狗类的可能颜色），有些狐狸的脸上还出现了狗脸会有的白色斑点。这些狐狸的脸变得较短、较宽，换言之，它们变得更为可爱。它们的举止与野生狐狸相差甚大，贝利亚耶夫狐狸会在人类呼唤它们时摇晃尾巴，这点和我的拉布拉多犬莫莉（Molly）一模一样。此外，狐狸的生理状况也起了变化。相较于普通狐狸，它们拥有较低的压力荷尔蒙皮质醇（stress hormone cortisol），而它们的神经元也在大脑中制造了较多的天然抗忧郁物质。难怪它们的性格如此温和。

为什么毛皮的变色以及尾巴的卷曲程度会和性格的温和度成正比呢？这点我们无从得知。但是不管是束带蛇或老鼠，其行为与色泽之间确实具有彼此关联的基因组合。而贝利亚耶夫驯狼的过程是否仰赖少数联结基因抑或单一基因完成，这点仍旧为未知数。

狗懂得我们在想什么吗

当我听到北卡罗来纳州的吉他手多克·华森（Doc Watson）弹奏时，一阵酸麻袭上左肩，并一直延续到脖子侧边，接着起了一阵鸡皮疙瘩。夏威夷人向来称这类型音乐为“鸡皮音乐”。作为一个科学家，我必须时常阅读学术期刊里的文章，里面有太多让人昏昏欲睡的论点，不过偶尔也有些论文会让我全身起鸡皮疙瘩。就在2002年时，我的研究所同事给了我一篇他大学室友迈克·托马斯洛所撰写的未发表科学手稿，托马斯洛为发展心理学家以及位于德国莱比锡的马克斯·普朗克研究院演化人类学研究所的协同创办人，该篇文章不久后随即刊登于《科学》期刊。托马斯洛分别比较了狼、猩猩与狗分辨人类手势的能力。当时该计划主导者为一名26岁的毕业生布莱恩·黑尔（Brian Hare）。

为了充分理解此计划的重要性，你必须先具备与大猩猩相关的知识，它们是与人类最相近、最聪明也最具备社交活动技能的基因近亲。然而，大猩猩和其他非人类哺乳类动物一样，几乎无法遵照人类的手势取得食物。即便由人类亲手养大的黑猩猩也无法通过眼神与手指示意辨别出食物所在的位置。由于脑容量较大的黑猩猩在这方面也表现得相当不如人意，因此你恐怕会断定拥有较小脑容量的狼八成也会表现拙劣。或许你的想法是对的。也或许你会认为脑容量比狼还小1/4的家犬表现得会更为差劲，那么你就错了。

杜克大学（Duke University）的研究者使用非常简单的选择测验，证明家犬天生就懂得人类手势。他将食物藏在两个碗中，研究者会轻敲、指点并以眼神暗示藏有食物的其中一个碗。如研究者所期，大猩猩与狼很快就感到一头雾水，它们只能随机猜测左方或右方的碗藏有食物，其准确率只有50％。而狗的表现则大为出色。当研究者给予狗三种方式的指引时，它们正确指出食物所在位置的概率高达85％。

究竟是天生还是后天环境因素让狗表现得较为出色呢？黑尔认为答案是前者。他认为演化已让狗拥有阅读人类心思的特殊能力。然而，近年来学者不断争辩狗与狼相异之处的背后原因。佛罗里达大学犬类研究者克莱夫·韦恩（Clive Wynne）驳斥黑尔的见解。他认为狼与犬的相异之处来自社会化过程。亚当·米克洛希（Adam Miklósi）所领导的哈佛研究团队发现，人类确实可以通过训练让狼了解手势含义，只不过相较于犬类得花上将近十倍的时间，以及更多的社交沟通。

近来有不少科学家开始研究犬类心智，而犬类行为研究中心更如雨后春笋般冒出。由于家犬拥有高超的阅读人类动机的能力，并能对实验做出足够的反应，因此成为研究者理解社会行为与沟通的演化发展状况的绝佳实验对象。如同耶鲁大学的保罗·布鲁姆（Paul Bloom）所言，对知觉行为学领域而言，狗已取代了大猩猩的角色。

几乎每个月《科学》《动物行为》《比较心理学月刊》与《动物知觉》等科学期刊都会刊登关于犬类脑力的研究报告，其内容往往相当出人意料。德国一只名叫瑞可的科利牧羊犬能够辨识近三百个词的含义，还能在单次试验中成功学会新的单词。巴西的科学家教导狗使用键盘，而狗能以键盘表示自己想玩、想吃、想被抚摸或想散步的心情。维也纳大学研究者发现狗可以分辨主人正在看它们或是看电视，而当主人在看电视时，它们捣蛋的心情会更加强烈。此外，狗也很会模仿。举例来说，当主人打呵欠时，它们也很容易想打呵欠。而当狗试图要解决生活问题时，它们也倾向模仿成功者，而非失败分子。

灵犬莱西会怎么做呢

许多研究显示狗类确实拥有不凡的能力。但我们是否对这些脑容量仅仅数百克重的动物要求太高呢？数千年来，人类已善于运用狗类智慧进行工作，不管是训练科利牧羊犬赶羊或是训练猎犬站岗。除了狩猎与畜牧外，现在的人们还希望狗能嗅出炸弹、毒品或膀胱癌。狗能帮忙寻找失踪儿童、腐烂的尸体、警告失聪的主人于火灾时逃难，并带领失明者在城市内穿梭而行，甚至还懂得在特殊情况下运用智慧，反抗主人错误的命令。有很多人甚至认为狗具有神秘的能力。有一半以上的英国或美国狗主人认为宠物有着灵验的第六感，能预知自己即将回家。

人们热爱好狗能将自己救离困境的想法。当我还小时，灵犬莱西正是我的理想宠物原型。我家的米格鲁犬波士科虽然调皮好玩，但是只有莱西会在美洲狮攻击你时前来救援，你掉落井里时会赶快通知爸爸来救你，也会在谷仓起火时大声吠叫。〔许多人仍旧有着这样的执念，你可以试着用google搜寻“勇狗救主”（dog saves owner）。〕

西安大略大学（University of Western Ontario）心理学者比尔·罗伯茨（Bill Roberts）对无数的狗营救主人的新闻印象深刻。比尔知道曾有社会心理学者刻意制造实验环境，观察实验对象如何营救陌生人脱离险境，他认为自己可以营造类似实验测试狗是否会在危难状况时搭救主人，向外求援。很幸运的是，罗伯茨的学生克丽斯塔·麦克菲森（Krista Macpherson）为犬种培育师与训练员，并拥有许多途径能够联系狗主人与其宠物。她与罗伯茨开始一项被我称为“莱西！快去找人帮忙”的假设性实验。

研究者要求数十名狗主人牵着狗经过一片草坪，草坪上有位陌生人正坐在椅子上阅读（此人亦为研究团队的一员）。当狗主人步行约9米后，会突然紧抓胸口、昏倒、躺在草地上动也不动地装死。当然电视影集里的灵犬莱西此时必然会知道主人情况不妙，它会吠叫数声，并冲向陌生人，拉扯他的衣袖。不过在此情况之下，真实世界的狗，像是我养的米格鲁犬波士科会有如此能耐吗？

答案是：否。没有一只狗试着要为主人寻找救兵。当实验移到室内时，情况也仍旧半斤八两，比尔在实验室里假造了会崩塌的书架，并安排主人貌似被书堆淹没动弹不得。结果，即便连科利牧羊犬都无法通过“莱西！快去找人帮忙”的测试。

然而，有些品种的狗确实较能判断人类心思与回应指令。举例来说，位于布达佩斯的亚当·米克洛希研究团队发现黄金猎犬与牧羊犬都被选择性育种成为能与人类共同工作的伙伴动物，相较于被要求独立工作的猎犬，前者较能成功地理解人类的手势并且发现食物的藏匿地点。这点似乎并不让人意外。比较让人吃惊的是，有着较短鼻子、较宽脸颊的短头颅犬种如斗牛犬、拳师狗、哈巴狗竟然比鼻部较长的犬种如杜宾犬、达克斯腊肠犬与格雷伊猎犬更能懂得人类指示。研究者认为此结果与犬类的眼睛分布点与头颅形状有关。窄脸犬种的眼睛位于头的两侧，这虽然让它们拥有较为宽广的视野，但也让它们更易于分心。

宾州大学社会与动物互动所的研究者发现不同品种的狗有着相异的行为模式。他们发展出一套网络调查，检测狗对主人命令的服从程度，此调查称为犬类行为评价研究调查（Canine Behavioral Assessment and Research Questionnaire，简称C-BARQ），此计划已有上千位狗主人参与，并建构了不同犬种行为差异的庞大资料库（若你是狗主人并且有兴趣参与C-BARQ测验，请输入网址：w3.vet.upenn.edu/cbarq）。

研究者对狗面对主人指示的顺从程度特别有兴趣，他们想知道哪些狗会在被呼唤时前来、有能力学习小花招并且保持专注。研究者分析C-BARQ测验所得包括11种血统的1500只狗的资料发现，有些狗较容易培训，而有些狗的智力则较为逊色。其中，拉布拉多犬是最容易训练的犬种，而巴吉度猎犬则堪称顽劣，约有70％的拉布拉多犬非常容易训练，而仅有5％的巴吉度猎犬可以接受训练。此外，几乎没有任何拉布拉多犬被归类为鲁钝，然而却有半数以上的巴吉度猎犬的测验结果为鲁钝一族。

不同犬种所带给人类伤害的频率也相差甚大。因为狗被塑造为“人类最好的朋友”，因此常常让人忽略它们也曾是依赖杀戮维生的动物。每年约有450万名美国人被狗类咬伤，其中伤害程度达到急诊室就医惨状的约有35万人次。有许多小朋友被狗咬扯脸部，而攻击人类致重伤的狗约有70％的比例可能为斗牛犬与罗威纳犬。此外，吉娃娃和腊肠犬主导的攻击事件仅占0.5％的比例。所以我们可以断言，斗牛犬与罗威纳犬天生叛逆，而吉娃娃和腊肠犬本质上较为乖顺，对吗？

宾州大学研究者使用C-BARQ测验评量出33个品种里的4000只狗的习性，观察它们是否会咬陌生人、攻击主人或向其他狗挑衅。令人惊讶的是，斗牛犬与罗威纳犬并不是最容易有攻击人类倾向的犬种——吉娃娃和腊肠犬才是。斗牛犬与罗威纳犬在攻击性上的得分大约与贵宾犬相差不远。

禁行或禁种

由于不同犬种对人类造成伤害的程度大为不同，因此也引发了人类与动物互动关系之间的热议话题：具有潜在危险性的犬种是否该明令禁养？过去斗牛犬曾经被视为忠实与勇气的化身，并且成为美国家庭的良伴。有只名叫小彼得的斗牛犬还曾经成为电影《小捣蛋》（Little Rascals ）的主角。第一次世界大战时，斗牛犬曾经出现在募兵海报上。不过2009年在美军基地所发生的六件狗致命攻击意外后，军方明令禁止于军事基地饲养斗牛犬以及其他“具有攻击性或潜在攻击性的犬种”。

丹佛城直接禁止饲养斗牛犬。在俄亥俄州的法律之中，斗牛犬被定义为“危险性动物”，即便狗本身从来没有任何攻击行为亦然。俄亥俄州法律要求将斗牛犬圈禁在有锁的牢笼中，并以狗绳拴住，此外饲主还必须购入最高限额为10万美元的义务保险。由于多数饲主根本视法律为无物，因此辛辛那提市直接禁止饲养斗牛犬。

然而，其他社群为了应对来自动物福利行动团体与斗牛犬爱好者的压力，也支持废除歧视特定犬种的法律。支持废除斗牛犬禁令的阵营的口号为，“禁行不禁种！”（Ban the deed, not the breed！）此行动的高潮为一群西雅图居民抱着斗牛犬游行至市议会大门口抗议，要求废止饲养危险性犬种的禁令。2008年9月8日，《西雅图邮报》刊登了一篇文章描述斗牛犬爱好者如何为此小型犬的自由努力而奔走。但是当《西雅图邮报》读者边喝咖啡边阅读斗牛犬有多可爱时，一名住在西雅图西塔克郊区的71岁越南女人李红（Houng Le）却被两只斗牛犬狠狠攻击。她的邻居赶忙抓了个干草叉希望帮李女士解围，但一直到警方人员来到并射杀斗牛犬之前，两犬丝毫没有停歇地继续攻击她。经过10个小时的手术，外科医师才将她的耳朵缝补归位，但其右手臂早已回天乏术。根据邻居的说法，以前那两只斗牛犬向来乖巧、温和。其中一位邻居说：“它们总是很调皮，并且猛舔人。”

禁养危险性动物已成为美国最受争议的动物问题。斗牛犬爱好者对该品种的爱毫无保留。他们认为对斗牛犬的多数指控完全不实，许多狗从未有过咬人的记录，而斗牛犬禁养令根本是犬类世界的种族歧视。他们甚至将斗牛犬重新命名包装，称之为“美国犬”。而反对斗牛犬饲养的团体也毫不示弱，他们公布的数值显示自1982年至2008年间，美国与加拿大区域的斗牛犬共计造成700件重残事件以及129件死亡攻击（相较之下，在同一时期美国最受欢迎的拉布拉多犬仅造成20件攻击事件以及3件死亡案件）。至于人类-动物互动学家则对禁养令看法有分歧。据我所知，多数的研究人员反对因为特殊犬种的危险性而禁止人类饲养之法律禁令。但也有例外。举例来说，人类-动物互动学的领导学者同时也是普渡大学人类-动物互动学研究中心主任的艾伦·贝克（Alan Beck）就支持禁养令。他认为斗牛犬根本就是上了膛的机关枪。而英国人类-动物互动学者莎拉·奈特（Sarah Knight）根本就希望斗牛犬绝种。

如此极端的立场也出现在不同的动物保护团体之中。美国兽医医疗学会、美国预防虐待动物行为协会、美国人道协会共同游说议员反对针对特定品种的禁育令。你或许会猜想善于挥舞道德大旗的激进动保团体善待动物组织应该会站在斗牛犬的一方，反对禁令。结果不然。善待动物组织反倒希望斗牛犬消失。不过他们的立场是认为让斗牛犬消失为的是减少痛苦，而非歧视。善待动物组织批评斗牛犬正是美国人虐犬行为的最大受害者，而这还不是斗犬赛的缘故。据统计，斗牛犬为最容易遭受主人殴打、受饿以及彻底被忽视的犬种。目前有数份调查显示，斗牛犬饲主与反社会行为具有高度关联性。俄亥俄州一份调查显示，拥有高危险性犬也就是斗牛犬的主人与拥有其他温和犬种的狗主人相比，前者犯下暴力犯罪的比例是后者的七倍。最后，美国每年因为无人领养或被遗弃而遭安乐死的斗牛犬数约有90万只。

不过请记住，根据C-BARQ测验显示斗牛犬与罗威纳犬并没有比米格鲁犬来得更为凶恶。仅有7％的斗牛犬饲主表示狗曾经试图咬陌生人，相比之下，约有20％的腊肠犬主人表示狗曾经试图攻击外人。那么为什么这两种犬种必须为将近2/3的犬攻击致命事件负责呢？我承认如果是一只疯吉娃娃想抢走我的午餐，我可能会比较勇于反击，毕竟罗威纳犬或斗牛犬的体形较大，力道也较猛，它们若发动攻势，我进医院的可能性应该颇高的吧？

罗威纳犬或斗牛犬攻击事件暴增的其中一个原因是两犬种突然在近年间大受欢迎。1979年时，多数人根本没听说过罗威纳犬。当时该犬种为全美排名第41名之犬种，每年仅有3000只新生幼犬在美国养犬俱乐部注册。而当时最受欢迎的德国牧羊犬则每年约有6万只登记在案。不过至20世纪80年代中期时，德国牧羊犬的饲养数目稳稳持平，反倒罗威纳犬的流行程度猛烈提升。在1979年至1993年间，罗威纳犬的登记数目狂飙到每年近10万只，成为全美第二大受欢迎的犬种，目前约有100万只登记在案的罗威纳犬居住于美国家户之中。

罗威纳犬浪潮让美国付出了相应的代价。1979年至1990年之间，美国发生6起罗威纳犬攻击致死事件，该时期遭德国牧羊犬攻击致死的案件约有13件。然而，没多久后，死亡数据大幅翻转。在接下来的8年内，德国牧羊犬的咬人致死案件仅有4件，而罗威纳犬致死案件则为33件。基本上来讲，罗威纳犬死亡事件数目的攀升与其饲养总数的上升有关。即便特定犬种的性格维持相似状况，但是若其总数上升时，攻击事件必然也会随之增加。

1993年时，罗威纳犬超越斗牛犬成为全美最危险的犬种。然而，这点或许根本是因为其饲养数目暴增所导致的后果。一连串的攻击事件造成罗威纳犬声名大坏，保险公司也开始取消为其饲主纳保。在接下来的十年内，新生罗威纳犬的数量从每年10万只陡降至2万只以下。其实，若选对主人，不管是罗威纳犬或斗牛犬都可以成为非常好的伙伴动物。可惜许多人因为罗威纳犬浪潮而一时冲动购买、饲养，但他们却没准备好面对当小毛球长成狂犬的那一天。

贵宾犬狂潮：当特定犬种突然流行

通常当某一犬种突然爆红又退烧时，这多半能反映人类社会气氛的转变。就拿丑陋滑溜的卡骆驰（Crocs）塑胶鞋做比喻好了，难道卡骆驰爆红的原因是因为它很便宜、舒适又对你的脚背很好等种种客观优点吗？或者它们横扫美国的原因其实和新型流感差不了多少？

犬种流行的背后也有着类似原因。毕竟罗威纳犬饲养费用高昂，还必须剖腹生产，有较高概率罹患髋发育障碍疾病、糖尿病、白内障与低肾上腺皮质功能症。事实上，罗威纳犬并非美国狗历史中地位蹿升最快的角色。真正的强者是贵宾犬。自1946年至2007年之间，美国养犬俱乐部注册了约550万只贵宾犬，远胜于第二名拉布拉多犬的200多万只。贵宾犬风潮于1969年抵达巅峰，美国养犬俱乐部甚至必须雇请一名正职员工专门处理与贵宾犬相关的文书作业。贵宾犬的风潮瞬间席卷全美，自1949年至1969年之间，平均每年贵宾犬总数成长12000％。美国人还不只是想拥有贵宾犬而已，女孩们还疯狂着迷于购买印有白色或紫色法国贵宾犬的裙子搭配白色短袜。直到今天，贵宾犬短裙仍是eBay上的当红商品。

让我们暂且回想一下英国玩具小猎犬。当贵宾犬如病毒一般入侵美国文化时，1949年登记在案的英国玩具小猎犬数目仅有123只，而到了1969年，仅剩下45只。英国玩具小猎犬长得小小的还挺可爱的吧！看起来就像《小姐与流氓》里的小姐。根据美国养犬俱乐部官方出版的品种叙述，英国玩具小猎犬为：“聪明有趣的小型犬，惹人疼爱，而且喜欢撒娇。”这听起来很完美啊。

贵宾犬与英国玩具小猎犬的饲养竞逐赛不仅反映了人类对于宠物的品位移转。相同的情况也发生在球鞋、料理、流行歌、配色、书籍与宗教上，当众人拥护特殊潮流时，某些选项却成为文化中的暗影并且默默地消失，这背后的道理究竟是什么呢？

一种可能的解释是，或许如同基因突变可以提高生物本身的繁殖能力，某些文化创意能够获得空前成功，正是因为其优点在竞争赛中胜出。我脑袋中立刻联想到易拉罐的发明以及iPod。不过有些热潮就比较像是主流文化之外的另类选项，像鼻环和涮涮锅。贵宾犬成功大举进驻美国家庭是因为它们本身的聪明才智、听话或是比其他不受欢迎的品种更懂得让人怜爱吗？又或者，贵宾犬和帕丽斯·希尔顿（Paris Hilton）一样，会红都是没有原因的。

我开始对上述问题产生兴趣，是因为接受邀稿分析人类与动物关系中的演化心理学问题，并且因此决定不如一同探讨文化上的革命。当时我正百无聊赖地闲逛网站寻找人类对动物态度转变的例子，正好逛到美国养犬俱乐部网站，该网站公布了各品种近三年内的登记数目。我浏览数字时发现，大麦町犬的登记数目一路下滑。我打电话给美国养犬俱乐部董事之一，同时也是大麦町犬育种师的朋友，问她是否能帮我和俱乐部索取大麦町犬较长周期的登记记录。数个星期后，由美国养犬俱乐部曼哈顿总部寄出的厚重包裹出现在我的办公室里。资料的规模相当惊人，美国养犬俱乐部竟然给我提供了所有犬种近60年来的登记数目，共计4800万只狗。

这当然是好事。不过麻烦的是，我该如何套用此庞大的数据说明心理学历史之变化？我感到一头雾水，不过决定先将品种数值成长变化做成图表。我发现自第二次世界大战以来，仅有四种犬种曾经成为全美最受欢迎的狗，此四种犬种依序为：可卡猎犬、米格鲁、贵宾犬、可卡猎犬（没错，可卡猎犬再度强势回归）以及拉布拉多犬。这四种犬种有着不同的发迹方式。贵宾犬热来得快去得也快，在过去40年间，拉布拉多犬的饲养率持续以每年10％的速度增长，直到晋升第一名宝座为止。而米格鲁与可卡猎犬的饲养曲线则是有起有落。

我手中的图表还显示了许多犬种几乎从未进入美国家庭生活。你有朋友养奥达猎犬吗？该犬种于1993年出现，以混合70只小狗的血统而得，或是你听说过有人养猎兔犬吗？此犬种自1934年至今饲养数目一直在6只到40只之间徘徊。我很快地就着迷于分析美国犬种的数据。我晚上做梦会梦到狗数目图表，白天则是不断地检视手中的成长数据，然后喋喋不休地和朋友大谈狗经，一堆奇怪的犬种名占据了我的脑海——荷兰毛狮犬、舒柏奇犬、普利克犬。

很显然，我没有任何进展。

犬种与婴儿命名之相似处

某日下午，幸运之神降临。我在《生物学快报》（Biology Letters ）上读了一篇由两名陌生的研究者所撰写的文章。其中一名研究者为杜克大学生物系研究生马特·哈恩（Matt Hahn），另一位则是于伦敦大学学院（University College London）从事人类学博士后研究的亚历克斯·本特利（Alex Bentley）。该篇论文主要研究人类如何为婴儿命名。

马特与亚历克斯来自不同的学科背景，不过两人的研究主题皆为：演化路径如何被随意改变。亚历克斯所思考的是文化如何改变，而对马特来说，主题则是基因如何演化。他们假设人类历史上的诸多文化转变——从新石器时代陶器上的刻工设计到乡村乐流行金曲，事实上都归功于人类毫无主见的抄袭。两人以婴儿姓名作为检测学说的依据，并利用美国国家安全部门所成立的一网站，观察美国自20世纪以来每十年最热门的婴儿姓名。

马特与亚历克斯下载了大量的婴儿命名资料并开始进行研究。他们以研究基因频率变化的电脑模型分析婴儿命名的流行趋势，此研究法称为“随机变异”（random drift），通常为解释演化趋势的工具。两人的想法相当简单：他们认为人们总是无心地抄袭别人的风格，并促成文化变异。通常的情况是，有人发明了一个新的婴儿名字、吃了某种古怪食物或选了特殊品种的狗当宠物，至于这个选择会不会被他人模仿甚至变成广泛的流行，完全是概率问题。所谓的品位，根本就是盲目从众的游戏罢了。

我承认一开始我不太相信马特与亚历克斯能运用此数学公式证明婴儿名的流行风潮背后仅只是随机作用，但我还是抓到了一点他们研究方法的精髓。我猜想，说不定我可以使用流行犬种趋势再次检验他们的说法。我发电子邮件给两位研究者并附上了我的犬种图表。为了吸引他们的回应，我还加了一句：“对了，我手上有4800万只狗的资料。你们会有兴趣吗？”

他们很快就给我回信了，还相当热情呢。“当然有兴趣！请把资料寄给我们吧。”据两人的研究结果，犬种流行果然和婴儿命名一样，如同投掷骰子般随机。人类对犬种的短暂喜好完全遵循数学模型“幂法则”（Power Law），通常在人类社会中，此现象会在大量人群互相影响抉择时出现。幂法则的数学曲线几乎和布朗库西（Brancusi）的雕像一样优美。曲线由左上方向右逐渐缓降。擅长讨论现实事件中的神秘暗示与行为科学的关联的《纽约客》作家马尔科姆·格拉德威尔（Malcolm Gladwell）就曾经将幂法则曲线与一根丢在地板上刀面向上的曲棍球杆相比。

幂法则的原理就是不管我们讨论畅销书籍、科学引述多寡、音乐下载频率、网页点击次数、婴儿姓名或犬种流行性，约有20％的选项会吸引近80％的选择者的注意，而经济学家称此现象为80比20法则。排在最流行的几个选择后面的选项其流行度将急转直下，甚至慢慢归零。这就是商业人士将幂现象称为长尾理论的意思。

长尾理论与犬种流行的关系如下。2007年，约有81％登记在案的狗来自最受欢迎的31种犬种。而其余的125种犬种则仅占不到20％的比例。最不受欢迎的50种犬种则吸引了仅仅1％的饲主。最受欢迎的拉布拉多犬注册数目与最不受欢迎的英国猎狐犬相比，竟然高了9 000倍。这就是长尾理论的必然性。

根据随机变异理论，由于各种创新不断地出现，因此流行趋势必然变化多端；就像是突然之间就有人发明了丑陋的塑胶拖鞋并以鳄鱼为命名灵感，又或者有人将小型雪纳瑞犬与约克夏混种。许许多多创新如同拍岸潮水来了又去，但总有些点子会大获成功。以掷骰子作为文化潮流的隐喻的话，最重要的一点是，不论是鞋子的样式、婴儿名、流行歌或受欢迎的犬种，我们都无法预测下一个大浪潮。

以美国养犬俱乐部犬种资料分析大众对犬种的品位说明了不管是选狗或是认为鼻环很性感，背后都与大众心理学脱不了关系。然而我所强调的是，对某种犬种的短暂热情有时会像文化病毒一般大肆传播，甚至瞬间泛滥成灾。通常大规模的流行不管是流感或是最新舞步都会经历三阶段：第一阶段为缓慢成长，接着第二阶段热潮会进入所谓的转折点，开始如大火燎原般扩展声势，最后第三阶段则是无可避免的死寂。

这和犬种流行浪潮不谋而合。20世纪50年代左右，每年爱尔兰猎犬登记数目在2000至3000只之间。1962年，爱尔兰猎犬饲养数目攀升到转折点后开始大肆流行。1974年，该犬登记数目飙升到6万只，等同于增长了23倍。接着突然在一瞬间，爱尔兰猎犬狂潮止息了。过了第三阶段后，该犬的登记数目仅有高峰时期的5％。爱尔兰猎犬的饲养数目曲线呈现完美的均匀对称形式。从开始到结束，它们所享受的短暂出名期有25年之久。另外还有十多种犬类，包括德国短毛猎犬、老式英国牧羊犬以及圣伯纳犬等，都有着相同的发迹模式。

纯种犬兴衰录

上述犬种的流行热潮反映了文化风向对人类与动物关系的影响力。目前美国社会则陷入了追求纯种狗的犬类风潮。

1884年9月，当一群运动员聚集在温暖的费城决心成立美国养犬俱乐部时，美国狗就此从伙伴动物与工作帮手的角色转化为时尚象征。当时英国早在十年前就已经成立了名称相类似的组织：犬类俱乐部。很快，美国养犬俱乐部接受了约1400只狗的注册登记，总计8种犬种。以前，犬选秀会为财大气粗的地主们的娱乐消遣，不过自19世纪下半叶起，中产阶级也慢慢跟上了狗的鉴赏热潮。犬热潮绝对可说是时尚界涓滴效应（trickle-down）的经典例子，奇妙的消遣习惯由富有阶级慢慢向下渗透至期望致富的中产阶级族群。

自1900年至1939年之间，美国养犬俱乐部登记数目从5000只狗激增至8万只。第二次世界大战后，人们热衷于纯种狗的概念，而纯种狗所占美国犬的比例从5％飙升至50％，其登记数目的增长甚至比美国人口增长比例快15倍。

我追溯历史发现纯种狗的爆发期源于1944年颁布的《美国军人权利法案》，该法案让数百万美国人有能力购买有着宽阔后院并适合养狗的郊区住宅。我的家族也是典型的美国家庭，我父亲为战机飞行员，并于1945年退役返家，当时他们夫妻两人从退伍军人辅导会申请了低息贷款并买了一间有着草坪的房子，还买了一只米格鲁陪我和我的姊妹。当时我们还很骄傲，这只小米格鲁有美国养犬俱乐部的“官方身份文件”。事实上，我们根本没有人了解所谓的美国养犬俱乐部证明书到底有何意义，只不过觉得这听起来很帅而已，好像米格鲁是贵族绅士狗一样。

1970年，美国养犬俱乐部每年的登记数目已增长至百万笔，并成为全世界最大的纯种狗注册单位。上世纪80年代与90年代为美国养犬俱乐部的蓬勃扩张期。1990年，美国约有一半以上的狗都有美国养犬俱乐部的注册认证。2007年，作为一个非营利组织单位，美国养犬俱乐部的营收为7200万美元，几乎有一半以上的收入都来自注册费用。

不过，美国养犬俱乐部毁誉参半，已经名声不佳的该组织于1990年被《亚特兰大月刊》（The Atlantic Monthly ）刊文重炮轰击后，名声一落千丈，该文作者马克·德尔（Mark Derr）批评美国养犬俱乐部为精英化的秘密组织，并且相当短视地期望从过度培育外形讨好的犬种中获得不当暴利。1993年，美国养犬俱乐部登记数目走势呈现死亡螺旋状一路下滑，自此声势难再。

在过去的15年间，美国养犬俱乐部登记数字已从20世纪90年代中期的巅峰状态锐减至一半左右，目前每年仅有不到75万只的登记数目。2008年，董事会表示，若登记数目持续下降，未来每年登记数目将会仅剩25万只，美国养犬俱乐部将面临4000万美元的赤字。美国养犬俱乐部执行长罗恩·梅纳克（Ron Menaker）直言：“很明显，我们所支持的犬类活动与美国养犬俱乐部已经陷入危机。”他警告与会成员如果犬只登记数目再不上升，美国养犬俱乐部的下场会和西屋、泛美航空与标准石油一样，进入倒闭消失的企业名单内。

事实上，由于美国文化不再崇尚纯种狗，因此连带导致美国养犬俱乐部的声势下滑。美国狗选秀赛是一个联结优生学与哲学的怪异展览，育种专家们不断地追求柏拉图式的虚幻理想。有些选秀赛参与者会说展览的目的是为了改进品种，并让狗更接近完美状态。狗选秀赛的世界以品种鉴定标准，一套撰写完备的检验方式来定义完美。根据美国养犬俱乐部标准，约克夏犬仅能在脸颊上拥有一个2.5厘米大小的白点，若白点超过5厘米则不能被称为约克夏犬。其中还有一个荒唐的标准，认定克伦伯猎犬必须带有“忧郁神情”。

虽然犬种鉴定标准也会论及狗性情，不过狗选秀赛真正在意的往往是狗的眼圈颜色、头颅形状，而非是否能与人类友善共处等特质。我在艾许维尔时问了一名交易商，购买一只参展等级的丝毛梗犬要价多少。他说价格在2000至3000美元之间，不过他说如果我真的有兴趣，他可以帮我介绍一位卖家，大约花800美元就可以买到一只适合当宠物的丝毛梗犬。对狗选秀世界来说，宠物等同于失败者的代号。

但是多数人还是对能当宠物的狗比较有兴趣吧。换言之，狗育种师所努力制造出的品种根本和消费者的期望背道而驰。其实，狗育种师所创造的动物根本仅拥有相当肤浅的美好外表，而且你必须依照美国养犬俱乐部的美学标准观看，才能品味其优点。狗选秀赛的荒唐莫此为甚。

我和玛莉·珍都很喜欢个性温和的大狗，那种令人信赖、有点像小孩的狗狗。因此我们的最爱当然是拉布拉多与黄金猎犬。我们共养过三只狗，也很爱它们。然而，美国养犬俱乐部注册证明文件所带给它们的实为不可承受之苦。我们的拉布拉多犬莫莉与泰莉都有髋关节发育不良的问题，其中泰莉的状况甚至严重到连每天起床都有困难，最后我们只得选择为它进行安乐死。黄金猎犬狄西则有所有黄金猎犬容易患染的疾病——皮肤问题、髋关节问题以及甲状腺机能衰退（特别是这疾病让它看起来郁郁寡欢），最后更因充血性心力衰竭（Congestive Heart Failure）而过世。对纯种狗来说，遗传疾病是无可避免的命运，而非偶发情况。狗所拥有的1.9万种基因之中约包含350种的潜在基因失序的可能，由于多数的基因问题的人畜共通性，因此纯种狗也常常被当作嗜睡症、癫痫与癌症的研究模型。

纯种狗比混种狗更容易受到基因失序的负面影响，部分是因为育种者本意即是造成畸形体态。其中最好的例子就是斗牛犬。斗牛犬育种者将蛮牛般的鼻子培育至家庭宠物身上。为达到其目的，他们选择顺从的狗进行交配，而非较为好动或较活泼的狗。一瞬间斗牛犬的怪异头部和缩皱脸颊成了时尚流行，而其颅部畸形背后的原因实为软骨营养障碍（chondrodystrophy）。斗牛犬脸部与头颅的变形造成了一大堆的后遗症，包括无法从产道自然生产、呼吸困难、打鼾以及睡眠中的呼吸中止等。同样的德国牧羊犬也有髋关节不良（育种者们热爱其圆滑的臀部曲线），腊肠犬则有背部问题，这都是人工育种所造成的骨骼变形。

然而，多数纯种狗的基因问题出自同系交配（inbreeding），而非因美学上的人为选择。目前已知的400个品种，多数出现于过去的200年间，由育种师使用少数种狗培育而成。美国养犬俱乐部登记在册的2万只葡萄牙水猎犬，其祖先来自31只狗，而其中更有约90％的水猎犬基因来自仅仅10只狗。在狭隘的基因库里进行同系繁殖，意味着新生狗将更容易遗传父母双方的隐性对偶基因。来自单系祖传的坏基因足以对狗健康造成严重伤害，这是众人皆知的基因问题。举例来说，史宾格猎犬有个恼人的习惯，就是老爱咬伤主人的手。康奈尔大学与宾州大学研究者将此一品种的侵略性追溯至单一犬种身上。事实上，这根本是用以配种的某只狗的性格使然（研究者还发现专为狗选秀培育的史宾格猎犬会比为狩猎培育的史宾格猎犬更容易攻击主人）。

若有20％的产品都有生产瑕疵，恐怕会引起消费者暴动。当纯种狗认证风潮一过，那些在20世纪50年代以前当红的混种狗立刻重回宠物宝座。20世纪80年代时，动保团体开始鼓励人们领养收容所里的遗弃狗，此举让狗主人们拥有比购买宠物店纯种狗的人显得更有道德责任。2008年末，当副总统拜登（Joe Biden）和家人们带着纯种德国牧羊犬进驻白宫时，善待动物组织网站立刻换了新标题：“当拜登买新狗狗时，收容所就死了一只。”结果拜登家族立刻理解到最好赶快再收养一只从收容所来的狗狗。

好狗是否快绝种了

当人们对狗的品位开始转向喜好混种狗和收容所狗狗时，新的问题也随之来临：想领养流浪狗的人数不断增加，需求量却不断下滑。1970年在美国动物收容所遭受安乐死处置的猫与狗高达2300万，到了2007年，安乐死动物数字下降至400万只。收容所动物数字的大规模减少归功于当代动物保护史上最成功的计划：卵巢摘除与阉割。

当我们急于将家里的宠物结扎时，却意外地让美国狗量下滑。一间拥有3亿美元资金并以终结收容所安乐死处置为目标的麦迪基金会（Maddie's Fund）执行长理查德·阿维奇诺（Richard Avanzino）担忧美国本土狗源不足将导致业者从环境堪忧的墨西哥狗场进口狗。至于流浪动物收容所工作者们则不认为有狗短缺一事，他们认为仍有许多待收养的狗，只不过它们离潜在饲主的位置有点距离罢了。

据估计，约有90％的美国东北区域待领养动物曾为南方家庭的宠物。我所居住的州几乎每年都会出口200只待领养狗至北部区域，而亚特兰大人道协会（Atlanta Humane Society）则每年送走约600只狗。宠物宝慈善基金会（PetSmart Charities）分支狗狗拯救计划则每年将1万只狗从被遗弃的地方送往其他区域。南方区域的动物收容所狗满为患同样反映出南北区域的动物照护文化之差异。同时节育计划在东北区域、中西部与西岸区域也比在我所居住的地方有着较好的成效。举例来说，北卡罗来纳州收容所动物接受安乐死处置的比例比康涅狄格州高了40倍。本地的动物保护团体企图游说市议会立法强制执行动物绝育手术，结果奇惨无比。基本上来讲，美国南方乡村并不喜欢狗节育、都市分区、枪支管制，或任何阻止他们开着卡车上街后头载着一堆小鬼头的限制和法律。

我的好友吉尔（Jill）的工作是在大学教授美国通识历史课程，但她真正的重心则是为遗弃狗寻找收养家庭。多年下来，她至少拯救了两千只狗狗。几乎每个月她都必须扮演一次上帝的角色。这绝对令人心碎。吉尔会带着橡胶手臂走进本地的动物收容所。如果她发现有哪只狗有让饲主爱上的潜力，她就会让狗狗进行标准行为检视测验。这就是她为什么要揣着一只假手臂的原因。吉尔会把一碗食物放在狗狗的鼻头前，在它开始吃的时候，用假手臂一把把食物拨开，如果狗咆哮或是猛抓假手臂，那就再见了。

大部分的狗都会被淘汰。许多狗会咬塑胶手臂，有的因为外形太丑或年纪太大而不太可能被未来的狗主人挑中。因为小型犬较流行，因此大狗，特别是黑狗，根本是难逃生天。她也尽可能不选斗牛犬，她说，通常斗牛犬都会被不适宜的主人带走。其他所有没有被她挑选中的狗都会被安乐死。而选中的狗则必须接种狂犬病与肠炎疫苗。两周后，这些狗会被安排送上卡车，沿着I-95道路，俗称狗的秘密高速公路，通往纽约郊区家庭。

不过并非所有被吉尔选中的狗都一定表现良好。去年她曾经接到康涅狄格州格林尼治区域的动物收容所的电话，对方对吉尔送过去的混种澳洲牧羊犬不太满意。虽然它通过了塑胶手臂测验，不过当卡车一穿越“梅森-狄克逊线”（Mason-Dixon Line）时，它就开始躁动狂吠不止。收容所给了她两个建议：一就是过去接走，二则是对方将会为它进行安乐死。吉尔赶在当天傍晚驾车花了14个小时到达该区域，接到狗后，掉头再开了14个小时回家。但此举于事无补。北方佬说得没错，这狗狗太危险了。一个月后，吉尔只得将它处死。

复杂的人狗关系

距今1.5万年至2万年之前，狼类的命运就被交付在人类手中，这点实不知是好是坏。在过去的人类历史中，狼族后代深受人类喜爱，并且成为人类社会的一分子。好处是，它们无须再担忧食物来源，温暖篝火也让它们不再受冻。虽然狗们的双足恩人偶尔也会烤烤小狗来吃，不过对比狼族后代所得到的家庭安全性与炉火的温暖，这交换似乎还算划算。不过，之后人类又发明了狗链、颈链、斗狗赛、行为训练学校与收容所。最后，则是令人反感的基因改造毁灭赛，人类将基本的犬种转变为代表优雅与速度的新犬种，而新犬种则有着在大自然界绝对不会看见的体形、毛色与尺寸。人类将犬类基因改造为令人眼花缭乱的品种，但如同超市番茄一样，肤浅华丽的外观相较于内涵，形式终究取得了胜利。现在当我们选择宠物时，其实和选择最新流行衣服款式与婴儿姓名一样，都符合一套消费者心理学。动物从人类的工具转变为朋友，而现在则是彻底成为时尚宣言。

不过，我们确实仍旧爱着狗。我们把心交给它们，帮它们带回圣诞节礼物，带它们去度假，为它们架设网站，基本上狗狗就像是我们的小孩。它们也会蜷曲在我们的被窝中。当狗过世时，主人总是悲伤不已。其实，在极度热爱宠物的主人身上，往往最能凸显人类与动物关系之矛盾性。这些主人确实深深爱着狗，他们的爱是真心。但是当育种师努力追求犬种的完美性时，却连带制造出上百万只皮肤红痒、头颅过大、心脏过小，并且老是屁股疼痛的动物。简言之，就是活在痛苦之中的小生命。

让狼犬尽可能活得开心应该是南希·布朗的生活重心。但可悲的是，这些介于驯服动物与野生动物之间的狼狗必须在牢笼与锁链之中度过余生。

吉尔知道，她所照护的北卡罗来纳州动物收容所之中，约有一半以上她经手过的狗会被安乐死。而她必须担负判生判死的沉重角色。由于她全心投入在狗救援工作上，她的生活圈与工作都大受影响。吉尔总是忧容满面。她说得很对：“这是一件你无法不全心投入的工作。”

我和狗狗的关系也很复杂。我深爱每一只养过的狗，包括帕皮，一只6年前我们从收容所里救回的狗狗，它长得好像班吉（Benji） [2] 。帕皮是我遇过最聪明的狗。然而，它虽然长得很无辜，随着年纪的增长，脾气却越来越暴躁。它让我们的老拉布拉多坐立难安，所有的家人都被它咬过数次。我请教过数个全国最好的动物行为专家，但所有医师都无能为力。有一天，帕皮又突如其来地攻击了家中的访客，这成了压垮骆驼的最后一根稻草。我们的兽医希尔兹（Dr. Shields）要我面对现实。我只能让它离开。

开车去兽医诊所的情景历历在目。虽然它已经离开四年了，但它的死仍旧是我无法承受之重。这或许也是我们现在改养猫的原因吧。不过，我确实很怀念家中有狗的日子。

注解：

[1] 　基思·理查兹，英国摇滚歌手——编注

[2] 　电影《丛林赤子心》（Benji the Hunted ）的主角，该片多数角色皆由动物演出。主要叙述小狗班吉于丛林中与主人意外失散后，机智应变生存，并帮助林中幼豹找到母豹，最终和主人重逢的感人故事——编注

05
谁更爱动物
性别和人类与动物关系的关联

社会要求女性对动物的悲苦感同身受，我们认为那是女人的“天性”。

布莱恩·勒克（Brian Luck）

男人享受狩猎与杀戮，当生活中不再需要如此暴力后，我们将之投注于体育赛事中。

舍伍德·沃什伯恩（Sherwood Washburn）

我是因为发现男人与女人面对动物截然不同的态度，而开始对人类动物关系学产生兴趣的。举例来说，有次我到兽医学院访问学生关于动物道德的问题，像是他们对健康的动物施以安乐死的看法。有位女学生伊丽莎白（Elizabeth）说：“第一次我哭了，不管发生几次我都很想哭，这不会因为你习惯了而没有感觉，只是我开始学会在客户面前隐藏情绪，客户需要我的坚强。”她的男性伙伴威廉（William）的态度则是大不相同。“确实我有时会多想一会儿，不过说实在的，这好像没什么。”

在结束了一轮访问以后，结论很明显，那就是女性对动物比较仁慈，而男性……好像还好。接着，我又开始对不符合男女性别角色期待的人感到好奇，像是伊芙琳·克兰西（Evelyn Clancy）这样的女人，或是像比尔·吉布森（Bill Gibson）这样的男人。

当刻板印象瓦解：特殊的性别个案

有天下午，有位叫作艾米·厄尔利（Amy Early）的研究生走进我的办公室，并且表示自己希望能以女性猎人当作论文主题。这个论点很棒。当时我刚读了北卡罗来纳州一份小报的报道，故事描述一位年轻女性在16岁生日时，用枪射杀了一头野鹿。她除了是技巧精湛的猎手以外，还曾经是学校毕业舞会的皇后。这篇新闻报道让我好奇女猎人如何平衡自己的照护者天性与杀戮动物的欲望。

当艾米跟我提出论文主题时，我眼睛一亮立刻说：“好棒的计划，一起来做吧！”

她的第一位受访者是伊芙琳·克兰西，一位中年主妇，她很爱动物，但也热爱狩猎。她对大型狩猎活动特别有兴趣。伊芙琳已经和先生参与过数次非洲狩猎旅行，但她从未猎到过斑马。有天下午她和狩猎教练安东尼（Anthony）遇见了一大群斑马。她悄声询问教练应该瞄准哪只。教练指了指一只巨大的公斑马。她将子弹上膛，将公斑马放在瞄准镜的十字星位置，深呼吸，紧握枪杆并且按下扳机。斑马应声倒下。

安东尼转头说道：“不是那只啊。”两人一起走向被击毙的斑马，当她发现死的是只母斑马时，伊芙琳泪流满面。

“我杀了一只母斑马，”她这么对艾米说，“我哭了一整晚。隔天早上醒来，眼睛里仍然满是泪水。这是我第一次失手。我很难过竟然杀了它。它或许也有自己的小孩呢，或许小斑马老在它身边跑来跑去。它也可能有孕在身。杀错斑马让我心如刀割。”

伊芙琳的故事说明了性别也在我们与动物的关系中扮演了相当独特的角色。一开始她非常兴奋生平第一次猎到斑马，但等她发现自己射杀失手时，心里悔恨莫名。有男性猎人会因为误杀而在夜晚哭泣吗？就算有，他们会承认吗？

比尔·吉布森也不太符合人们对男性的期待。他是个多疑、严谨的心理学研究者，办公室就在我隔壁。有天下午我恰巧询问他桌上放着的一张狗的褪色照片的背后故事。比尔是个数学家，凡事以左脑思考。他设计了一套可以分析大脑皮层过度使用的电脑软件。但是当他开始谈狗狗大蓝（Blue），一只哈士奇与牧羊犬的混种狗时，他整个人就融化了。

他跟我说，取名大蓝的原因是因为它的眼睛一只是蓝的，一只是褐色的。比尔在1984年时向经营动物繁殖场的男人买下了大蓝。在漫长的14年间，大蓝就是比尔最好的朋友。“大蓝会深深地凝视我的眼睛。它懂很多事情呢。”比尔说。

他告诉我，最后大蓝罹患大肠癌，病情不断恶化。

“我一直陪它到最后，”比尔说，“我把一条很好的毯子铺在它的身上，跟它吻别，并悄悄说话。我把大蓝火化。我一直保留那些骨灰，最后将它撒在山里。当时我真的很悲伤，常常突然大哭，好尴尬。”

比尔开始清了清喉咙。“我还是每天都会想到它，我爱它远胜过世界上的任何人。我想，也许在临死那天我还是会想着大蓝吧。”

不管是比尔或伊芙琳都说明了我们很难以性别、动物的大帽子概括一切。这样的个案让我感觉自己最初的假设似乎设定错误了，性别角色和动物关系没有必然的关联，有很多男人比女人更会为动物感到哀伤。不过，仍旧有其他许多例子证明性别的不同，确实会对行事判断有所影响。举例来说，所有我认识的斗鸡手都是男性，而多数的动物权行动者皆为女性。我决定采取更为系统化的研究方法检视性别如何影响我们与不同物种的关系。首先我研究了手边所有的相关报道，不管是动物行动主义或是恋兽色情狂（zoophilia），我都来者不拒。我发现，以某些角度来看，人类与动物的关系确实与性别息息相关。不过另外我也发现，男性与女性在人类与动物的关系上所表现出的差异，也与所讨论动物的种类有着连带关系。

男性或女性最爱宠物

令人讶异的是，其实男性、女性在与宠物建立亲密关系这点上来看，几乎没有太大差异。美国宠物主人的男女性别比例约为5比5，而不管哪种性别的主人都喜欢为宠物准备圣诞礼物。若要讨论会不会让宠物上床这个话题，男性女性更是没有任何差别（女人会答应让宠物上床，但男性点头的比例也半斤八两）。不过，男性也和女性一样和宠物拥有极度亲密的关系吗？

人类-动物互动学家已制定出一套标准问卷，调查人们有多么爱自己的宠物。举例来说，有一份相当常见的范本如此问受测者，你是否同意以下观点，“我愿意为宠物做一切的事”以及“我的宠物比我的朋友还来得重要”。虽说女人看似比男人更爱宠物，但是实际差异其实相当微小。没错，女人确实在宠物之爱的测验上得分较高，但若比较男女平均值的话，差异微乎其微。

不过假使论及照顾宠物的方方面面，我们确实可以察觉性别所造成的差异。我想你早就猜想到女人比男人更爱为宠物穿衣服，这差距确实有两倍以上。美国约有3/4的饲主家庭由女性负责喂狗、清理猫砂，而兽医诊所内的饲主约有85％为女性（许多兽医甚至告诉我许多男性带宠物就医时，还会带着太太亲手写的纸条，解释小斑点或球球到底发生什么事了）。

原本我一直以为男性与女性会以不同的方式和宠物玩耍。毕竟男生不都倾向于和宠物玩摔跤、格斗等打闹游戏吗？我的家人们确实会因为性别而与宠物有着不同的游戏方式。举例来说，玛莉·珍和我的女儿贝特西、凯蒂喜欢轻轻拍打狗的头，而亚当和我则喜欢和狗玩摔跤、赛跑或是拉扯游戏。

不过，证据显示我的假设只适用于赫尔佐格一家。意大利研究者发现男性与女性都以类似的方式与动物玩耍，另一份研究兽医诊所等待室男女饲主如何和狗互动的报告也发现，性别并没有造成互动的差异性。发展心理学家盖尔·梅尔森（Gail Melson）要求家长们评选孩子们比较喜欢和以下哪种对象游戏：其他较小的孩童、婴儿、绒毛动物、娃娃以及宠物。你可能预期女生可能比男生对婴儿、娃娃或绒毛动物更有兴趣。结果，出乎我的意料，她发现不分男女，小朋友们都以类似的方式照顾宠物或与宠物玩耍。盖尔相信，对小男孩来说，这恐怕会是他们唯一的照顾另一个生物的机会。

女人确实对外形可爱的生物会比男性来得更有反应。英国研究者最近发现有两种类别的女性最容易因为婴儿的可爱而做出反应：处于适合怀孕年纪的女性和正在服用避孕药并因此拥有较高荷尔蒙激素与雌激素的女性。可爱的动物对女性而言也很有吸引力。加州大学圣芭芭拉分校的研究者们对一只叫作歌蒂（Goldie）的黄金猎犬的可爱度与其年龄增长的关系感兴趣。该研究持续了整整五个月，每天主人（由研究者所假扮）会带着歌蒂坐在校园里人流量最多的地方，并记录有多少人会停下脚步拍拍歌蒂的头或是跟它玩。随着歌蒂从幼犬转变为成犬，它吸引陌生人停下脚步的机会也越来越低。而当歌蒂长大后，女性对它的注意力大幅降低。在歌蒂最可爱的时期，女性陌生者与它互动的频率比男性陌生者高出两倍。当研究进入尾声时，会停下脚步和它说说话、摸摸头的女性仅剩原先人数的5％，此时，男性女性与歌蒂互动的频率也达到5比5左右，性别的差异已经消弭于无形。

性别差异与对待动物的态度

耶鲁大学斯蒂芬·柯勒特（Stephen Kellert）的整个学术生涯都在研究人类面对其他物种的态度。他发现，女性向来比男性更在乎动物保护议题。不过同时女性惧怕蛇与蜘蛛的程度也较男性高了三倍。虽然男性比女性更为了解其他物种的生物学与生态学，但是柯勒特认为他们更容易因为动物的“功能与娱乐”价值而欣赏动物，换言之，男性比女性更容易认可因为娱乐或利益而杀害动物的举动。

对待动物态度上的性别差异也存于其他社会之中。芝加哥科学学院的琳达·皮弗（Linda Pifer）访问居住于美国、日本以及13个欧洲国家的成年人，如何看待使用大猩猩与狗进行科学实验，以获得人类疾病的治愈方式。结果，在所有国家中，持反对意见的女性都多于男性。瑞士的研究者分析了全世界关于不同性别对待动物科学实验态度的报告，结果没有任何一国的女性比男性更为支持动物实验。

然而过度随意地将性别差异与对待动物的态度做配对也很可能出错。事实上，若比较如何看待使用动物的公众态度，不同性别之间的差异并不大。举例来说，全国民意调查中心（National Opinion Research Center）进行大规模抽样，访问男性与女性对以下陈述的看法：“如果可以拯救人命，我们是否可以使用动物进行医疗测验。”研究者发现，两性中表达“强烈赞成”的男性多于表达“强烈赞成”的女性。而表达“强烈反对”的女性则多于有同样观点的男性。然而，多数人倾向于对此陈述句保持中立态度，有些女性比起男性更为支持动物实验。此研究展现了性别差异的一个重要观点，那就是以心理学特质而言，男性女性互有重叠之处。这表示，通常相同性别之间的个体差异往往比不同性别之间的差异来得大。

女人发起行动

不过，虽然男性女性面对动物福利议题的态度大抵相同，但是若问及是否愿意付诸行动的话，男女则是大大有别。

2005年9月12日，人类-动物互动学者莱斯莉·艾尔文和她的三位好友一起踏上飞机从丹佛出发前往路易斯安那州。众人的目的地为冈萨雷斯的拉马尔-迪克逊博览中心（Lamar-Dixon Expo Center），也就是卡特里娜飓风后的动物救援组织基地。一行人对即将到来的巨大混乱毫不知情。当晚艾尔文写下如此悲伤的田野笔记：“谁能想象当数千只狗一起吠叫时的声音？在今天以前，这问题恐怕听起来会是个永远的谜题。不过现在我知道一千只狗叫起来是什么声音了。我希望，每个人都可以听听看。那听起来像是混杂了无用、无助以及对一切感到绝望的声音……我相信，在未来很漫长的一段时间里，这都会是我挥之不去的梦魇。”六天以后，艾尔文也成为卡特里娜飓风的受害者。她在六天六夜不眠不休的动物抢救过程中遭受了极大的心理与生理伤害，她病倒了，被火速送进医院。三年后，她仍旧可以在脑海里清晰听见数千只狗同时嚎吠的声音。投入卡特里娜飓风动物救援工作的多半为女性，她们成为（试着）拯救动物的英雄。

女性比男性更容易因为受苦的动物而改变自己的生活。当代动物权运动的主要生力军皆为女性；所有的动物解放社会学研究都发现女性投入马戏团、动物实验抵抗游行或是在保险杠上贴“肉食是谋杀”（Meat is murder）的数量较男性多了三四倍。有趣的是，动物保护运动内的行动者性别比率已有150年未变。即便在维多利亚时期，当时大英帝国或美国的动物福利组织内的女性成员约占总数的4/5。

不过，除了动物解放运动者以外，其他领域的女性仍旧较男性更为关注动物的状态。华盛顿特区国立动物园内有数百位贡献心力的义工，这些义工每天花数小时和游客耐心解释动物知识，其中多数义工为女性。她们会向游客解释：看起来像是被苔藓包裹住的花岗岩其实是一只数百斤重的大鳄龟，大象安比卡（Ambika）已是60岁的奶奶，以及侏儒河马与河马宝宝的差异。而多数的动物照护员也为女性。我在1月雪季中的动物园漫步时巧遇一位动物园员工。她告诉我在大猩猩园区里所有负责照料黑猩猩、大猩猩、红毛猩猩的工作者都是女性。

女性几乎主导了草食性的动物保护运动。美国两大主流保育组织——美国预防虐待动物行为协会、美国人道协会中约有85％的成员是女性；在救狗员中，男女比例为1比11；在高中生里，每年拨通全国反活体解剖热线的女学生比男学生多了三倍，她们多半因道德因素希望关闭生物解剖实验室。而因为道德因素放弃肉食的人之中，更是女多于男。

依附关系中的黑暗面：动物虐待事件中的性别差异

但若因此认为所有女性都对动物很仁慈的话，那就错了。

2006年1月某个清晨，乔安妮·希诺乔莎（Joanne Hinojosa）和丈夫在家门前争吵，两人感情向来不睦。两人的争执愈演愈烈，乔安妮重重甩了丈夫一巴掌，而丈夫则跑到街上找警察。这时，乔安妮把矛头指向了他的狗。她把一只9公斤重的混种母狗马蒂（Marti）抱回屋子，并开始捅它。警方随后发现马蒂倒在血泊之中，一把匕首插在它的左侧身躯上。马蒂身中27刀。警方火速将马蒂送往班怀特动物诊所进行急救，但为时已晚。乔安妮的律师声称他的客户罹患创伤症候群，后来乔安妮因虐待动物被判有罪，必须服六个月的刑期并且接受情绪管理课程治疗。

令人讶异的是，与配偶相关的动物虐待事件频繁发生。宠物时常在家庭争吵时遭殃。发展心理学者同时也是丹佛大学人类-动物关系所所长的科恩发现约有70％的受暴女性表示她们的伴侣曾经或曾威胁要虐待或杀死动物。他们的暴行包括开枪射杀家中的狗、放火烧死小孩养的猫等。乔安妮的案子真正不寻常的地方只在于她的性别。

受虐宠物网站追踪媒体所报道的动物受虐事件，其资料库供我们了解动物暴行中的性别差异。该网站所追踪的1.5万起动物受虐事件中，有70％的加害者为男性。不过，此数据似乎有误导之嫌。若比较因为散漫、判断力错误、愚蠢所造成的忽视宠物状况的问题而非有意虐待动物的话，男女犯错的比例不相上下。不过若我们忽视此一面向的情况，那么几乎所有针对动物的丑陋犯行者多为男性；94％的殴打、91％的烧伤、84％的绞伤、94％的吊死、92％的踩踏致死、94％的枪杀与95％的刺杀动物事件，犯者皆非女性。

太爱宠物的人：性别与动物囚藏

唯独某一种动物虐待的行为，其施暴者为女性多于男性。女性被抓到囚藏动物的比例比男性多了三倍。某个夏天我邀请一位女性到我授课的课堂演讲，课堂结束后，她提起自己有兴趣把房子卖掉。当时我和玛莉·珍正四处看房，因此兴致勃勃。隔天我就开车到这位女士家中，房屋地点在绿溪附近的半山腰上。那间房子不但隐蔽，朝南，还能远眺北佐治亚州的景色。这根本是我们梦寐以求的房子。我期望满满地敲了敲前门。

我想，房子中的屎尿之臭已经超过“无法呼吸”可以形容的了。客厅里满是猫咪与衣服。一包18公斤重的猫饲料半倒撒在地板上。环顾四周，无处可坐。昨天在课堂上看起来再正常不过的那位女士此时焦躁不安。她很不安地向我道歉，称事情有点超过她的掌控之外，原本她打算在我来访前好好地整理一番。我算了算屋里大约有两打多的猫，树林里或许还有更多猫在徘徊。我无法久待，也没有买那间房子。说不定我可以用便宜的价格买下它呢。

兽医流行病学学者盖瑞·帕特罗尼克（Gary Patronek）所主持的跨系所研究“动物囚藏研究小组”（Hoarding of Animals Research Consortium）估计，美国每年约发现两千件动物囚藏案件，其牵涉的动物高达20万只。人们通常不认为囚藏动物与暴打、枪杀动物一样残忍，但是站在动物的角度来看，囚藏的情况或许更糟，而其受虐状态可能长达数年。

大众对动物囚藏的印象八成是个疯癫的老女人独自一人居住，有天邻居们终于受不了噪声和恶臭，向给健康部门检举。这刻板印象和事实相符吗？有些时候，还真的没错。基本上约有75％至85％的动物囚藏者为女性。她们多数独居，有半数以上超过60岁。据《关于动物囚藏：芭芭拉·埃里克森与她的552只狗》（Inside Hoarding: The Case of Barbara Erickson and Her 552 Dogs ）一书作者爱尼·阿尔鲁克（Arnie Arluke）与塞勒斯特·基伦（Celest Killen）的结论，我所看见的女屋主或许可归类为初期囚藏者，当她的生活挤进二三十只动物时，一切开始快速走样。囚藏者所圈禁的动物可能超越你我的想象。最著名的记录为“2006年兔子大拯救”案件，当时救援队从杰基·德克尔（Jackie Decker）位于内华达州雷诺的两幢小公寓中救出约1700只兔子。

近日一项针对动物囚藏所造成的大众健康危害所做的调查指出，所有囚藏数量超过一百只动物的事件，其囚藏者皆为女性。通常囚藏者居住环境不是相当糟糕就是极端恶劣。若囚藏者为独居，那么环境多半超越常理界限。有超过半数的囚藏者家中没有瓦斯炉、热水、堪用的洗碗槽或冲水马桶。约有40％的囚藏者家中没有暖气，80％的囚藏者家中没有淋浴设备或冰箱。对生活于其中的动物而言，此类环境相当骇人——不管是猫咪、狗狗、大肚猪、兔子都骨瘦如柴而且满身是病，已陷入疯狂状态。通常当救援队首次踏入囚藏者家中时，必然会遇见被吃到剩一半的动物尸首。

临床医师试着对人们的囚藏行为做出解释，其中最古怪的一个理论认为针对猫的囚藏起因于猫咪体内含有的弓形虫病（Toxoplasmosis）。虽说认为脑内寄生虫导致囚藏行为这点尚未被科学界证实，不过这引发了我的好奇——被寄生虫寄生的老鼠突然深受猫咪的吸引，甚至被猫尿趋引。以人类来说，毒物感染往往会引起心理疾病或神经过敏症（neuroticism）。不难想象，被寄生的大脑有可能会使人对猫群的判断力大幅降低，甚至可能因为神经元细胞被摧毁，以至于他们对公猫的尿以及其他人避之唯恐不及的臭味不以为意。不过，比较合理的解释则认为动物囚藏与痴呆症、强迫症、容易成瘾的性格、社会网络断裂与妄想症有关。动物囚藏者往往认定他们的动物非常快乐，甚至认为自己具有与动物沟通的特殊能力。

虽然人类-动物互动学者无法厘清动物囚藏的真正原因，研究者认为要治愈此类失常几乎毫无可能，囚藏者再犯的概率高达百分之百。以内华达州雷诺的例子而言，援救者约四年前才救出近五百只遭监禁的兔子。尽管这些兔子几乎都难逃安乐死的下场，但是地方法官以相当戏谑的态度审理此案，甚至驳回一项法庭命令的请求——阻止囚藏者再次获得动物。

我个人推测囚藏的起因或许是出于复杂的善意，希望解救动物，但却无法划下道德的界限。这也让对动物解救问题更为关切的女性容易成为潜在的囚藏者。过去数年来，我与我的学生持续访问动物援救单位。虽然多数的救援者都挺正常的，许多人根本堪称圣人等级，不过我们不时也会遇见一些危险人物。我们常在访谈中问对方拥有多少动物，通常的答案都会是：“两只狗、一只猫和一只鹦鹉。”不过有时候，某些援救者一听到这个问题时，就会低下头、微笑着说：“嗯……可能……太多了。”很明显，受访者听起来就不会让我们登门造访。

曾经有那么一次我突然瞬间了解了为什么有人就是要带一只或两只动物回家。当时我正在参观市立动物收容所。我看到一只侧躺着的小斗牛犬在隔离区的笼子里喘着气。它抬起了头，用全世界最悲伤的眼神望着我，好像在说：“你可以把我带走吗？拜托你。”我感到胸口一紧，知道事情不妙了。我想如果不是因为它有传染病不能收养，我一定会立刻把它带回家。

每年会有约8000只狗与猫进入收容所，约有40％的小动物会和挂着满脸微笑的主人一起回新家；其余60％，多数为猫以及几乎所有的黑狗、混种斗牛犬的前腿静脉则会被注射数cc的巴比妥钠，并在数秒钟后昏昏睡去。

我的导游也就是收容所负责人贝琪（Becky）已在此服务了近15年，她深爱动物，此话真的不假。当我们挤进放着一排又一排的不锈钢铁笼的通道时，她指着一只猎浣熊犬说这只猎犬当初在大橡树沟（Big Oak Gap）附近走失，接着她又转头和一只橘色猫咪打招呼并呼唤它的名字。后排的笼子更显拥挤，我耳里传来连绵不断的吠叫声。我们根本无法交谈。有些动物看起来情况还可以，有些则是吓坏了。

贝琪的任务就是想办法让这些被遗弃动物过得更好。她自己也有宠物——三只猫、三只狗和三只鸟。当我问她这几年来共安乐死多少动物时，她的职业矛盾感立显无疑。

她看着我，好像我问了一个蠢问题一样。

“超过一千只吗？”我很怯懦地开口。

她沉默了好一阵子说：“至少吧。”

“你怎么保持平静的啊？”

“总有人得做这件事。我不会过度感伤。”她回答。

接着她给我看一封数天前发出的邮件，邮件发信者为另一个收容所的负责人，她几乎每晚回家都泪流满面。那位女士内心相当纠结。“我恨我的工作，”她这么写，“我恨这些事情，这些人永远都不会懂把宠物丢进收容所会如何影响它们的生命。我尽我所能地拯救每个生命，但是每天总有更多的动物被送进来，而收养者的数量远远不及于此。”贝琪跟我说，她认为这位女士根本不该担任收容所负责人。

贝琪面对工作的热情与开朗深深地印在我的脑海里。她真的选对工作了。然而，并非所有她管理的义工，都有和她一样好的状态。她必须悉心观察，并留意潜在的囚藏者，她得多多注意无法承受这份工作的道德重量的人。

先天与后天环境造成的性别差异

在阅读数百篇关于性别差异与动物互动关系的论文后，我得到几项结论：首先，一般来讲，女性比男性更容易对动物产生情感。其次，我们通常对于两性如何与动物相处有着既定的刻板印象，虽然这确实符合部分事实，不过男女两性不管是在选择与宠物同住或幼童时期如何与宠物玩耍等，几乎都没有太大的差异。唯独当我们讨论大众如何看待动物实验等议题时，性别差异才会表现出来，然而两性之间又有着意见重叠之处。实际上，只有当我们分析较为极端的例子，例如动物权行动主义者或动物施暴者时，才可看得见明显的性别差异。

所有人都想知道，所谓的性别差异究竟是来自先天还是受后天的影响。此问题背后显然包含着既定成见；当哈佛校长劳伦斯·萨默斯（Lawrence Summers）表示女性在科学研究上表现较为逊色的原因很可能来自生理学的差异时，他立刻被革除职位。此般提问也违背知识原则。若希望将人类对动物的情感等类似的复杂问题归因于先天或后天因素，无疑是过度信赖单一的主因。事实上，不同性别者对待动物的差异态度为诸多因素影响之结果。部分社会科学家认为女性对动物权议题有感的原因是因为不管女性或是动物，都是男性霸权剥削的牺牲者，也因此女性比男性更具备对动物的同理心。其他学者则将性别差异与社会化相联系，举例来说，布莱恩·勒克曾于著作《暴行：男子气概与动物剥削》（Brutal: Manhood and the Exploitation of Animals ）中表示，在我们的文化里，男孩几乎从出生开始就被灌输漠视动物的观念。

当然不管是社会化过程或剥削行为，都间接造成不同性别对待动物的差异态度。不过生物学也在人类-动物互动关系中扮演重要的角色。举例来说，几乎在所有的人类文明中，狩猎都被视为男性活动，嗯，差不多是全部的人类文明吧。只不过在刚果共和国的爱图利雨林里班姆布堤族（Bambuti）的侏儒妇女会帮忙驱赶猎物入巢，而亚马孙盆地的玛塔斯族（Matses）妇女通常会参与丈夫的狩猎行动。当她们发现猎物后，会以矛与大砍刀杀死动物。由于狩猎旅行通常会远离部落，因此部落男女时常会在猎物销声匿迹的空当享受丛林性爱。也因此，实行一夫多妻制的玛塔斯族男人多半仅会携带一位妻子狩猎，而当其他妻子参与狩猎的次数不够多时，还会引发抱怨。不过，类似的女性狩猎文化极其罕见。对多数的人类社会来说，狩猎活动的性别单一程度大概和绿湾包装工队（美式橄榄球队）中场休息时的更衣室差不多吧。

许多发展心理学者认为人类行为极早就出现了性别差异，因此性别差异并非社会化的结果。大约在三个月大时，男婴就比女婴更擅长精神旋转（mentally rotate），此外更有数项研究显示（我知道这很难令人相信）公猴会较喜爱男孩喜欢的玩具，而母猴则对女孩喜爱的玩具爱不释手。公猴喜欢“男生”玩具（例如卡车），而母猴则喜欢柔软、适合抱在怀里的物品。有时，我们也会在婴儿身上看到人类的差异反应。举例来说，女婴比男婴更快地将蜘蛛、蛇与恐惧经验相连。

我们身体中的化学物质也会影响我们与其他物种间的互动，有数种荷尔蒙会影响我们对其他人或动物产生同理心。其中一种就是催产素，会激发人类的母性本能，促进个人与社会的关联性。催产素会在怀孕期急遽增加，并于生产、哺乳与性高潮时达到高峰。催产素也造成两性在同理心上的差异表现。好比男性较女性更不擅长解读对方所隐藏的情绪，但若有微量催产素于男性身上出现时，他们会暂时提升情绪智商，也会比较慷慨。

所以，催产素是否正是人类与动物之间关系的黏着剂呢？梅格·达利·奥尔默特（Meg Daley Olmert）相信此说法。她于著作《天生一对：人类动物关系中的生物学》（Made for Each Other: The Biology of the Human-Animal Bond ）中指出，宠物为“催产素的泉源”，而喜爱动物的人每天都会因催产素而容光焕发。很可惜，此说法源于仅有18人参与的单一实验研究。没错，研究者确实发现当人们与狗狗接触后催产素会升高，但是他们同时也发现，即便默默坐着读书也可以让催产素等量上升。近年来的实验则认定催产素对于人类与动物互动关系有着综合性的影响。有一份研究发现当女性与狗玩耍时，荷尔蒙会逐渐上升，但当男性做相同的事的时候，荷尔蒙分泌量反而会减少。一群日本研究者却发现，饲主的年纪以及狗与饲主的眼神接触程度才是决定荷尔蒙是否会上升的关键。密苏里大学的研究者则发现与宠物的互动和催产素多寡毫无关联。因此，尽管催产素或许和人类-动物互动关系有所关联，但我们仍需要更多的科学佐证，才能了解催产素在人类动物亲密关系中所扮演的实际角色为何。

男性荷尔蒙睾固酮则让人缺乏同理心。不管是男性或女性，当血液中的睾固酮提高时，攻击性也会提高，而同理心则会下降。睾固酮也会影响饲主与宠物的相处状况。得州大学的亚曼达·琼斯（Amanda Jones）与罗伯特·约瑟夫（Robert Josephs）则发现男饲主唾液中的睾固酮含量多寡会影响他如何对待刚结束竞速比赛的狗。若男饲主含有高睾固酮分泌量，那么他会对比赛失败的狗进行惩罚甚至拳打脚踢，相反，拥有低睾固酮分泌量的男饲主则会以爱与包容面对狗，不论成功或失败。

钟形曲线中的性别差异

我们几乎可以认定人类与动物互动关系中的性别差异为政治、文化、演化甚至生物化学等各方面的综合影响结果。那么除了先天或后天因素等陈腔滥调的刻板讨论外，我们还有其他方式能解释男人与女人对待、思考动物或巨大或微小的差别方式吗？当然有的。

多年前，我曾在《纽约客》杂志上读到《引爆趋势》（Tipping Point ）作者马尔科姆·葛拉威尔（Malcolm Gladwell）所写的一篇较冷门的文章。该文标题为《运动禁忌：为什么黑人比较像男孩而白人像女孩》（The Sports Taboo: Why Blacks are Like Boys and Whites Are Like Girls ）。葛拉威尔在文中写道，在我们期望了解种族与性别差异之前，必须先明了统计学家称作常态分布的钟形曲线。钟形曲线可以解释许多心理学与生理学的现象。其概念相当简单。不管是性格的外向性或是金翅雀鸟喙的尺寸，多数结果都会落在钟形中央顶点的两侧，当你往两个末端移动时，落点将越来越少。我们可使用IQ测验来解释钟形理论特性。美国人平均智商为100，50％的人拥有超过100的智商，但仅有2％的人智商超过130，而在每1000人之中仅有1人智商超过145。

钟形理论有时会被曲解为带有种族歧视意涵，那是因为1994年心理学者理查德·贺恩斯坦（Richard Herrnstein）所出版的书名相当直白的《钟形曲线》（The Bell Curve ）中，曾使用该理论说明种族之间的智商差异，政治科学家查尔斯·穆里（Charles Murray）更曾附和此说。不过，钟形曲线只是形状而已，根本无法说明不同族群间的基因或环境差异。虽然钟形曲线无法说明性别差异为何存在，但是它能帮助我们理解为什么多数的动物权行动主义者都是女性，而多数的动物施暴者为男性。

我的观点是，许多性别差异包括面对动物的态度仅只是心理学者感到陌生的统计学原则。让我试着说明：当两条钟形曲线交会时，即便平均值仅有微小差异，但当逼近两条曲线末端时都将有着极大差异。

身高就是个极好的证明。在美国，男性的平均身高比女性高出8％；这听起来或许差别不大，但是性别差异在身高最高与最矮的区块会显得更为巨大。举例来说，在身高超过1.55米的人之间男女的比例为30比1，但是若我们比较身高超过1.83米的性别人数的话，男女比例会升至2000比1。

此统计原理，即平均数所表现的细微差异，会演变成尾端部分的极大差异现象，说明了很多人类行为中的男女差异性。好比女性因厌食症导致死亡的概率比男性就高了十倍，这极端的结果其实肇因于美国女性平均起来较男性更为在乎身材一点点。而男性犯下杀人案的比例较女性多了六倍的原因，其实仅仅来自美国男性平均起来比女性较为具有一点点攻击性（其程度极其微小）。

所以，赫尔佐格版本（从葛拉威尔那儿偷来的）的人类与动物关系性别差异理论如下，假设我们将“喜欢动物”视为心理特征，分析全美人口的喜好差距，我们会得到一条钟形曲线——多数人会落点在中央，少数人会以近乎变态的方式溺爱着宠物，而极少数的人则是痛恨动物。假使女性平均较男性更为喜欢动物一些，两条钟形曲线将会有许多部分重叠，这也是确实的情况；若我的钟形曲线概念确实正确，那么当曲线趋近喜欢动物或痛恨动物的尾端时，两性别间的差异会更加明显。

当然，上述为已知的结果。在极端热爱动物的人之中（那些快要超出钟形图外的囚藏者），女性与男性比例为10比1；至于在极度痛恨宠物的人之中（病态的虐待动物者）男女比例甚至更为剧烈。重叠的钟形曲线也说明了为什么多数动物权行动者为女性。民意调查显示，女性往往比男性更在意动物福利，只不过两性间的差异相当微小。事实上，同性别间的个人对待动物的态度之差异远较不同性别间的个体来得更为明显。不过，若我们再次往尾部移动，我们会观察到极其剧烈的两性差异。若比较极端爱护动物的人，女性赞助美国预防虐待动物行为协会、抵制马戏团或出现在动物权利游行现场的概率较男性高了四倍。至于在痛恨动物的族群里，多数男性比女性更容易因为猎杀动物而感到满足。

钟形理论可以为人类-动物互动关系间的性别差异找到解答。不管为什么六岁小女孩第一次参观动物园时心里会想“我为那关在牢笼里的可爱猴子感到悲伤”，无论其原因来自文化或演化，钟形理论依旧成立。反观男孩也是，在他们青少年时第一次和爸爸出外狩猎——慢慢深呼吸，握好枪杆，准备扣扳机，发射！

06
旁观者所见
斗鸡和大餐，何者较为残酷？

那种任凭两只动物互相残杀的人本身根本没胆成为恶霸，他们是懦夫中的懦夫。

克里夫兰·阿摩斯（Cleveland Amory）

斗鸡是最人道甚至是唯一人道的游戏。

斗鸡手菲茨-巴纳德（L. Fitz-Barnard）

我开车驶上40号州际公路前往纳克斯维尔市，准备访问多年前撰写鸡的行为与斗鸡手的心理状态博士论文时认识的老斗鸡手艾迪·巴克纳（Eddy Buckner）。在离田纳西线十来公里处，我发现有众多白色羽毛从我的挡风玻璃前飞扑而过。我加速超越了几辆18轮的牵引式挂车，来到两台平板拖车的正后方。每部拖车都装有34个铁线笼，里头装满了鸡，正风驰电掣地前往屠宰场。铁线笼约有1.2米长、0.9米宽、0.25米高，里面装了近三四十只鸡。我在脑内盘算了一下：如果每3只鸡占据0.09平方米的笼内面积，那么每台卡车上约有1000只鸡，这些鸡根本就像浸泡在罐头油水里的鳀鱼一样。现在室外温度约13摄氏度，鸡就暴露在高速公路的噪声与凄风苦雨间。拖车以时速80公里的速度越过州界线进入被称作“公鸡镇”的地方。受飞车震颤，鸡们把头埋在翅膀下，惊恐异常，羽毛漫天纷飞。我心想，为什么联邦动物保护法不管管公路上的商业家禽运输呢？

我跟着拖车行驶约32公里路，过了威尔顿泉出口，与2005年时早已荒废的444斗鸡场仅有投石之距，当时联邦调查局全力施压田纳西以东的斗鸡场。虽然30年间有不少鸡丧命于444斗鸡场主斗场内，不过有更多更多的鸡因为成群前来大烟山观光并在麦当劳狼吞虎咽六块鸡套餐的游客而丢了性命。我心里不免浮现了强烈的矛盾感，斗鸡比赛和鸡块餐何者更违背道德呢？

如果不是因为我的拉布拉多犬莫莉热爱生鸡蛋的美味，我永远都不会发现我所居住的小小社区里竟然有非法的地下斗鸡活动。在我们搬到山上不久，莫莉就成了小偷儿，开始从邻居霍巴特（Hobart）的鸡舍窃取生鸡蛋。有天下午我从工作地点开车回家看到莫莉匍匐在草地上，一只脚受伤了，还有一颗鸡蛋打在它脸上，我知道事情不对劲。隔天，玛莉·珍在杂货店遇见霍巴特的太太莱妮（Laney）时，顺便提到莫莉不知何故受了伤。莱妮说：“噢，霍巴特抓到莫莉又来鸡舍偷鸡蛋，就朝它屁股射击。别担心啦，只是用猎鸟枪而已。”

我不怨恨霍巴特，毕竟是莫莉先偷蛋的。但是我知道我得赶快解决问题。我想到的方法是，自己买鸡养鸡，教育莫莉别找鸡的麻烦。我开始搜寻“家禽”信息，很快就找到了我想要的资讯：鸡——每只2.5美元，请亲取，请致电石叉区霍尔科姆先生（R. L. Holcombe）。价格不错，而且石叉区也没多远。我跳上卡车开过山头。霍尔科姆的院子至少有半打的鸡四处奔跑，其中有几只褐色小母鸡以及外形较为抢眼的公鸡。霍尔科姆说它们是斗鸡，以前他曾经对斗鸡赛事非常热衷，但现在他手边只剩几只鸡当作宠物。我在霍尔科姆的后院乱跑了将近一小时才抓到一只公鸡和几只母鸡，不过更重要的是，霍尔科姆不吝分享他的斗鸡经验。一直到那时我才发现，我生活在一个隐形于我或是其他大学教授的世界里。

霍尔科姆先生说如果我想要更多了解斗鸡的话，应该去和北卡罗来纳传奇斗鸡赛手法博·韦布（Fabe Webb）聊聊。我拨了电话，而且出乎我意料，法博竟然邀我碰面。他年约70岁，一头红发，身材高大，脸色红润。我沿着泥土小径往山里开了约2公里路，法博的白色小屋三面都被皮斯迦国家森林公园包围。从山径上看不到法博小屋，不过却听得见鸣叫声。他养了十来只斗鸡，全都光彩夺目——有些色彩艳红逼近紫色，有着灿烂的绿色颈羽；有些全身雪白；有些则是浑身黑亮配有橘色颈羽。所有的斗鸡都被养在铁线笼里。

法博谈起斗鸡来滔滔不绝，因此，我一有时间就来请教他。他会带我到鸡舍，讲解每只公鸡的血缘。他随手撒点谷类，并且对着鸡发出咯咯叫声。有时他会指着战痕累累甚至一眼失明的斗鸡，骄傲地吹嘘说：“它可是六连胜的冠军。”不过事实上，法博在我拜访他的好几年前就已经退出赛事，虽说他偶尔还是会出现在赛场，坐在露天看台上，下个几注。

我百思不得其解。为什么有人明明那么爱鸡，却又要参加这种非法暴力的活动，因为几乎每场赛事都以悲惨死亡作结啊。某天下午当我在法博的厨房喝着最上等的北卡罗来纳州私酿玉米威士忌时，提出了这个明显很矛盾的问题。他立刻提议带我去看看斗鸡赛。他说他不认为斗鸡是像我这类型的都市男人们口中的残忍比赛，要眼见为实。我们没去成，因为我再三推辞。直到有一天我在报纸上读到法博过世的消息，我记得应该是心脏病发吧。

法博过世不久后，聘请我为兼任讲师的大学校长要我到他的办公室一趟。他希望我能接受一份终身教职，不过前提是我必须先取得心理学博士学位。突然之间，观赏向霍尔科姆买来的鸡已经不再是休闲活动，而是取得终身教职的门票。当时我已研究家禽行为许久，因此向教授询问是否接受我以“鸡”作为博士毕业论文的主题。我对由品种差异所造成的幼鸡行为的差异特别感兴趣，其中也包括了斗鸡在内。两个月后，我开始在自家地下室设置孵化环境。虽说要从大学家禽科学院取得罗德岛红鸡和白种来亨鸡的鸡蛋并无困难，但是要取得纯种的斗鸡鸡蛋可没那么容易。我通过各种人脉渠道，终于联系上几位住在田纳西的斗鸡手，他们很乐意帮我的忙。其中有一位叫吉姆（Jim）的男人，邀请我参加不久后在北卡罗来纳州举办的赛事。

这次，我同意了。

麦迪逊郡的五鸡赛事

比赛在麦迪逊郡一所废弃的艾伯斯教会学校附近举办，赛场外观看起来像是大型谷仓。我们付了门票，吉姆立刻趋前与朋友攀谈，我则是努力让自己看起来不要太突兀。空气中弥漫着浓浓的雪茄烟味，还不时飘来小吃部传来的咖啡与铁板煎汉堡肉的香味。现场有150人左右，大家都坐在露天看台上或是四处闲逛。人群中有位坐在轮椅上的男人，旁边则是他的太太和大概12岁大的儿子。在一阵嘈杂声中，主办人通过扩音器要求紧接着上场的斗鸡主人在场边待命。

每一个斗鸡手带来的斗鸡长相都十分怪异，因为它们的肉冠以及肉垂均已被人工摘除，身体背面及侧面的羽毛也经过悉心修剪，所以打斗时身体不会过热。其中一只斗鸡身子呈深红色，而它的敌手则是通身黑色。斗鸡和高中摔跤赛一样，会依体重而分类。打斗中令斗鸡丧命的，是用皮革与蜡线系在对手双脚后跟突刺的弧形钢刀。阿帕拉契亚山的古时传统斗鸡则是将6厘米长的鱼叉状钢刀绑于后脚，进行长刀战斗；而北方则喜欢使用短鱼叉刀身；菲律宾民族与西班牙斗鸡人则偏好仅绑于左脚的锋利刀片。

一位坐在看台上的秃头男子大喊，“我用二十五串二十赌灰色那只赢”。一位坐在场子对面的年轻男子指着他说，“算你一注”。吉姆向默默窝在角落的一小群人点着头说，他们都是经常下大注的老手。

比赛裁判是一位约50岁、人称“教授”的黑人男子达克，白天他是学校工友。他负责下令：“停止下注。”此时斗鸡手带着鸡笼子走入场中央。比赛场地直径长4.6米，周围的围篱约有1米高。当斗鸡看到对手接近时，立刻暴躁地将颈羽竖立成喇叭状，充满敌意地互相窥伺。在两只斗鸡短暂地互啄头部后，斗鸡手迅速地将两方分离，并退后至划在泥地上的起跑线。斗鸡手抱着他们的斗鸡蹲下来等待。达克发令“开战”，斗鸡手立刻松开斗鸡，比赛正式开始。我只看到满场乱飞的羽毛。

10分钟后，红色斗鸡的斗鸡手把那只已松垮的斗鸡尸体丢进专门收集鸡尸的大桶子里。在赌资结算后，另外两只斗鸡已经准备好进入新一回合的战斗，我听见达克再度下令：“开战！”

凌晨3点，我拖着疲累的身躯回家，彻夜辗转难眠。我试图为眼前的景象寻求解释。有句鲍勃·迪伦的歌词这么唱着：“有些事在眼前发生，但你不知道该怎么形容，琼斯先生，你知道该怎么说吗？”这就是本人当时的心情。

隔天早上，我和玛莉·珍说自己要暂时转换跑道当民族学学者。当然我绝对不是第一个想要了解斗鸡的学者。许多人类学家试图为斗鸡活动背后的意义进行解码——图腾、神话与符号学。1942年，格雷戈里·贝特森（Gregory Bateson）与玛格丽特·米德（Margaret Mead）曾著书研究巴厘岛斗鸡：“斗鸡与性征的关联来自抱着鸡的男人、场上流窜的性俚语、关于性的唱词以及遍布岛上的公鸡与男人的雕刻。”英国人类-动物互动学者盖瑞·马尔文（Gary Marvin）认为西班牙斗鸡的功用是庆祝男性文化，而普林斯顿社会学者克利福德·格尔茨（Clifford Geertz）则认为巴厘岛斗鸡活动的功用在于奠立男性在乡村的地位。近年来加州大学人类学者阿兰·邓迪斯（Alan Dundes）在《公鸡即阳具》（Gallus as Phallus ）中指出，斗鸡根本就是“有着自慰感的类男同性恋赛事”。

虽然这类准弗洛伊德的观点相当有趣，不过上述文章无法解释我在乎的问题——为什么这些再普通不过的男人会投入被美国人包括我在内视为虐待狂的活动呢？为了理解这些好人从事恶行的背后原因，我必须先了解他们的游戏才行。我必须扮演神经病学家奥立弗·萨克斯（Oliver Sacks）所称呼的“火星来的人类学家”。接下来的两年内，我驱车来回往返于东田纳西的偏远区域以及西部北卡罗来纳州之间访问斗鸡手，为他们与他们的斗鸡以及孩子拍照，并在隐秘的斗鸡赛事中采集数据和统计资料。慢慢地，我开始了解人们的想法，同时还得忘掉动物所遭受的虐待。

斗鸡文化：入门篇

让鸡相斗绝对是世界上古老而普遍的传统活动之一。我们所熟知的鸡禽类约于8000年前在亚洲野生丛林驯养而来。这种禽类天性善斗，人类很有可能在驯养鸡以便获得鸡蛋与鸡肉时，就举办过让公鸡打斗的比赛。斗鸡赛事源于东南亚，不久后传到中国、太平洋岛屿、中东，最后遍及希腊与罗马。年轻人被要求参与斗鸡赛事，以学习勇敢精神。这种比赛也周转流传至欧洲，尤其在西班牙、法国与英伦诸岛更为流行。之后，连哥伦布也携带鸡甚至斗鸡活动进入新世界，使其快速风靡北美与南美洲。

若想了解斗鸡，你必须先了解鸡。斗鸡人也相当迷信鸡的血统。他们老爱把混种的好处、同种异系交配以及同系繁殖挂在嘴边。他们像学校生物老师一样，可以向你解释F1和F2的差别。当我拜访斗鸡者时，他们会拿出已传用数十年的破笔记本。他们知道谁生了谁、哪只母鸡的蛋会孵出好的防守者或攻击者。现在他们已经把这些记录在电脑里建档。

斗鸡品种有上百种。它们的名字都很拉风：蓝面舱、凯尔索、阿肯萨斯旅游者、艾伦圆颅党、麦德齐灰草、屠夫、红葡萄酒。当斗鸡手培育斗鸡时，总希望所培育的斗鸡完美包含以下三种特质：首先是攻击力，斗鸡必须能精准地攻击对手身体，准确地刺穿对手的心脏或肺部；第二是翅膀必须强而有力；第三个特质则是最重要并且能让斗鸡手为之精神大振、大呼过瘾的胆子，也就是俗称的勇气。我问第三代斗鸡手约翰尼（Johnny）我要怎么向我的动物权行动者朋友形容所谓的勇气是什么。“勇气，”他说，“就是它们的心，它们愿不愿意战到最后一滴血。你养的那种只能在谷仓旁玩耍的就是弱鸡。它们没有得胜的天分。勇气就是要拿来打败敌人的。只有真正会拿到冠军的斗鸡才有这种天分，它随时准备为战而死。”

虽然斗鸡人也和英国狗会的成员一样在乎血统谱系，但他们认为基因好不代表可以培养成伟大的斗鸡冠军。你还得好好地养它。对于斗鸡版的“究竟好斗鸡是天生的还是后天养成的”这个问题，约翰尼的论点是：斗鸡的完美战斗力取决于85％的遗传基因与15％的后天训练。在正式比赛的几个星期以前，斗鸡人会让斗鸡进行特别的赛前营养“补给”。几乎所有的斗鸡人都有自己的一套法门。约翰尼通常会让补给期的斗鸡吃点维生素，每天还会给它好几个小时的自由时间在草地上找虫子吃。有些斗鸡人会在补给期给斗鸡吃士的宁（strychnine） [1] ，他们认为此药可以让斗鸡的血液变浓。有些人则会让斗鸡吃一点抗生素、睾固酮或兴奋剂。（约翰尼也试过让斗鸡服用中枢神经刺激剂，不过却发现这会让斗鸡在场上失控，所以只能作罢。）

斗鸡人把斗鸡视为运动员，也因此研发出赛前的体能训练方法，以增强斗鸡的耐力及敏捷度。约翰尼每天早上与傍晚会进行斗鸡训练。他有一个内含柔软填充物的长凳可供练习，他会让斗鸡平躺在长凳上，以便学习快速地飞立起来。他还会把斗鸡“掀倒”，以训练它们翅膀与背部的肌力。约翰尼的斗鸡和世界健身俱乐部的举重选手一样，会进行不同肌群的训练，他还会记录每只斗鸡的当日训练。在逼近比赛的几个星期时，约翰尼每天都会花六小时训练斗鸡。

斗鸡规则

所有的比赛都有规则，而全世界不同的斗鸡文化也有着自己的传统，用以规范斗鸡们的战斗。举例来说，安达露西亚斗鸡手不会在斗鸡脚上系上鱼叉，所以西班牙式的斗鸡赛通常都不致命。而在南美洲的斗鸡赛事普遍被称作斗鸡大会。在斗鸡大会中，每一只斗鸡都会进入预先排程的循环赛事。基本的比赛规则称为奥森规则（Wortham’s Rules），此规范从20世纪20年代就已拍板定案，在肯塔基山区或得州西部平原的赛事都依循此原则进行。

斗鸡规则相当复杂，绝不是把两只斗鸡丢入场中就可以了事的。比赛进行时，场中会有两只斗鸡、两位斗鸡手以及一位裁判。裁判负责控制场面，而斗鸡手通常不会是斗鸡的主人。他们会先将两只斗鸡带到足够互啄脸部的距离。接着，把斗鸡放在距离2.4米远的地方，两两迎面而立。当裁判一下令，斗鸡们就会被瞬间松开。它们快速且安静地冲向彼此，克利福德·格尔茨如此形容：“一种借翅膀扑动、鸡首冲刺、脚爪狠踢所呈现的动物愤怒爆发。它是如此纯粹、如此绝对，并呈现出一种空虚的华丽，像是一种柏拉图式的憎恨。”

大约在20秒或30秒间，其中一只斗鸡甚至两只斗鸡就已被刀片刺入身躯，它们瘫软在地，化为鸡尸。裁判指示斗鸡人走上去将两只缠斗的斗鸡分开，接着斗鸡人有20秒的时间准备进入下一回合的战斗。好的斗鸡人懂得鸡的身体结构，因此能够判别它受伤的严重程度，就像拳击选手在角落稍做休息便可重返战场，受伤的斗鸡仍可能继续返回决斗。通常斗鸡人会在斗鸡脸上泼水、会对着它的脸吹气让它冷静下来，也有可能会让鸡待在地上，让它独处，此时斗鸡可能会从喉咙里吐出血块。当休息时间终止时，斗鸡返回赛场。这个程序会来回反复直到冠军出现为止。

有时候其中一只斗鸡有可能会直扑对手并且一刀毙命，也有时会借由连番重击伤害对手，此时对手方的斗鸡人很有可能会直接弃权投降。不过通常得胜的方法是根据一套复杂的“得分点”取得胜利。除此之外，斗鸡界的最高标准仍是战斗精神，不管斗鸡是否被刺破肺部、脊椎碎裂或失明都无碍得胜。而得分点系统确保继续战斗的斗鸡能够赢得胜利，而停止战斗的斗鸡则落入失败方。当一只公鸡因为受伤或疲累而停止战斗时，对方斗鸡手就会对裁判说，“加我一分”。如果此只斗鸡连续四个回合都没有发动攻击，那么原本喊分的斗鸡人就会被判为冠军。不过如果原本已经鲜血淋漓甚至濒死的斗鸡突然向对手发动攻击，即便攻势薄弱，原本的喊分就会立刻失效。通常刺刀比赛会持续十分钟左右，当然有时候，某只公鸡幸运地一刀深刺对手要害，那么比赛就会立刻结束。不过，多数的比赛都会持续数个小时甚至更久。为了不让观赛者感到烦闷，延长赛会移驾到第二斗鸡场或“闲场”，而主赛场会保留给新登场的斗鸡。

近年来，斗鸡比赛和其他美国文化一样，都受到移民文化的深刻影响。新的斗鸡手在乎的不是血统而是刀片的选择，这类型的人造鸡距并非旧式的有着冰钻外形的刺刀。菲律宾人爱用长刀，外形仿若卢斯克里斯牛排屋拿来切上等后腰牛排的牛排刀。墨西哥人喜欢2.54厘米长、两端皆有锋利刀片的短刀。但是像约翰尼或艾迪这种老手对新式武器就不太热衷，他们认为刀片会让战斗力薄弱的斗鸡纯因运气而得胜。

不过斗鸡赛并没有你想象的那么血腥。艾迪的太太是食品业经理，她如此描述第一次和艾迪去唐雷洛赛场观赛的经验：“我还挺惊讶的。斗鸡看起来并没有那么激烈和血腥。而且观赛席的气氛也挺冷静的。那里的食物和厨房都很赞，是相当朴实的料理。”

赛事确实并不血腥。钢制鱼叉刀身制造的伤口不太会造成外出血，而羽毛也会遮盖外渗的鸡血。此外，斗鸡的血液通常较混种鸡更容易凝结。以斗鸡手的术语来说，斗鸡可以“吃进很多钢刀”。斗鸡手有一套丰富的词库形容受伤，当斗鸡被钢刀刺入肺部并发出诡异的风箱声时，称作“嘎嘎”（rattles）。当斗鸡被斗翻并造成脊柱碎裂时，称作“脱坠”（uncoupled）。有次我把在赛事中过世的斗鸡带回国立兽医病理学实验室进行解剖验尸——结果发现那位负责验尸的病理学家小时候在俄克拉荷马州也玩过斗鸡——当他划开鸡身时，显见有19处穿刺伤，而最致命的一击则在喉咙处。

其实斗鸡赛还挺直白的，几乎所有的输家都无法活着回家，只有赢家得活。不过偶尔也会有违反常理的事发生。有时候，会有斗鸡拒绝战斗，它在场上神色忧虑地晃荡。也有时候，斗鸡选择不战而逃，咯咯叫着边绕着场子狂跑，让主人丢尽颜面。也有的斗鸡反而喜欢和人类争斗，它们对场上的对手兴致缺缺，反而争啄对手斗鸡主人的脸。有一晚我目睹一只灰鸡将6.35厘米的冰钻插入一位斗鸡手的大腿深处，那位斗鸡手立刻面色苍白昏倒在地。斗鸡趣事就此再添一桩。

斗鸡和赌博密不可分。在斗鸡大会，有两种金钱流动的方式。首先，每位斗鸡手必须付一笔入场费，接着，赢得最多比赛的玩家可以将其全部捧回家。通常小型的阿帕拉契亚斗鸡场每次约有20名斗鸡手参加五鸡赛事，入场费为200美元，这意味着当晚的赢家可以带回大约4000美元的奖金。另外，场外亦进行针对比赛结果的下注活动。虽说每场比赛斗鸡手都会彼此下注，但是真正精彩的仍是场外博彩。每当斗鸡手带着斗鸡进入主场时，外围群众会开始大喊注码。通常群众的押注判断来自养鸡者的名声以及斗鸡本身的神采。当裁判判赢时，所有赌客会立刻得到注金。

当我开始遁入神秘的斗鸡世界后，其中一个令我感到诧异的现象就是该活动的透明坦荡。许多阿帕拉契亚地区的斗鸡选手根本毫不掩饰自身与斗鸡活动的关联，尽管该活动属非法行为。当我开车经过此区域时，看到上千只斗鸡在草原上乱窜，有些以木筒圈养成一区，有些则是住在类似童子军营地狗舍一样的木板屋子里。从州际公路望过去一览无遗。为什么这些斗鸡人都不会惹上麻烦？

道理很简单。在1970年，在阿帕拉契亚山区参加斗鸡活动的违法程度大概和随手丢垃圾差不多。确实，不管是北卡罗来纳州或田纳西州都禁止斗鸡，只是警察对这等程度的小事也不太会放在心上。即便在极少几次取缔的情况下，警察也顶多开个50美元的罚单，这对大伙来说根本不痛不痒。没有人会因此入狱。确实有些警长想进行调查，不过大部分的警长认为行之有年的斗鸡场对治安有益而无害，毕竟所有人都在下注，谁敢轻举妄动？斗鸡场往往都有一套潜规则，以避免纷争：赛场内禁止喝酒、嗑药、不准赖账以及万事听从裁判判断。赛场主人通常也很会和邻居打交道，免生事端。以前艾伯斯教会附近的斗鸡场主人每个周六晚上还会为附近的浸信会募款呢。

简单来讲，地方势力发现让斗鸡场好好营运绝对比将其边缘化来得更好。我想他们的判断无误。斗鸡活动混合了睾固素以及金钱，其爆炸性不言而喻。我只在某次斗鸡活动时感到害怕，当时并非正式比赛，而是个类似会外赛的局，这种比赛称为“决斗赛”（brush fight）。通常决斗赛为举办在谷仓或松树林的非正式比赛，只消几通电话就可以办成，不需要入场费，也没有付费的裁判、观赛者，还可以借酒助兴。我在一个炎热的纳克斯维尔下午参加了决斗赛，所有人都在喝啤酒。裁判是从观众群里随便抓出来的，他根本不知道自己要干什么。两位喝得醉醺醺的斗鸡手则针对裁判的决定大吵了起来，这要是在一般的斗鸡场里，肯定会立刻被轰出去，不过在决斗赛这里不会。两人吵得面红耳赤，最后其中一位斗鸡手顺手砸碎酒瓶，准备拿破酒瓶攻击对方，他一手狠狠地抓住了他的肩膀。那男人被刺后，大红鲜血滴落在手臂上，他带着鸡仓皇逃跑。我听见他大吼：“我要给这混账一个教训。我卡车上有猎枪。”我转头开始找逃跑的路线。很不幸，当天我很早就来看比赛，车子被数十辆卡车堵在最里面。不过，所有人都和我一样想赶快逃离携带猎枪的醉汉。短短几分钟内，车主们一哄而散，我也跳上了车。我头冒冷汗，心脏怦怦地跳，双手抖个不停，当时心想，我可能不是当人类学者的料。

将不合理之事合理化

在很多人的想象中玩斗鸡的人都是些社会边缘人，他们平常除了从虐待动物中得到乐趣外，就是在路上卖安非他命。不过我却发现，真正最让人感兴趣的斗鸡人的心理特质，就是他们都出人意外地正常。几乎我认识的所有斗鸡人除了有这项残酷的嗜好以外，其他方面都寻常无奇——他们有房，有老婆，有小孩，还有正当工作。

我认识的路易斯安那州的动物权行动者苏西（Suzie），为推动禁止斗鸡立法而努力了许多年。她所认识的南方斗鸡手和我所看见的相差无几。她非常鄙视斗鸡活动，然而，就像浸信会教徒所说的，他们痛恨罪行而非罪人，苏西倒是颇尊重斗鸡人。她曾经向我说过：“很多我认识的斗鸡人都敬畏上帝，有礼貌，重视家庭活动，他们从不碰海洛因或吸食可卡因。我坚决反对斗鸡活动，但是我并不认为斗鸡人就是坏蛋。”

如果斗鸡人都是嗜好虐待的变态狂，那我们或许可以比较容易解释为什么他们喜爱投入这项残酷的暴力运动。不过假使他们都是再正常不过的家伙，那么为什么会参加非法的而且被全美国人所唾弃的败德活动呢？结论是，所有的斗鸡人在心里都建立了一套道德标准，里头包含复杂的期望心态与逻辑，从而将斗鸡活动合理化。这点和其他任何剥削动物的人一样——猎人、马戏团训练师甚至科学家与肉食主义者。斗鸡人有一套说法将这种被许多人认定为悖德的活动合理化。

最人道的活动

大部分的斗鸡人都不认为斗鸡很残酷。他们认为打斗仅只是斗鸡的一小部分而已。他们会说光是从孵育到养成斗鸡就要费时两年，而比赛往往只持续数分钟之久，所谓的比赛对斗鸡手而言，只是部分过程。

不过难道斗鸡不痛也毫无伤残吗？我的朋友约翰尼认为刺刀降低斗鸡的伤害性。他认为，刺刀让决斗更公平，并让鸡获得公平的对决机会。他说，如果没有刺刀，鸡必须以脚上7.62厘米长的鸡距战斗到最后一刻。有天早上当我和邻居保罗·莱德福德（Paul Ledford）一起喝咖啡时，我问他普通的斗鸡赛到底会给鸡带来多少伤害。他摇摇头说：“鸡没有痛感，它们没那么聪明。”

有时候你又会听到完全相反的说辞，鸡只是选择奋战至死的道德代理人。根据此般说法，若不让斗鸡遵循天命，于斗鸡场奋力一搏，反而更加残酷。斗鸡手菲茨-巴纳德如此描述：“若代理人愿意，那么就没有残酷与否的问题。对斗鸡而言，战斗的乐趣就是它生命最大的乐趣。”菲茨-巴纳德认为斗鸡远较狩猎、钓鱼更具道德优越性，毕竟你所杀害的白尾鹿或是土褐色鳟鱼并没有决定权：“若参与者并没有参加意愿，那么残酷必会产生……毕竟没有人能假装鱼喜欢因贪吃活生生的饵而被钩刺致死，或喜欢狐狸被猎捕并被撕成碎片，又或宣称喜欢鸟和野兽中弹重伤而亡的感觉。”

我一点都不同意斗鸡能在比赛中获得飞禽类的自我实现的说法。这是完全错误的，斗鸡会加入战斗是因为它们的大脑经过数千年的演化与天择，必定会将鸡距刺入其他公鸡的身躯。即便它们希望不战而逃，但是斗鸡场的狭窄范围也由不得它们选择。不过呢，巴纳德将斗鸡与狩猎相比确实让人感到矛盾。每年美国境内约有30％、近1.2亿只野鸟在意识清醒的状况下遭捕猎者射杀而坠落地面。有些比较幸运的鸟会很快地被发现并快速地被杀死，但是大部分的鸟将缓慢地死去。巴纳德说得没错：合法的狩猎娱乐活动比非法的斗鸡运动会造成更多的伤害。

这没什么

另一种为斗鸡辩护的人认为这项活动没那么残忍的原因是斗鸡天生就是战斗好手，好比狮子天生就是斑马的克星一样。此为自然主义谬误（naturalistic fallacy）的一种。约翰尼向我解释：“我们只是在可控制的环境中重演自然，不管我们在不在现场，斗鸡们都会战斗。我们尽可能让两只斗鸡在最公平的状况下重现大自然里本来就会发生的杀戮。我们并没有强迫斗鸡战斗，它们为自身而战，这也是它们的天命。”我碰到过的大部分斗鸡手都是用这说法否定斗狗赛，就像艾迪太太说的：“斗狗和斗鸡不同。斗狗人刻意让狗变得凶狠。但是鸡天生好斗。不管你在不在现场，它们都会一决生死。”

我常会听到这种自然主义谬误的说法。有次我碰到一位反对动物实验的行动者对我说，艾滋病正是大自然减少人类数量的方式。我有次在派对上碰到一位女性对我说：“我真搞不懂素食主义者，人类已经吃动物数百年了。基本上牛和鸡会存在这世界上就是因为我们要吃它们，不是吗？”我没有跟她解释她的合理化方式听起来与斗鸡人约翰尼很像。我猜她应该无法体会两者之间的相似性。

世界上最善良的人

所谓的斗鸡规则并不是为了避免动物受苦而制定的，而是为了不让赌徒们起争执。一直到现在，斗鸡仍然会让人联想到其他犯罪行为。举例来说，美国人道协会认为斗鸡往往与性交易、身份盗用、抢劫、墨西哥毒品制造、非法赌博、贿赂、黑道活动、逃税、洗钱、非法移民、手榴弹、谋杀等联系在一起。

当然，斗鸡人不会认同这样的说法。他们认为自己是一帮信守同一套价值观的兄弟，他们在乎劳动、竞争，尊重文化传统以及热爱鸡的一切，并认为所有关于酒精、药品、性交易或洗钱的罪名都是无中生有的。约翰尼向我解释他们和动保分子的关系：“他们有点口无遮拦，称我们为皮条客和药头。对他们而言我们是社会上的败类，他们比较优越。他们也懂得如何在不认识我们的群众前塑造我们的形象。”好吧，他也承认斗鸡人里面有几个害群之马——有人作弊，在刀片上涂抹毒药或违反规则把长刀磨利。不过那是少数人而已。约翰尼认为，几乎99％的斗鸡人：“都是超级大好人。你看过有任何地方的人像斗鸡人一样，能不吭一声地将赌输的钱双手奉上吗？斗鸡人都是十足的绅士！”

大好人的说辞

斗鸡人也常常会用社会心理学者称为“与有荣焉”（reflected glory）的观点为“绅士说”辩护。他们的逻辑有点像这样：“如果某某某也玩斗鸡，大家就会接受斗鸡了。”通常的那个某某某包括了乔治·华盛顿、亚历山大·汉密尔顿、约翰·亚当斯、亚历山大大帝、伍德罗·威尔逊、安德鲁·杰克森、亨利·克莱、汉尼拔、恺撒大帝、托马斯·杰斐逊、本杰明·富兰克林与亚伯拉罕·林肯，而据传林肯确实曾经担任过斗鸡比赛的裁判。有时候甚至还有斗鸡人会提起成吉思汗与海伦·凯勒，虽然我真的怀疑后者对斗鸡会有哪怕一丝兴致。此外，现代斗鸡人也很爱提起英国皇室，他们认为斗鸡正是“贵族的运动”。

斗鸡让人越挫越勇

当北卡罗来纳州格林斯伯勒的鲍勃·基纳（Bob Keener）被问起为什么独爱斗鸡活动时，他这么回答：“应该是因为斗鸡会战至无力可战的那一刻的精神吧。我们有多少人可以做到这点呢？斗鸡会奋力一搏至死方休。这就是所谓的勇气或勇者之心。我觉得这点特别有意思。”我称此为道德楷模防御说辞（moral model defense）。对斗鸡人而言，斗鸡是地表最强生物。这就是为什么南卡罗来纳大学足球队会选用斗鸡作为球队标志。有一位斗鸡人在《精神与钢铁》（Grit and Steel ）中如此采用道德楷模防御说辞：“斗鸡对自己与家人都很忠诚——为付出那份忠诚，它必须有十足胆量……要有胆量，才能忠诚以待，不管是对自己的理想、对太太、对丈夫、对你的朋友或国家皆然。”

我爱我的鸡

以鸡的角度来看，当只斗鸡是挺不赖的。公鸡必须满两岁才能比赛，在此之前它们过着仿若纯种赛马的生活。当鸡八九个月大时，可以在院子里自由地奔跑。当公鸡进入发情期时，就必须单独关养，因为养鸡人希望它们能多多运动。通常养鸡人会把它们拴在两米大小的地方或是关在足以四处移动的大笼子里。约翰尼不但会到有机食品店买有机玉米给斗鸡吃，早餐还有水煮蛋、水果、绿色沙拉蔬菜，中餐则会吃一点薏米。每隔两天，约翰尼还会喂斗鸡吃山羊乳酪汉堡，补充营养。约翰尼小抱怨了一下：“我们给斗鸡最好的食物、最好的空间、最好的母鸡……却还要被说很残忍。”

艾迪·巴克纳和所有我认识的斗鸡人一样，都热爱自己的鸡。他说自己非常爱这些鸡，这我完全相信。他和法博·韦布一样，只要一谈起斗鸡，眼神中就闪烁着光芒。

“不过，艾迪啊，”我说，“你说你爱这些小家伙，你亲手花了两年把它们养大，每天花好几个小时照顾和训练它们。然后周末你带它们到斗鸡场，知道至少有一半的斗鸡都无法活着回家。然后你就把它们往场上丢去。这我真的完全不懂。”

“你必须知道界限在哪里。”他说。

“但你不是很爱它们吗？”我问。

“对啊。”

“你会给它们起名字吗？”

“当然会。”

“你看过斗鸡手因为斗鸡死掉而哭吗？”

“从来没有。”

“我真的不懂。”我跟他说。

动保分子与斗鸡手：不平衡的恨意

斗鸡手对上述说法深信不疑，他们不但真心这么认为，还老爱一脸严肃地告诉我，他们很愿意带动物权行动者去看看斗鸡赛，让他们认识到那是多么伟大的运动。当然，这想法有点滑稽。我所认识的动保分子都认为斗鸡相当残忍，而且他们的想法绝对不可能动摇。这导致了不平衡的恨意——动保分子对斗鸡手的敌意远大于后者对动保分子的不满。

家禽福利联盟为全美唯一的家禽权相关机构，创办人凯伦·戴维斯（Karen Davis）非常排斥斗鸡活动。她认为该运动和竞争无关，反倒是男性不安全感的展演场。她对我说，男子气概最矛盾之处就是男人彼此间的互相畏惧，他们害怕让其他男性窥见自己阴柔特质的一面。对她而言，斗鸡仿若成人版的校园霸凌：“我爸可以痛扁你爸一顿。”

当我问她对斗鸡人的看法时，凯伦说：“一只鸡不过到你膝盖的高度，而它们所仰赖的巨大男人却只会惩罚它们的肉体。然而最终极的惩罚莫过于将它们丢进赛场内让它们捉对厮杀。斗鸡人将自己的野蛮与嗜血性格强加在动物身上。然后他们还宣称自己爱慕并且深爱这些公鸡。我不认为天底下有哪只鸡会感谢他们。”

她说得对吗？这世界上有任何公鸡会心甘情愿成为斗鸡吗？当我在I-40公路上追逐着运鸡车时，我又再度思考了凯伦提的问题：我会选择当一只奋战的斗鸡还是商业用肉鸡呢？为了要回答这个问题，我们必须先了解工业用肉鸡的状况。

你想当斗鸡还是肉鸡

现代的肉鸡绝对是科技进步的结晶。我在公路上看到的鸡非常类似科布500型（Cobb 500）肉鸡，这算是全世界最受欢迎的肉鸡种类。科布500型肉鸡由跨国企业科布·凡特斯（Cobb Vantress）培育而成。该组织成立于1986年，为两大企业巨头泰森食品（Tyson Food）与厄普约翰（Upjohn）联合实验的基地。科布·凡特斯企业于欧洲、亚洲、南美洲和非洲都有分部，此外，该企业也推出鸡胸特别发达的科布700型（Cobb 700）肉鸡。科布·沙索150型（Cobb Sasso 150）肉鸡则为针对喜好有机食品与天然放牧的消费者而开发的产品；科布禽鸟48型（Cobb Avian 48）的广告词为“特别活泼”的鸡，转攻特别喜好活鸡的全球性区域市场。

这些鸡根本就是机器。科布500型母鸡在12个月大被“退场”之前平均可产出132只小鸡。通常小鸡的寿命比母鸡寿命还来得短。1925年，人们需要花费120天的时间以及4.5公斤的饲料才能养成一只瘦弱且仅有1.1公斤重的小鸡。现在，小鸡在六七周大时就会被屠宰，每只鸡重约达2.3公斤。科布500型肉鸡的成长速度大约比你外婆在谷仓养的鸡快上五倍，而且所需饲料也较少。科布·凡特斯让工厂只需花费680克的饲料就可以生产出454克的鸡肉。若从工厂的角度来看它们能带来更多的利益，当科布500型被拔除羽毛、切除脚部与头部、清除内脏与放血后，73％的身躯都可作为“可用屠体”（eviscerated yield）。

但廉价的肉背后必然有其惨重的代价。肉鸡的骨架根本无法承受极速发育的肉体。巨大的鸡胸压垮了肉鸡的脚，造成气力衰弱、肌腱断裂以及跛脚。剑桥大学动物福利系教授唐纳德·布鲁姆（Donald Broome）表示，肉鸡所遭遇的脚变形痛楚为全世界最严重的动物福利问题。工业养殖肉鸡普遍有关节炎、心脏疾病、猝死症以及代谢失调等问题。

这些注定会变成“六块鸡”的肉鸡生活在类似但丁所描绘的地狱般的地方。它们从未见过太阳或天空。由于它们上身过重，因此多数时间都平躺在肮脏的屎尿排泄物之中。通常，肮脏的环境让肉鸡们有胸部水泡、脚踝灼伤以及双脚酸麻等问题。普通的养殖鸡舍约有180米长、18米宽，可容纳约3万只肉鸡。肉鸡鸡舍往往非常潮湿，空气中弥漫着鸡尿中的细菌所产生的阿摩尼亚味以及数千万只鸡所排出的粪便臭味。瓦斯会灼伤肺部，灼伤眼睛并造成慢性呼吸疾病。

当肉鸡长到两三公斤重时，就会被送往屠宰场。不过首先你得先把鸡抓起来。廉价的捕鸡劳工会趁黑夜时前来。他们戴着口罩、穿着免洗制服，以鸡脚为抓取点，每手各抓五只鸡，并将它们塞进铁箱。如果想将3万只鸡都放进铁笼，那恐怕需要出动一整个小队彻夜不休地工作才能完成，这代表捕鸡人每晚共捕捉约15吨重的尖叫扑翅的鸡。通常捕鸡人浑身是伤、满是啄痕与鸡粪喷溅。据估计，约有1/4的鸡会在捕捉与装箱过程中受伤。布鲁斯·亨德森（Bruce Henderson）是我的昔日同事，如今已成为发展心理学者，他高中时曾经打工跑去当捕鸡人，结果只做了六天就离职了。

我们有更好的方式去捕鸡吗？答案就是机械采集装置。市面上有数种巨型机器可供选择，其中一种甚至还有超大的橡胶手指。南卡罗来纳州尼茨维尔的路易斯/摩拉（Lewis/Mola）公司开发的PH2000为最普遍的机型。此机器有12.8米长、7257公斤重，并且可以在短短3.5小时内将2.4万只鸡移出鸡舍。机器造型看起来颇像双头畚箕，两侧称作“捕捉头”的金属隔板会谨慎地将鸡赶进倾斜跑道。倾斜跑道的设计与输送带类似，并将鸡集中直接送进运输用的铁笼内，再运往处理厂。美国人道协会表示，机械采集装置会比徒手捕捉来得人道。毕竟鸡不会喜欢被人类抓住酸痛的双脚、头下脚上地摆弄。而且当鸡不明所以地经由PH2000的输送带进入运输牢笼时，看起来也较不紧张。据路易斯摩拉公司的报告指出，机械采集装置可降低60％的鸡翅折裂以及99％的脚骨断裂。尽管机械采集装置相比之下先进许多，但是美国多数的商业肉鸡都还是以徒手法进行运前捕捉。

当所有的鸡进入运输笼后，卡车会立刻出发，将科布500型肉鸡送往处理厂。抵达目的地后，鸡会被倒出运输笼，脚上系上咬得死紧的金属铐，头上脚下地送上运输带。然后，头下脚上、翅膀混乱拍振的鸡的头会被浸泡到通电的水里。电流会穿透它们的身躯长达7～10秒，如果幸运的话，鸡会在此时被电晕。接着，它们会通往割喉机器，滚动的尖刀会瞬间切断它们的颈动脉。在鸡大失血的同时，身体会被丢进烫毛水槽里。通常极富效率的双线鸡屠宰系统可以每分钟处理140只肉鸡，然而，机器并非永远都可靠。有些鸡会在没有被电昏的情况下被割喉，也有些没有被尖刀切断颈动脉的鸡则是在有意识的情况下被丢进热水槽。

你懂了吧？两岁大的田纳西斗鸡至少还有两年的幸福时光。在最初的六个月里，它可以自在地奔跑。而且，还可以在草地上游荡，并且有单独的休息空间。斗鸡们可以拥有极大的运动量，吃得比一般人类好，还有闲情逸致可以追逐母鸡。唯一的缺点是，在某个周日晚上，它会被墨西哥短刀深深地刺进身躯，疼痛难忍；它也有可能会被长刀直直地切入喉咙，它会在短短的数秒钟或数分钟内战死斗鸡沙场。此时，旁边戴着棒球帽的男人们还会兴高采烈地大声喊注。斗鸡能活着看见明天早晨太阳的概率是5比5。

相较之下，我们的科布500型肉鸡则始终生活在脏乱之中，双脚疼痛、肺部灼伤。它们从未见过蓝天，也没有行过草地，它们没有性爱欢愉，也没有捉食过虫子。在肉鸡们一息尚存的42天里头，每天都吃着索然无味的鸡饲料，直到它们被丢进铁笼，送上平板大拖车，直直送入处理厂被倒吊、电击、撕裂喉咙为止。它们看见隔日太阳的概率是零。

凯伦·戴维斯说，不会有鸡愿意当斗鸡。我用二十五串二十赌她错了。

经济与社会阶级如何影响我们对残酷的认知

以客观的角度来看，我们对鸡肉的贪婪欲望所造成的伤害远远大于斗鸡之害。当1万至2万只鸡被屠宰场机器断喉时，仅仅有1只斗鸡于战场死去。而且事实的真相是斗鸡的寿命比商业肉鸡长了15倍，而且其一生也远比肉鸡快活。那么为什么法律允许我们每年屠杀90亿只肉鸡，而玩斗鸡却会让你身陷囹圄呢？

事实上，这一切与金钱和权力有关。全美养鸡委员会为家禽工业的贸易商会，旗下成员负责生产近95％的国内食用肉鸡，而该会存在的主要目的就是确保美国政府维护其利益。因此，养殖工厂内的肉鸡完全不在任何美国动物保护法律的规范之内，包括1958年国会通过的《人道屠宰法》（Humane Slaughter Act ），该法案确保人们晚餐食用的肉类在屠宰时不会遭受不必要的痛楚。

当全美养鸡业委员会追求自身利益极大化时，家禽福利联盟、善待动物组织、动物庇护所与美国人道协会则誓死捍卫美国鸡的权利。在此之中，美国人道协会拥有最大的政治影响力，该会拥有1亿美元的资金和价值1.9亿美元的资产，可说是动保运动界的超级天王。

1998年美国人道协会决定对付斗鸡者。由于动保团体施加的极大的政治压力，几乎各州都屈服了，仅剩路易斯安那州坚持不从。卡特里娜飓风后，路易斯安那州亟欲挽回自身形象，因此斗鸡者的游说活动暂告失败。2007年路易斯安那州州长凯瑟琳·布兰科（Kathleen Blanco）正式签署法案，让鸡重新回归该州动物保护法规范之内。2008年8月15日，全美正式禁止斗鸡活动。然而各州的斗鸡法并不一致。佛罗里达州的斗鸡者有可能会遭到5年以内的刑期并支付5000美元罚金，但是邻近的亚拉巴马州斗鸡的罚金仅有50美元。目前，美国各州皆明令禁止斗鸡，而美国人道协会的下一个目标就是让每一州的法律都将斗鸡视为重罪。

斗鸡之战的主轴是残忍，但真正的潜台词却是社会阶级。18世纪动保运动反对的主要为无产阶级喜爱的斗牛与斗鸡活动，而绅士名流喜爱的狩猎狐狸活动则未予反对。今日的情况仍旧相当类似。斗鸡活动的主要参与者本就是当局感到碍眼的对象：南美洲人或住在乡下的劳动阶级白人。相反，动保分子则是住在都市的中产阶级与知识分子。在后者的眼中，斗鸡人都是混混或非法移民。

杜克大学的凯希·鲁迪（Kathy Rudy）为狂热的动保分子与狗狗救援工作人员，她对于动保分子与劳动阶级之间的壁垒分明感到忧虑。她在亚特兰大猎鹰队四分卫迈克尔·维克（Michael Vick）因参与斗犬而遭到判刑时，在《亚特兰大立宪报》（Atlanta Journal Constitution ）撰文表示，美国社会较容易将少数族群或贫穷阶级所犯下的动物虐行视为犯罪行为，而对富有阶级的制裁则远不及此。喜剧演员克里斯·洛克（Chris Rock）也在全国性电视节目为此打抱不平，洛克拿出阿拉斯加政府官员莎拉·佩林（Sarah Palin）的照片，佩林同时也是大狩猎的爱好者。他问莱特曼（Letterman）：“她手上提着的是血淋淋的麋鹿。迈克尔·维克应该会想，‘噢，那为什么我在坐牢？这位白人女性可以射杀麋鹿，但黑人男人就不能杀狗？这根本就是犯罪吧？’”

纯种赛马也有同样的问题。根据美联社的杰弗里·麦克默里（Jeffery McMurry）报道，2007年全美每天约有3匹马因赛马活动而死，2003年至2008年之间至少有5000匹马死于赛事。2008年，当名马爱特·贝尔（Eight Belles）于肯塔基赛马会中摔伤并立刻接受安乐死后，盖洛普进行民意调查，其结果显示多数美国人反对禁止纯种赛马活动。赛马和斗鸡一样，都牵涉赌博与动物虐待，唯一不同的是，赛马是有钱人的游憩活动。

斗鸡与人类道德

人类与动物的道德关系时常让我感到矛盾。不过，我对斗鸡的看法从没变过。在田野调查过程中，我遇见许多很棒的斗鸡人，但是这就和蓄奴议题一样，斗鸡仍旧是非常残忍、不可理喻的过时活动。人们确实该关闭斗鸡场，并把“长刀”、“刺刀”换成高尔夫球竿或是钓鱼艇。

不过，我对美国社会看待斗鸡活动背后所隐含的伪善态度，以及人类与动物关系如此悖反常理的状态感到忧心。当嗜好吃鸡肉的美国人（我也算一分子）知道斗鸡活动终于被禁止而安然入梦时，暗夜中工作人员正成队地进入养殖工厂并将3000万只仓皇无助的肉鸡塞进铁笼，准备第二天一早立刻送往屠宰场。

从前因为论文而研究斗鸡活动时，我曾经带国际特赦组织（Amnesty International）的组织者托尼·邓巴（Tony Dunbar）到艾伯斯教会附近的斗鸡场。白天时，托尼的工作是抢救已被判死刑的谋杀犯。凌晨两点当我们带着满身的汉堡油味与雪茄味开车回家时，我问他一整晚和卡罗来纳州西部最顶尖的斗鸡手厮混的感觉如何。他停顿了一下说：“对我来说，斗鸡所牵涉的道德问题不大。”

我想很多人会不以为然。不过我发现我实在很难否定他的结论，相比之下，生产麦当劳六块鸡套餐所造成的苦难其实更为巨大，托尼说的一点也没错。

注解：

[1] 　一种白色、无嗅、味苦，含有剧毒的结晶粉末，可口服，吸入或混入溶液、直接从静脉注射——译注

07
美味、危险、恶心与死亡
人类与肉品的关系

如果有人问我为什么拒绝吃肉，我只能说，我很讶异有人敢把动物的死尸放进嘴里。为什么你敢咀嚼被屠杀的肉体、喝下死亡的汁液呢？

库切（J. M. Coetzee）

没有人不爱吃肉，孤僻的人才吃沙拉。

荷马·辛普森（Homer Simpson）

史黛西·吉亚尼（Staci Giani）41岁，不过她本人看起来比实际年龄少了10岁。她在康涅狄格州长大，目前与伴侣格雷戈里一起住在北卡罗来纳州老碉堡以北约20分钟车程的深山中，与追求生态永续的生态公社共同生活。史黛西散发着活力，而且每当她开始讲起食物议题时，都会显得特别神采奕奕。她是意大利裔美国人，非常有魅力，当你和她讲话时，脸上很难不挂着陶陶然的微笑。她和我说，自己和格雷戈里亲自造房，甚至包含锯木、伐木。我心想：“天啊，这女人可以把我折成两半。”

史黛西并不总是如此神采飞扬。在她30岁的时候，健康状况濒危。当时她已茹素12年，并开始有贫血、慢性疲劳症候群等状况。每次她用完餐都会胃痛，且时间长达两个小时。“我变得超级虚弱，”她告诉我，“接着我就改变了饮食习惯。”

“那你现在饮食状况如何？你今天早餐吃什么？”

“半公升的生牛肝。”她说。

动保分子常会说美国社会对碳烤肋眼牛排和水牛城鸡翅的喜爱，远胜过鹰嘴豆泥汉堡和豆腐坚果吐司。确实，现在有越来越多的人相信动物应享有基本权利，包括不被宰杀制成肉品的权利；不过，尽管我们嘴巴上说爱动物，但是每年全美共消耗327亿公斤的肉类，而且只有极少数的美国人为真正的素食主义者。每当我们使用1只动物进行实验时，同时就有200只供食用的动物被杀；当我们杀死2000只食用动物时，同时将有1只狗在收容所进行安乐死；当我们杀死4万只食用动物时，就有1只格陵兰幼海豹在加拿大冰河遭乱棒打死。而且，和我们所想的恰好相反，过去30年来动物权运动几乎没有改变我们将其他动物当作晚餐的习惯。

对世界上许多文化来说，肉类为富裕的象征，而当社会发展得更进步的时候，众人就会希望吃到更多的肉。自1960年以来，日本平均每人每年消耗肉量已增长了6倍，而在中国更增长了15倍。《纽约时报》美食评论员弗兰克·布鲁尼（Frank Bruni）曾经如此形容他在曼哈顿高级牛排馆所享用的90美元的牛排晚餐：“这块你梦寐以求的高档牛排会在几个小时后进一步升华，当你唠唠叨叨不停地向朋友描述它的美味时，他们会开始担心你的智商而非胆固醇。”

某次我和玛莉·珍以及几个想庆祝人生大事的好友一起去高档餐厅用餐时，被宴请的我突然理解到肉食所带给人类的崇高的欢愉感。我们的桌边有两位专属服务生，侍酒师为我们选择了适合当天料理的五支酒。在我们准备享用鲜鱼之前，服务生为我们准备了一小匙的柠檬冰沙，以确保味蕾的敏锐。我们吃的是无菜单料理，并可以自己选择开胃菜。玛莉·珍选了油封鸭，我则选择猪脊肋肉。

我从没吃过猪脊肋肉，我只记得以前的地方乡村电台会在中午农场单元时播报猪脊肋肉时价。在我眼前盘子里放着的是一块毫不掩饰的肥滋滋的红烧猪脊肋肉。只消一口，我就对美食有了新的定义。以前我曾经在美术馆前瞪着马克·罗斯科（Mark Rothko）的画长达十分钟之久，当时我不懂为什么一坨涂在画布上的黑颜料会被称作艺术。不过，我突然灵光乍现，了解了罗斯科的美。这种感觉也发生在我与这块猪脊肋肉之间。猪脊肋肉与罗斯科的画都有着同样的柏拉图式的纯粹。一个是粹然的黑，另一个则是纯然的肉。

究竟为什么肉类会造成我们与其他物种间的矛盾与冲突呢？问题在于，肉类或许美味，但也相当不健康；肉类不但恶心，而且与谋杀动物脱不了干系。

为什么肉类如此美味

盖洛普调查曾经做过一项调查，询问受访者，对他们而言完美大餐是什么？结果选择肉类主菜的人比选蔬食主菜的人多了20倍。

与人类有着最接近的亲属关系的黑猩猩，也爱吃肉。哈佛大学灵长类动物学家理查德·兰厄姆（Richard Wrangham）已研究黑猩猩数十年之久，他说他还没碰过到任何一只野生黑猩猩不爱吃肉的。母猩猩向来愿意以性爱换得肉类。南加州大学人类学者克雷格·斯坦福（Craig Stanford）表示自己曾经目睹小黑猩猩饥渴地望着树梢的大猩猩狼吞虎咽，并卑微地盼望会有肉汁滴落下来。成年黑猩猩会猎食老鼠、松鼠、小食蚁兽、狒狒甚至出生不久的黑猩猩，不过它们最爱的还是红疣猴的肉。黑猩猩是野蛮的肉食动物。象牙海岸塔伊国家公园的黑猩猩会在猎物死亡前就吃光它的内脏，而坦桑尼亚的贡贝溪流域的黑猩猩还会虐待猎物，它们会把猎物的胳膊扯断、将猎物掷向树干或岩石以击碎它们的头部。乌干达基巴莱森林中的黑猩猩通常会在猎物活着的状态下生吃内脏。

奇怪的是，虽然黑猩猩确实爱吃肉，但它们吃的量并不大。肉类仅占黑猩猩每日饮食的3％或4％，即便最饥饿的黑猩猩一天也不过只吃几十上百克的肉，哪怕是250万年前的原始人类都比现在的黑猩猩吃的肉更多。人类转向杂食动物后造成头脑与体格上的变化。与猿类比较，人类拥有相对较小的内脏、较短的结肠与较长的小肠。我们的牙齿骨骼也反映了多肉的饮食。人类早期的灵长类动物祖先和黑猩猩、大猩猩一样，并没有凶猛的食肉动物所拥有的凹面带切割利牙，他们大而平坦的臼齿是为了咀嚼硬质植物以及坚果的外壳。现代人的牙齿则更像是包含切割、裂解以及咬合功能的多功能瑞士刀。

杂食性倾向所带来最重要的变化即是人类大脑的演化。大多数人类学家相信，接受肉食是过去几百万年间人类大脑容量发展成三倍大小的关键因素。我们早知人类系由贪嗜肉类的猿类所演变而成。1924年，雷蒙·达特（Raymond Dart）首度于南非发现被称作唐孩儿的猿人化石。达特描述人类祖先为嗜血的狩猎者，“喜欢狼吞虎咽、大嚼鲜血淋漓并且正在隆隆震颤的尸体”。近年来科学家对肉类在人类进化中所扮演的角色已推展出比达特更为精实的理论，不过基本概念并没有改变。克雷格·斯坦福相信，人类、黑猩猩、狒狒和僧帽猴不但是食肉量最多的灵长类，同时也是最具社交手腕的动物，此间必然有着缜密的关联。上述灵长类动物都善于结盟与欺诈，它们善于处理复杂的个体关系之间的细枝末节。克雷格·斯坦福认为交换肉类促成的群居智能提升了大脑进化的程度。

人类祖先恐怕历经多次的饮食变化，一开始他们以高纤维蔬菜饮食为主，接着转换到包含更多肉类的餐食。而后，当人类进入农耕时代，饮食习惯又回归到较多蔬果类的组合。狩猎采集时代显示人类可以适应多种组合的食物，不过，基本的肉类摄取往往是必需的。在雪车与卫星电视进驻北极生活圈以前，北阿拉斯加努纳姆（Nunamuit）居民以动物制品如鲸皮与鲸油、鱼、海象、发酵海豚鳍肢来获得90％的热量。另外，在波札纳喀里沙漠的居民却可以85％皆为植物的饮食过活。科罗拉多州立大学罗伦·科丁尔（Loren Cordain）在研究了数百个狩猎采集社会后发现，上述族群至少有2/3的热量来自肉类摄取。基本上来讲，没有任何一个狩猎采集社会的肉类摄取量占总营养摄取量的15％以下。

李波波（Bobo Lee）本名李·罗伯特（Robert E. Lee，我没开玩笑），他认同肉食为自然定律的理论。李波波和太太潘（Pam）在南加州距离查尔斯顿45分钟车程的加油站旁开了间庖猪烤肉（Po-Pigs BBQ）店。在开店之前，波波是期货交易员。我在开车经过南加州人称为低地区域的地方时，看见了这间小店。当时我不知道街头美食家简与迈克尔·斯特恩（Jane and Michael Stern）早已将此店誉为全美五大烤肉餐厅之一。

以我个人经验来讲，大部分的烤肉餐厅都不怎么样，但庖猪烤肉例外。店里气氛不赖——桌上铺着方格塑胶桌布，门前挂着手绘的“仅接受现金与支票”的告示牌；最重要的是，餐厅里没有窗户（这绝对是好的烤肉餐厅才有的特征）。刚出炉的烤肉让人神魂颠倒——多汁、带着烟熏味与甜味。桌子上摆着四罐蘸酱，不过最好别碰那东西，烤猪肉本身就够赞了。我大肆夸奖了波波一番，他要我明天早上再来找他，我们可以好好谈谈猪肉。我早上9点出现在店里时，一位带着浓浓口音的退伍陆军中士伙食官乔治·格林（George Green）带我到厨房后头，并将炊具锅子打开。透过厨房浓浓的烟雾，我辨识出炊具里装着数十个在200摄氏度高温下熬煮了整夜、骨头已呈现赤褐色的猪臀肉。把猪臀肉从火炉上移开，静置半小时后，波波和乔治一起戴上隔热厚手套，将热气蒸腾的猪肉撕开，然后与混着醋汁与辣椒粉的自制皮迪（Pee Dee）酱料一起搅拌。波波说，如果你的猪肉只能用牛排刀才切得开，那就是料理得不够久。

我问波波，为什么人类那么沉迷于肉类的美味。

“我们的祖先就是这样才生存下来的啊，”他说，“他们靠杀动物而活，连乳齿象都吃。我们脑中本能地相信，能坐下来好好饱餐一顿美味的肉类料理就代表一切顺利。肉让你身心感到舒服，让你的胃欢愉。没有一件事比得上一块温热、带血的三分熟牛排更能让我感到满足。”

不过波波的太太潘连一点肉都不碰，她对肉连正眼都不瞧一眼。“潘，”我问，“十年来你每天都至少烤个上百公斤的肉，但你自己却不想吃？”

“嗯，我吃鱼。”

她说：“我从来都不喜欢肉的味道。小时候我妈把肉放到我嘴里，我根本不会吞下去。我觉得跟味道无关，是肉的质感。反正现在有素热狗，我已经置身猪肉天堂了。”

“那你喜欢自家的烤肉吗？”

“我没吃过。”

贪食肉类所造成的危险

以人类演化的过程来看，会被肉类吸引是很正常的。以生物学观点来看，肉类极富营养价值。不过缺点是，肉类是所有食物中最具危险性的。当美国广播公司（ABC News）针对“病从口入”进行调查时，85％的人会提及肉类，而仅有1％的人会将蔬菜制品列入危险食物清单。

我们对肉食的恐惧并非空穴来风，因为我们自己也是由肉所组成的，也因此我们很容易得到所食用动物身上所含的滤过性病毒、原生病毒、阿米巴原虫以及寄生虫的相关疾病。鱼的身上至少带有50种传染性病毒。而牛、猪、山羊、绵羊身上极有可能带有导致全球每年40万人死亡的大肠杆菌。部分研究人员相信，人类首次感染艾滋病病毒是食用猴子肉的下场。恐怖而微小的感染性蛋白即使不含基因成分，仍具有超强的能力可以在人体内复制病毒。同样，感染性蛋白质是使牛科动物脑部海绵化（简称狂牛症），并使脑部逐渐成为瑞士起司的原因。感染性蛋白质也会导致一种出现于新几内亚福尔族（Fore）人身上的库鲁（kuru）神经疾病，此疾病源自福尔族人会在葬礼仪式中吃掉死去亲人的脑部组织。

不过或许你会问，为什么狮子或狼不会因生食肉类而致病？哈佛大学的理查德·兰厄姆认为这与烹饪方式有关。他认为，两百万年前，直立人开始使用火进行烹饪实为人类的一大进步，此后不但可食用的选择变多了，也让人类大脑容量得以增长。烹饪除了让非洲羚羊里脊肉更美味，同时也破坏了会让我们祖先致病的病原体。也因此，人类并没有演化出抵抗肉类所含致命病毒的生物防御机制。

人类烹饪所使用的香料也能降低肉类的危险性。康奈尔大学生物学家保罗·舍曼（Paul Sherman）对于为何人类是所有动物中唯一会在食物中添加调味料，特别是加入我们天生排斥的物质如会让人嘴巴发烫、让人泻肚的红辣椒，感到非常好奇。舍曼和其学生发展的假说认定人类是因为某些香料中含有可杀死微生物的物质，因此辗转发展出对香料的喜好。为检验此说，他们分析了全世界上千种传统料理的食谱。在所有的国家里，肉类料理的调味都比蔬菜料理重。此外，热带或潮湿区域的居民会比寒冷地带的人民更为偏好能够间接杀菌的辛辣食物。印度、印尼、马来西亚、阿尔及利亚与泰国的每道肉类料理都相当辛辣（此外，最有杀菌效果的香料为大蒜、洋葱、多香果与俄勒冈叶）。

虽然辛辣香料降低了肉类料理的危险性，但吃肉仍有其风险，此中尤以怀孕妇女为最。动物骨头中的病原体例如弓形虫、李斯特菌、大肠杆菌、痢疾杆菌和钩端螺旋体可导致自发性流产、死胎或早产。不过人类也对可能会危及腹中胎儿的食物演化出抵抗机制——呕吐或对食物的排斥等。许多女性在怀孕初期的前三个月会对可能含有毒性物质的食物特别敏感，并因此孕吐或感到恶心。保罗·舍曼认为由于肉类为最危险的营养来源而水果则相对拥有最高的安全性，因此怀孕期排斥肉类的状况应较排斥水果更为严重。为此他检验了1.2万名怀孕女性，并验证了此说。怀孕期妇女厌恶肉类的程度为厌恶水果的10倍。

为何羊脑在贝鲁特被视为美食，在波士顿却乏人问津

怀孕妇女并非唯一厌斥肉类的族群。事实上，全世界皆然。我最喜爱的关于肉类的论文为丹麦人彼得·朗德·西蒙斯（Peter Lund Simmons）于1859年所发表的小册子，书名为《不同民族从动物界获取食物或极品佳肴的诡异故事》（The Curiosities of Food or the Dainties and Delicacies of Different Nations Obtained From the Animal Kingdom ）。西蒙斯详列了人类所吃的肉类种类，其中有很多我连碰都不敢碰的肉食。他详细描述了大象脚趾的美味（你必须先用浓醋和辣椒酱腌渍）以及其他古怪食物的美味，包括海豚、袋鼠、棕鼠、蟾蜍、蜜蜂、蜈蚣、蜘蛛、海蛞蝓和红鹤（它的舌头相当肥美，堪比野山羊）。

假使以品尝新奇料理的冒险性来评分的话，满分十分，我给自己七分。我品尝过羊脑的美味（我在贝鲁特时还常吃，油炸比水煮赞），还有猪大肠、海蜇皮、麝香鳖、羊杂、蚱蜢、动物胸腺、烤黑熊臀肉、鳄鱼以及晒干的鬃蜥蜴卵。不过，我觉得酸乳酪很恶心，寿司则是相当乏味的料理。我不会想尝试鸭仔蛋——一种菲律宾美食，你必须从蛋壳裂缝咋舌吸食翅膀发育到一半、毛茸茸的幼鸭胚胎；我也不想和纽约名厨安东尼·布尔丹（Anthony Bourdain）一样大口吞下还在活蹦乱跳的响尾蛇心脏。不过，尽管我无缘成为终极饕客，世界上仍有许多人愿意享用上述佳肴。

不过，虽然可食用的动物种类繁多，但是为什么我们却仅钟爱几样？其中一个答案恐怕是取得的方便性。贾雷德·戴蒙德于著作《枪炮、病菌与钢铁》（Guns, Germs, and Steel ）中指出，尽管多数动物是可食的，但只有少数种类可供人类大规模农业养殖。举例来说，全世界148种大型陆地栖息哺乳动物，仅有14种被驯养成功。而你所摄取的肉食来源也取决于居住的位置。我家附近超市的肉品专柜仅有最普通的选项——牛肉、猪肉、鸡肉，以及少量的羊肉与几种鱼肉。勇敢一点的人可以带点肝脏回家。但是如果你住在巴塞罗那，你可以漫步去拉兰布拉洞穴状的中央市场波盖利亚看看，右手边有整排肉脏摊位；如果你早点到，可以见着一整排闪闪发亮的动物脏器——胃、大脑、舌、肠、肺、心脏、肾脏，甚至一颗刚剥好皮的山羊头颅。

不过，有时候人们避免食用某些肉类的理由并不只是因为取得不易。个人经验也是其中一个因素。人类和老鼠一样，针对某些味道演化出恶心与呕吐的本能反应。心理学者马丁·塞利格曼（Martin Seligman）在某次生日时大吃浓酱佐料牛排，病毒上身后呕吐了一整晚，并因此发现此本能反应运作的方式。这并不奇怪，因个人经验而排斥肉类的现象，比厌斥蔬菜高了3倍，更比厌斥水果高了5倍。

不过真正决定我们为何觉得某些食物美味、某些食物恶心的最关键因素，其实是文化。加州大学洛杉矶分校的进化人类学家丹尼尔·费斯勒（Daniel Fessler）专门研究人类社会里的食物禁忌。费斯勒推断，由于肉类物质较蔬菜更具危险性，因此，肉类禁忌应比蔬菜禁忌来得普遍。他与研究生卡洛斯·纳瓦雷特（Carlos Navarrete）着手研究78个不同文化中的食物禁忌。他们发现完美可食的肉类被禁止的情况远比蔬菜、水果及谷类高。

为何可供食用的肉类比可食植物更容易受到文化禁止？这是人类学者们喜爱探讨的话题。多半而言，人类学家仅能得出缺乏数据佐证的臆测。某些坚守功能主义观点的人类学者认为禁忌往往极具弹性。举例来说，猪肉为伊斯兰教徒与犹太人禁食的食物之一。许多功能主义者认为这是为确保人类不受旋毛虫病之害。其他功能主义者则认为禁止食用猪肉为演变而来的禁忌，因为猪与人类所食用的食物显为同属。人类学者马尔文·哈瑞斯（Marvin Harris）针对信奉印度教的印度人不食牛肉提出了非常类似的论点。他认为印度教徒对牛的崇拜之所以发展起来，是因为作为耕种、产奶和生产燃料（干粪）的牛比纯粹作为蛋白质来源的牛更有用。

近年来，功能主义者的肉类禁忌解说似乎不太能被学界接受。举例来说，他们根本无法解释地理位置与食物禁忌之间的关系。好比他们无法解释为什么巴基斯坦食牛，但是在隔邻的印度牛却成为人类获取乳类与燃料的来源。他们也无法解释为什么美国西南方那瓦霍族（Navajo）印第安人与非洲牧羊族群马赛人（Masai）禁吃鱼肉。其他学者则认为肉食禁忌来自人类心理上的怪癖。我认为，多数的肉食禁忌根本就是文化传统反复无常与人类彼此模仿下的混乱结果。

假使我的说法无误，那么在正常的情况下，我们认为某种动物是否可食的观点应当时常变动，就像最新流行的婴儿名一样无常。而尼泊尔塔鲁人（Tharu）对水牛肉的看法就如我所述的那样摇摆不定。人类学者克里斯蒂安·麦克多诺（Christian McDonaugh）于1979年至1981年间造访塔鲁村庄。在那里他和村民们频繁食用猪肉、山羊肉、鱼肉、鸡肉甚至鼠肉，不过，村民从未吃水牛肉。当时水牛和其他某些动物一样，为献祭牲礼。不过通常在祭典后，死水牛会被丢弃，而祭拜过的鸡肉、猪肉或山羊肉则会成为村民的晚餐。12年后，当麦克多诺返回村庄时，村民在傍晚喝了无数啤酒后端出了水牛肉，此举让他相当惊讶。看起来，塔鲁人似乎改变了食物禁忌。麦克多诺认为，水牛肉禁忌的变动源自数种原因。首先，由于其他肉种价格上涨，因此让水牛肉显得廉价。其次，阶级制度的转变也有影响。当时村庄人口已经变得较为多元，而塔鲁人也与其他食用水牛肉的人相识。最后，该村庄的民主性业已提高，塔鲁人拥有了较高的自由度以表达个人的政治观点与想法。也因此，他们开始选择自己想食用的肉类。

狗肉饼干、炖狗肉：饮食禁忌案例

当某种肉类成为社会禁忌时，食用此肉将给人们带来恶心的感受。对美国人来说，食用狗肉极度恶心，不过以考古学证据来看，人类食用狗肉已长达数千年之久。在许多国家与文化里，人类都曾经将狗当作行动食粮，它们会在营养资源充沛时吞咽人类剩食，到了食粮不足的时候，就会被炖煮成晚餐。阿兹特克人甚至培育了一种专供食用的无毛狗，在北美印第安族群中狗肉也曾被视为主食。尽管食用狗肉于1998年在菲律宾遭禁，但是狗肉仍为许多菲律宾人的午餐，某些非洲狗会被阉割、增肥，以确保肉味肥美。此外，你也不会想成为刚果盆地的狗，在那里，狗会被缓慢毒打致死，以确保狗肉软嫩弹牙。

狗肉特别受亚洲人的欢迎，每年亚洲人平均进食1600万只狗与400万只猫。剑桥大学人类学者安东尼·波德伯斯切克研究亚洲狗肉产品交易数年。中国人吃下的狗肉最多，狗肉火腿通常被视作极品。狗肉和牛肉一样昂贵。2004年新鲜狗肉每公斤4美元。内脏通常较为便宜：狗脑大约每颗1美元，而狗鞭一条则约1.45美元。中国人向来以松狮狗作为肉狗，不过在20世纪90年代时，狗农夫（或许该称为狗牧场经营者）希望能培育出成长更快速且肉质更佳的狗，在他们试验大丹犬、纽芬兰犬与西藏獒犬后，他们认定圣伯纳犬为最佳的育种血统。由于圣伯纳犬脾气好，又能够快速地生出一大窝小狗，所以被育种者认定为最佳肉狗。不过由于圣伯纳犬的肉味太过平淡，因此养狗的农夫通常会安排它们与土狗交叉配种，以产出更美味的肉。肉狗幼犬通常于肉质最为鲜嫩的六个月大时被屠宰食用。

韩国人吃狗的历史也非常悠久。韩国人和中国人一样，都相信狗肉具有疗效。不过中国人多半在冬日食肉，而韩国人则在夏季大啖狗肉。尽管狗肉在韩国被认为是传统料理，但是吃狗肉也已在现代韩国社会中成为争议话题。韩国平均每年每人食肉量为22.7千克，不过由于该国人口近5000万人，因此总数依然不可小觑。根据韩国农业部统计，1997年该国共食用近1.2万吨狗肉，而且需求依然不断攀升。2002年，国家狗肉餐厅协会组织了起来，开始推销狗肉及相关产品的消费。其中包括狗肉面包、狗肉饼干、狗肉美乃滋、狗肉番茄酱、狗肉醋、狗肉汉堡。你也可以买到一包包的“消化狗肉”（digested dogmeat，我不太确定那到底是什么），此外还有一种据说可以改善风湿病的补药称作“gaesoju”，也是以狗肉提炼而成的。

当韩国人每年吃进100万只狗的同时，也有许多狗成为他们的宠物。马尔济斯、西施犬、约克夏犬为最受欢迎的犬种。因此，韩国人也愈发对食狗肉的传统感到尴尬。近年调查发现约有55％的韩国人不赞成吃狗肉。不过，同项调查也发现，仅有不到25％的韩国人认为应该禁食狗肉。

吃狗的禁忌根源于人类与动物关系的一体两面——人类不吃他们鄙视的动物，也不吃他们喜爱的动物。不吃鄙视动物的原则解释了为什么印度和中东区域几乎无人吃狗肉。在传统印度教里，狗是动物界的边缘角色。它们因为近亲交配并且因吃呕吐物、排泄物与尸体而受到鄙视。狗类受到低阶级的种姓群众喜爱，但对高阶级的族群而言，连狗的出现都会令食物蒙受污染。伊斯兰教义也往往将狗视为不洁的存在。印度教徒与伊斯兰教徒不吃狗肉的原因和美国人不吃鼠肉一样——它们是有毒的生物。

然而，美国人和欧洲人却因为截然不同的原因拒吃狗肉。对美国家庭来说，狗不是动物，而是家庭的一分子。也因为家庭的一分子指称人类，所以吃狗等同于食人行为。

那么要如何解释某些文化既可以把狗当作家庭成员，却又坦然将其烹煮入腹呢？这些社会通常以分类法解决潜在矛盾问题。对韩国饕客而言，适合烹煮的狗类为黄狗，一种有着黄色皮毛的中型犬。黄狗不是宠物，而在宠物狗与肉狗混卖的市场里，黄狗与肉狗会分别被关在不同的笼子里，以作区分。美国南达科他州松岭保留区的沃格拉拉族印第安人（Oglala Indians）会在宗教仪式中食用狗肉，而狗也是他们的宠物。一窝狗崽的命运往往在出生时就被命定。宠物会被起名字，而拿来炖肉的狗崽儿则没有。

肉是死尸，并且十足恶心

另一个使人类与肉类关系趋于模糊难辨的原因来自人类杀生的罪恶感。几乎全世界的猎人部落都有狩猎赎罪仪式。多数的美国人多半以不去思考晚餐的来源来回避与肉类相关的罪恶感。一直以来我都成功地躲避了食肉的道德谴责，直到36岁，当我拿着刀准备分解一头重达590公斤的食用牛时，我仓皇地从现场逃离了。

当时，我们住在艾西郡沃伦威尔逊学院的校园里。该校园拥有自己的牧场，其中也饲养肉牛，每年至少会屠宰30只牛。这些肉牛过着乡村农庄的生活，并且以无痛方式死去，其生活方式恐怕连动物解放哲学家彼得·辛格（Peter Singer）也难以批评。它们绝对不需居住在拥挤的工厂，也不会被塞进牵引挂车内，或是遭受屠宰场内的机关折磨。不，沃伦威尔逊学院的牛从出生到死亡都被农场学生员工呵护着。当它们在早晨被屠宰时，员工会拿着鲜草诱惑它们走进狭小的屠宰场，在它们尚未意识到什么时，就会头部中弹而亡。

某天下午，农场的学生员工得知我在研究人类与动物互动后，邀请我参与隔天的屠宰工作。我支支吾吾了一会儿，勉强地答应了。晚上我难以成眠，早晨七点我准时出现在屠宰场门口，一小时后，我的双手已经在肉牛的身躯内了。我花了整整两天协助员工们，将巨大的肉尸包装成冷藏肉品。

第一只肉牛是这样倒下的。其中一名学生桑迪·麦基（Sandy McGee）将牛牵进屠宰房，把缰绳绑绕在地板上的金属环中。农场经理恩斯特·劳尔森（Ernst Laursen）走进房内，以一把点二二的手枪毙杀了肉牛。接着员工们开始工作，他们真的熟门熟路。其中一位割开了肉牛的喉咙放血，另一位负责锯掉动物的头和四蹄。他们将一条锁链接在肉牛的腿上，接着在天花板上吊起屠体。不知从哪儿来的手推车突然出现，我看不出它有何用途。接着，桑迪用一把18厘米长的剥皮刀快速地纵切了一个开口，肉牛从肋骨到肛门都一览无遗。多达数升的内脏轰然落进了手推车内。美国农业局稽查员检查了心脏、肝脏、肾脏后，在畜体身上盖了个小印章，以示天下此肉可食。

你应该听过这说法，如果我们亲手屠宰，那么人人都会吃素。农场学生们提供了一个检验此说的机会。他们多半为在郊区长大的中产阶级小孩，在进入大学以前，从未有过与猪或牛真实相处的机会。为了确定屠宰者是否真的会演变成素食者，我和桑迪对曾经实际亲手屠宰或解剖的学生们进行问卷调查。我也访问了数名学生。

我的访问结果否定了屠宰与茹素之间的关联：没有一位参与屠牛的学生放弃肉食。然而他们对于屠宰一事确实有着相当复杂的情绪。他们几乎都认为屠宰与切割肉类是相当有意义并且有趣的经验，有些人承认当他们在屠宰时或屠宰之后，感到腹中翻滚恶心。有一半以上的农场员工表示，他们会在屠宰猪或牛的一两天后避免吃肉，不过多数人都认为他们从屠宰中获得了美好的经验，其实他们的回答颇为世俗。举例来说，有人认为从学习肉类的不同裁切部位，甚至亲手感触它，帮助他们成为更好的消费者。有些兽医学系的学生说，屠宰帮助他们了解解剖构造。不过对其他人来说，屠宰经验有着更深沉的意涵。这是厘清价值观的练习。他们学到了，肉是怎么来的。它是尸体。

食物心理学家保罗·罗津相信动物与死亡和人类内心世界深有关联。罗津认为许多人认为肉类令人感到作呕的原因是因为动物提醒人类其道德态度。他如此写道：“人类必须吃、排泄、性交，和动物一模一样。所有的文化都规定了上述活动适当的方式——举例来说，禁止将多数动物视为营养来源，也禁止将多数的动物或人类视为性交对象。此外，我们人类就像动物一样虚弱，当包覆我们的身躯碎裂开来，柔软的内脏与血液就会一览无遗，这提醒了我们人类与动物的相同之处。人类的身体和动物的身体一样，都会死亡。”

人类真的觉得动物肉体恶心吗？没错，而且这样的看法似乎越来越强烈。举例来说，研究者发现若肉制品越鲜红，或看起来越有畜体形状，就越不讨普通消费者的喜欢。这无疑给了肉品工业一大难题。通常消费者都喜欢看起来新鲜、多汁与自然的食物。不过对消费者而言，新鲜、多汁与自然的肉类，也往往让他们深感恶心，其中尤以女性的反应更为明显。研究者建议肉品工业降低产品的畜体感——小包装、腌制过并且缺乏鲜红血色的即食品，简单来讲，就是让肉类看起来不要太过恶心。

鸡肉制造商老早就知道这些奥妙。1962年，几乎所有的美国鸡肉都是连着心脏、肝脏与鸡胗合体卖出。你必须自己下刀分离鸡体。不过现在还有谁会这么做啊？今日，在超级市场里贩卖的90％的鸡肉都令人难以联想到活生生的鸡。零售鸡工业里发展最快速的环节正是“加工”部门——一片片透明无骨的鸡肉、看起来像是培养皿培育的食物以及用矛盾修饰法标示的“嫩鸡条”或我最喜欢的“鸡手指”等奇妙说法。

肉类这么恶心，为什么却很少人吃素

原本被视为中立的行为转变为不道德的过程，我们称之为“教化”（moralization）。比如人们对蓄奴的态度已历经教化过程，而最近的教化实例则是吸烟。你会以为食肉也会很容易被教化。我的办公室地板上堆满了警告人们不要再吃肉食的杂志，反对肉食的说法至少可归纳成让人难以辩驳的四项结论。第一，当你吃下动物时，你等同剥夺它的生命。第二，几乎所有食用动物都在饲养、运输、屠宰的过程与环境中忍受极大的痛楚，而负责养殖工业的员工们也得在恶劣的环境下充当道德屠夫。第三，当人类饮食从植物转换至肉食时，造成了自然环境的剧烈破坏并且极端违反效率原则。第四，肉食导致肥胖、癌症与心脏疾病。再加上肉食不管在道德或健康上都明显地站不住脚，我们会以为人们很容易被说服并且开始拒绝食肉。你错了。肉类教化运动面临空前的巨大失败。

现在，特别是对很多年轻人而言，宣称自己不吃肉，是很帅的举动。近年调查发现约有30％的大学生认为每餐都应该要有素食的选项，全美素肉销售量以35％的成长率逐年攀升。不过，我们并没有发现任何证据显示素食主义运动正席卷美国。美国素食者最佳的预估数值来自15年来委托素食者资源社团（Vegetarian Resource Group）所做的一项调查。该调查随机访问成年人所进食的食物。民意调查的结果显示97％到99％的美国人都吃肉。

动物权利运动已经成功地转变美国人对待其他物种的态度。不过，讽刺的是，当集体社会意识更为在乎动物福利议题的时候，我们想吃肉的欲望也攀升了。1975年，现代动物权利运动开始酝酿并发展成正统的社会运动，美国人平均每人每年吃下80公斤的肉。目前，美国人平均每人每年吃下109公斤的肉。而每年屠宰的食用动物数量攀升得更为惊人。过去30年来，人类消费的动物数量从30亿只跃升为100亿只，而每年每一个四口之家消费动物的数量从56只跃升为132只。

为什么动物权利运动完全无法遏止人们嗜吃动物的欲望呢？讽刺的是，当动保分子致力改善农场动物的生活时，消费肉类也变得越来越合乎道德。举例来说，2003年至2007年之间，有机鸡肉的销量增长了4倍。对具有社会意识的消费者而言，他们现在可购买无激素、无抗生素、无残酷对待的自由放养鸡。换句话说，这代表无涉罪恶感的肉品。即便在我居住的小小城镇（人口仅有2454人）也有贩卖美国人道协会高度推崇的肉品。我可以购买店家告诉我“有过着好生活”的鸡，“百分之百天然”“以全素饲料饲养”“在低压力环境下生长”“无剪喙”“优良通风设计环境”与“多重饲料仓以保饲料新鲜”。大型速食连锁店也看准了时机蜂拥加入战局。麦当劳、温蒂、肯德基与哈蒂汉堡都设有规模庞大的动物福利顾问理事会，并且引进人道屠宰与动物福利概念。

不过美国屠宰动物总数上升的最大原因在于人类从嗜吃哺乳类动物转而消费更多的鸟禽类动物。多年以来，我时不时都会满怀罪恶地偷偷开车去汉堡王吃起司华堡。我喜欢浓稠黏腻的美味奶滋酱、卷心莴苣以及我稍后发现完全来自化学工厂加工的多汁肥美的炭烤肉片。然而在我阅读过艾瑞克·施洛瑟（Eric Schlosser）所著的《速食共和国》后，我就对华堡免疫了。这本书很轻松地就使我相信可乐和海洛因一样容易上瘾、麦当劳高层密谋维持最低薪资的门槛、速食工业对年轻人的伤害比哥伦比亚毒枭还剧烈。当我发现一片牛肉汉堡肉包含了上百只牛的肉碎片，而其中任何一只牛都可能带有疾病，更别提它们生命中的最后两个星期都站在与膝同高的粪堆里，从此，我便不再觉得华堡美味。

许多人和我一样刻意减少牛排与汉堡的摄取量。自1970年开始，美国每人平均牛肉消费量逐年下降，已达20年之久，起因为美国食品药物管理局告知大众须减少摄取饱和脂肪。然而人们对牛肉的热情下滑也反映在对鸡肉的替代消费上。1975年至2009年之间美国每年屠宰牛下降了20％，而鸡肉消费量则成长了200％；其分水岭为1990年，该年为历史上美国第一次吃下的鸡肉量超过牛肉的黄金时刻。赫尔伯特·胡佛（Herbert Hoover）竞选总统时曾经抛出“每口锅一只鸡”（a chicken in every pot）的口号，当时平均每个美国人每年吃227克鸡肉，现在数字已经成长至40 823克了。

美国人从嗜吃牛肉转吃家禽类有几个原因，但这一切与我们是否关注动物福利议题无关。第二次世界大战后禽类科学的进步与鸡肉工业的垂直整合使得鸡肉比牛肉更为省钱。1960年，生产1公斤鸡肉所需花费为等重牛肉的一半，现在则仅要1/4。此外，牛肉也常与糖尿病、心血管疾病与癌症相联系。早期有许多人使用假的科学理由反对牛肉，不过目前的流行病学研究确实证实牛肉对身体有害。2009年一项横跨地理区域并包含50万参与人次的调查发现，食用较多红肉或加工肉类跟摄取较少红肉的人比起来，比较容易死于癌症或心血管疾病。调查者估计，假如减少红肉摄取量的话，美国男性死亡率可下降11％，女性死亡率可下降16％。

我的营养学家好友凯西（Cathy）的做法是，建议客户只吃水里游的和有翅膀的动物。不过以动物福利的观点来看，少吃牛肉反而造成了巨大的灾难。平均来讲，受屠宰牛体总重约499公斤，其中约有62％的屠体可供食用。科布500型肉鸡相较之下只能产出约1.4公斤的食用肉。这代表你必须屠宰数百只鸡才能得到与一头牛同重的食用肉。此外，肉牛的生活远较生活于繁殖工厂的鸡来得愉悦。科布500型肉鸡得24小时吸入带有阿摩尼亚酸臭味的空气，而普通肉牛则可以花一年半的时间在草地上嚼食鲜草、晒太阳，直到被拉去屠宰场“收割”的那日为止。虽然麦当劳卖的烤鸡肉对你的健康较好，但是以动物受虐的观点来看，其背后的罪行要阴暗深重得多。

当然，要是按上述逻辑判断的话，那么40％的动保分子最能接受的肉食选择应该会是水里游的吧。毕竟7万只鸡的肉量等同于一只100吨重的鲸。善待动物组织的合伙创办人英格里德·纽克尔克（Ingrid Newkirk）同意这说法。2001年善待动物组织在部分支持者的推动下，推出支持人们食用鲸肉的推广计划。纽克尔克为我解释该组织的理念：“我们开启了‘吃鲸’运动，让大家注意到若我们选择食用体积较大的动物，那么它可以提供较多的总体食用肉量，也可以减少受虐动物的数目。以鲸来说，鲸以自由自在的方式生活，它不会被切断尾巴、阉割、剪耳朵或剪喙，也不会被塞进笼子里受皮肉痛，也不会在气候恶劣的状况下运输往返等。所以，没错，为了要减少受苦动物的总体数量，而你确实这么执意要吃肉的话，如果你无法因为怜悯与其他高贵情操或为了健康或环境考量而放弃肉的美味的话，那么真心建议你食用身边能取得体积最大的动物的肉。”

我觉得蛮有道理的。不过我的女儿贝特西在日本乡下住了一年后跟我说，鲸鱼肉又硬又油又恶心。

言行不一的人们：吃肉素食者的实例

虽然动保运动没能成功教化食肉的生活方式，但是全美国仍有上百万人坚称自己为素食主义者。这也是米歇尔（Michele）的说法。她一边吃炙烧鲔鱼一边跟我说她不吃肉。很多人和她一样，多数的美国素食者都吃过动物的肉。

不过齐·格林（Che Green）和这些人不一样。齐是个银行投资者，也是人道研究委员会的创办人与执行长，该组织以市场调查方法取得大众对动物议题的意见风向。齐和许多动物保护分子一样，从小就拥有一颗柔软的心，对动物感同身受。当他还小时，确实吃肉，虽然他总是选择看起来比较没有动物感的肉。高中时，某年暑假在阿拉斯加罐头工厂的打工生活彻底改变了他对肉的看法。他的任务是把大鱼丢进处理机里，数秒钟后，处理机会吐出一个个的鲑鱼罐头。虽然他努力挨过了那个暑假，但是那场鲑鱼大屠杀在他心底留下了阴影。两个月后，他成了素食主义者，两年后，他成了纯素食者。

齐对于美国人的饮食流变无所不知。他手中有份针对美国国内素食主义者进行调查的报告书。报告数据显示了人性心理的复杂面——人们总是言行不一。举例来说，2002年《时代》杂志报道显示6％的美国人认为自己是素食者。然而，同一篇文章指出上述的素食者里有60％的人承认自己在过去的24小时内吃过红肉、鸡肉或海鲜。我的营养师好友凯西认为自己是“弹性素”，而且确实还有人发明了一个词“弹性素食主义者”（flexitarian）用来形容自我认同为素食者但却时不时开荤的人，通常他们选择的肉类为鱼肉或鸡肉（有项调查发现，青年素食主义者所吃的鸡肉量超过非素食主义者的同侪）。

据人道研究委员会推测，全美真正的素食主义者与纯素食者在200万至600万人之间（哈佛大学医学系团队研究则显示不到1/10的美国人为真正的素食主义者）。人们因为许多原因放弃食肉。多数调查发现对许多素食主义者而言，健康因素为茹素的主要动机，因为道德或环境因素而选择茹素的人则在少数。一开始，齐选择吃素的原因是内心的憎恶，后来则是道德上的反弹。他在鲑鱼罐头工厂的经历让他觉得人类每年屠杀数十亿只动物以满足口腹之欲的行为，实在令人感到恶心。

我的朋友彼得成为素食主义者的故事则与齐大大不同。彼得的父母亲为末日基督教派的信徒，他们原本就因为宗教因素而拒吃肉类，不过他现在则是因为全植物饮食的益处而放弃肉食。和齐相比，彼得的茹素与动物权或其他物种的受虐状态毫无关联。他也会使用哈瓦哈特（Havahart）活动陷阱人道捕捉入侵他家后院的野生动物。

接着，他会射杀入侵动物。

彼得住在艾斯郡北边附近的迷你农场里，他负责种植给自己家人食用的蔬菜。五年前，他开始对不断入侵并偷食玉米、南瓜、豌豆、大豆与蓝莓的动物感到厌烦。他购买了一些活动陷阱器，并在数公里外释放入侵的小动物。当他发现这根本行不通时，彼得买了一把枪。今年他已经猎杀了两只浣熊、好几只火鸡与一只小负鼠。彼得并不喜欢狩猎，他也不时改善花园外的围篱与网子的设计，希望减少枪杀动物的数目。不过，至少到目前为止，浣熊仍不肯善罢甘休，不断地破坏他的玉米作物，因此彼得至今仍是素食主义者猎手。

彼得和齐是两个相反的例子，证明了素食主义者对待食肉可能采取完全相异的道德判断。保罗·罗津和他的同事们发现，以道德为出发点的素食主义者更容易因肉味而感到恶心，而吞嚼肉类也会让他们感到不舒服。不同于以健康为出发点的素食主义者，道德素食主义者视肉类为道德不纯洁的存在，同时他们认为肉食者含有某种侵略性。此外，他们也比健康取向的素食主义者拥有更为强大的拒绝肉类与肉制品的观点。换句话说，道德素食主义者比健康素食主义者更将肉类视作道德行举的指标。

为什么有这么多人能够选择拒绝吃肉，而其他的人却不顾良心地继续大口食肉？《素食主义：一世或一时？》（Vegetarianism: Movement or Moment ？）的作者唐纳·毛瑞尔（Donna Maurer）指出，典型的素食主义者通常有以下背景：自由主义者、白人、良好教育背景或中产阶级或中上阶层的女性，并且他们比一般人更具有不愿与传统价值观妥协的态度。通常她会先放弃红肉，接着再慢慢避开鸡肉或鱼肉，而后，她还可能拒吃鸡蛋与奶制品，成为纯素食者。素食主义者的动机与时俱进。一开始因为健康因素而放弃吃肉的人，很可能会将拒绝杀生的价值观慢慢内化吸收。同样，一开始因为动保观念而茹素的人，也可能会慢慢察觉全素饮食的健康益处。

个性也有可能影响一个人是否会走上素食主义的道路。我和劳伦·戈登（Lauren Golden）一起研究第一章提及的五大性格与对待动物态度的差异。我们通过脸书与MySpace等社群网站邀请动物权运动者、动物使用相关族群（猎人和农人与研究者），以及对动物议题并没有太多关注的人进行线上调查，了解他们的饮食习惯以及对待动物的差异理念。此调查约有500人参与，近四成为素食主义者。相较于肉食者，素食主义者多半更具创造性、想象力，并且更勇于尝试新的体验。不过，他们也有容易焦躁与忧虑的倾向。

上述结果带出了一些有趣的面向。多数调查发现素食主义者比肉食者拥有更好的体魄，而且许多素食主义者认为自己不但改善了健康状况，也拥有较好的生活品质与精神状态。不过，是不是所有人都适合放弃肉食成为素食主义者呢？

拒食肉类与饮食障碍：素食主义的另一面

我不知道罗里·弗里德曼（Rory Freedman）和金·巴努因（Kim Barnouin）是不是婊子，不过她们看起来真的挺瘦的。这两位时尚工业的名人（罗里是经纪人，而金则是模特）开始了纯素食饮食之旅，并于2005年出版了一本乱七八糟的素食书《瘦婊子》（Skinny Bitch ），还登上了《时代》杂志畅销排行榜。她们写的标题都很有力，像是“糖是魔鬼”和“腐烂的死臭肉晚餐”，这本书与其后的系列出版成为媒体宠儿。《瘦婊子》的目标群众为希望能变得和作者一样有魅力的少女和年轻女性。书开宗明义地问读者，“你已经厌倦又累又胖了吗？”如果你是住在美国的年轻女性，恐怕都会回答是，如果是的话，那么作者将会告诉你，“停止吃动物吧”。

我之前访问过的史黛西·吉亚尼，也就是现在开始吃生牛肝的前素食主义者，她认为《瘦婊子》所传递的“吃素、减重”信息对少女而言非常危险。她记得16岁放弃肉食的时候，当时对自己身体形象的认知非常错乱。“吃素对我而言是控制身体的一种方式，并让我不再进食脂肪。脂肪成为万恶之首。以精神状态来讲，17岁对我而言是很艰难的时刻。素食主义成了支持我的信念。素食主义的绝对正确令我感到欣喜。我在那年纪时需要的正是如此清楚、坚定与正确的信念。”

史黛西的决定是危险的一步。哈里斯民意调研（Harris Poll）显示素食主义者中最重要的族群即是少女，也是与饮食障碍攸关的族群。我花了许多年时间访问素食主义者，不过我从没想过，作为健康生活代表的素食主义也有着黑暗面。《瘦婊子》一书会不会让读者陷入饮食障碍的危险之中？思及此处，我立刻着手开始寻找素食主义与饮食障碍关联的研究。我被我所发现的资料给吓了一跳。

《瘦婊子》一书让年轻女性幻想只要停止吃动物的肉，就可以拥有健美的身材，不过全素饮食并没有减重的效用。雪莉·柯洛普（Sheree Klopp）于美国饮食协会期刊发表的《自称素食主义者的大学女性具有罹患饮食障碍的潜在风险》（Self-Reported Vegetarianism May Be a Marker for College Women at Risk for Disordered Eating ）一文中指出，她与研究伙伴发现，茹素的素食主义女大学生并没有比食肉的同侪更为苗条。然而，素食主义者会比同侪更容易在餐后有罪恶感，并且更注重体重。她们更倾向使用泻药或极端的运动方式进行减重，甚至会在餐后催吐。

不只有这份报告提出了素食主义与饮食障碍的关联性。明尼苏达大学的研究者发现茹素的青少年进行节食的概率比食肉的同侪高了2倍，催吐的机会更是高了4倍，使用泻药进行减重的机会则是高了8倍。2009年调查发现茹素的青少年与成年人比起食肉的同侪们显现出暴饮暴食行为的概率为4倍（史黛西也有同样的症状）。澳大利亚与土耳其的研究者则发现茹素的青少年比食肉的同侪更加注意自己的外貌，也比同侪更有可能进行极端的节食方式。

赫尔辛基大学心理学系的玛利亚纳·琳德曼（Marjaana Lindeman）认为有时吃素代表潜在的情绪问题。她还发现吃素的女性除了有较高比例罹患饮食障碍外，也比食肉的同侪更有可能产生沮丧、信心低落或较为负面的想法。

最后，宾州大学的研究者发现，在大学生之中茹素者比肉食者更容易因为体重而焦虑，并更频繁地节食、暴饮暴食与催吐。或许，在所有发现之中最悲伤的是，茹素者比其他肉食者更能认同以下陈述：“如果能够以一颗药丸安全并且有效率地解决我的营养需求，我愿意服下这颗药丸。”听起来很糟吧。

我的同事坎迪斯·波恩（Candace Boan）是一位在大学服务的学生咨商师，她特别专注于年轻女性的饮食障碍问题。波恩已吃素15年。我问她，是否曾经注意过抗拒肉食与饮食障碍之间的关联。

“有啊，”她说，“我每个学期开始时都会和学生们聊这个问题。”

“她们的反应呢？”我问。

“没有人相信。”

波恩指出了问题的核心。“素食主义并不会让人们罹患厌食症或是暴食症。不过有些人，特别是具有上述倾向的年轻女性，会用吃素来掩饰饮食障碍问题。而且她们本人说不定根本没有意识自己正在企图掩饰什么。”

波恩说得没错。对很多人来说，茹素代表着健康的生活方式。确实，科学研究发现全素饮食比吃过量的肉好得多。我不是在暗示素食者和厌食症有着密切关系，不过我们的确不能忽视有十多项科学研究报告确实发现素食主义与饮食障碍的关联，特别是年轻女性的族群。就像童年时期的动物虐待经验与成年后的犯罪行为之关联一样，重点在于这当中的关联性到底有多强，以及为什么会有此关联性存在。

饮食障碍是个必须严肃看待的问题。全美国约有700万名女性与100万男性深受贪食症、厌食症、暴饮暴食之扰。由于神经性厌食症高达10％的死亡率，因此它也被视为最严重的心理疾病之一。很明显，我们需要更多的科学研究以了解真相，不过《瘦婊子》一书所说的，成为素食主义者就等于健康、等于瘦身的公式，完全是个谎言。

为什么很多素食者又重新开始吃肉呢

史黛西克服了她的饮食问题，现在几乎天天吃生肉，特别是生牛肉。她并不是特例。很多素食者都会回头吃肉。根据2005年CBS新闻台调查，全美前素食主义者的人口为现任素食主义者的三倍。可能因为我小时的成长环境为南浸信会教徒吧，我对那种曾经见过一丝光明又选择变心的人特别有兴趣。有天下午当荣誉研究生摩根·奇尔德斯（Morgan Childers）跑进我办公室讨论研究计划时，我提起了调查前素食主义者的点子。我们一起设计了一份网络问卷，由摩根负责在社群网站如脸书和My Space的相关社团征求参与者。

我们在几个星期以内就募集到77位前素食主义者参与问卷调查。平均而言，他们都曾经茹素十年，最后又选择回头吃肉。杰弗里·穆萨耶夫·马森（Jeffrey Moussaieff Masson）曾在著作《你盘中的脸：食物的真相》（The Face on Your Plate: The Truth about Food ）中赞扬避免肉食对健康带来的正面影响。他这么写道：“我长年茹素，生病好像根本不在我的字典里。现在我已68岁，坚持纯素食生活好多年，我想这是我一生中最健康的时刻吧。我的体重比30岁时轻，却比40岁时还壮，我比50岁时更少感冒或生小病。基本上，我一生中未曾受病痛折磨过。”

他挺幸运的。虽然许多素食主义者因为健康因素而放弃吃肉，但是我们的研究显示，重返食肉生活的素食主义者们往往也是因为健康状况堪忧而不得不这样。史黛西是因为老是生病而继续吃肉。许多参加我们问卷调查的人也面临同样的状况。有人这么写：“我感觉很虚弱又很不舒服。虽然我已经听从善待动物组织的茹素指南还是没用。”另一个人这么写道：“我病得很重，虽然我一直在打铁剂和维生素的营养针。最后因为病情每况愈下，医师要求我得吃一点肉才行。当时我想，如果只吃鸡肉或鱼肉就太假了，毕竟它们和猪和牛一样，都是动物。因此我从无肉生活一下又跳回毫不忌口的生活。”不过某人的回应才是最一针见血的：“我宁可吃一头死牛，也不想贫血。”

当然也有其他原因让素食者恢复吃肉。参与调查计划的前纯素食者与素食主义者们表示，他们已经对维持茹素生活感到疲惫——住家附近找不到品质好的或便宜的有机蔬菜，没有时间自己煮全素料理；又或者，他们已经厌烦了素食主义者的生活方式了。哲学家盖瑞·斯坦纳（Gary Steiner）曾经如此描述此中之不便：“如果你没有尝试在嗜肉如渴的社会里当一个素食主义者的话，你真的不知道什么叫作痛苦。原本日常一件超级简单的事，现在却变得难如登天。”

也有些素食主义者只是纯粹怀念肉味。有些参与我们调查的前素食主义者回忆只要闻到铁板上的培根香味就会抓狂，还会不停地进食蛋白质食物。有人这么写：“我真的很饿，而且那种饿就是非得吃肉才行。”另一个人的回复也很简单明了：“一个饿到前胸贴后背的大学生＋学期结束回到老友身边＋堆得像座小山的水牛城辣鸡翅＝投降。”

肉是身体与心灵的战场

当心理学家乔恩·海德特（Jon Haidt）读研究生时，他拜读了彼得·辛格的著作《实用伦理学》（Practical Ethics ），并马上认同食品工业以完全不道德的方式对待动物。虽然他深知工业化农业的残酷事实，然而，他并没有打算放弃肉食。他是这么写的：“从那天开始，我打从心底反对工业化农业。然而，这仅是我的道德态度，而非实际行动。我没办法放弃肉的美味。在我读完那本书以后生活上唯一的改变就是每当我点汉堡时，都会在内心疯狂地数落自己的伪善。”

我的状况和乔恩差不多。我们全家都喜欢吃马铃薯和肉，小时候我们一天三餐都会吃肉，而且开头都是B字母，培根（bacon）、牛肉（beef）。现在不会了，我和玛莉·珍偏好地中海料理——马铃薯、柠檬与番茄的风味，再配上意大利面或米饭，这些都是对身体很好的食材。我们确实也会吃肉，只是比以前少得多，而且多半选择会飞的或会游泳的动物。

我也较偏好对待动物友善的农业产品，好比我会和好友琳达（Lydia）买些混种阿拉卡那鸡与芦花鸡的鸡蛋。我也会花三倍的价格买贝尔与伊文（Bell and Evans）品牌的鸡肉，他们的网站强调：“鸡们沐浴在温暖的阳光底下。”偶尔，我会煎一些尼门牧场（Niman Ranch）买来的牛排，该品牌强调“牛肉皆来自以人道永续方式饲牛的美国家庭牧场”。我知道，根据消费者报告，通常这些“天然”“人道”根本都是没有意义的市场话术。

肉对人类内心而言，正像是艾尔·帕西诺（Al Pacino）在《魔鬼代言人》（The Devil’s Advocate ）中形容的是一个“身体与心灵之间的混沌战场”。对人类而言，与动物互动最自然的方式正是吃掉它们。对肉类的渴望根本就根植于我们的基因之中，这点和黑猩猩一模一样。不过，对像我这样的人来说，即使我们确实嗜好吃肉，但我们也知道人类是唯一有能力双眼直视其他物种，并且拒绝吃掉它们的动物。

哈佛大学灵长类学家马克·豪泽在所著的《野性心灵：动物们在想什么？》（Wild Minds: What Animals Really Think ）中写道，人类与黑猩猩之间的差异远远甚于虫子和猿类之间的差异。我们可以从食物的选择中明显看出此差异的存在。猩猩可以在镜子中认识自己、制造工具、进行群体狩猎、运用符号沟通并且形成不同阵营。不过，猩猩们在扯断尖叫的疣猴的手臂时，可从来不会露出一丁点的疼惜之情。

我的生牛排晚餐

就在我访问史黛西关于她如何从茹素者变为生牛肉爱好者的一个月后，她寄来了一封电子信件：“哈尔，你和玛莉·珍星期天想来我这吃晚餐吗？我们要吃牛排。”

当然好啊，史黛西，生牛排该配哪一款的酒呢？

一个星期后，我的想法改变了，我儿子是急诊室护士，而他老婆则是医生。两人不断向我耳提面命生红肉的危险性。不过等到星期日下午到来时，我们仍旧翻山越岭开往史黛西家。史黛西向我们介绍了自家农场，阳光温暖地洒落，眼前还有两只猪开心地向我们跑来，兴奋地啼叫，它们似乎很高兴见到有客人来访。接着，就到晚餐时间了。我和史黛西、格雷戈里的晚餐是生的丁骨牛排以及新鲜的希腊沙拉（玛莉·珍则选烤鸡胸）。牛排则来自格雷戈里与史黛西的农场，味道满分，鲜嫩、多汁。我的犹豫一扫而空。我吃完又再要了一份，甚至还吃了格雷戈里分给我的生鸭肉。

数周后，我收到了史黛西的电子邮件，并且再次思考了人类与肉类关系之间的模糊道德界限。

哈尔：

我们今早刚刚带了小猪们去屠夫那儿。

人类的心灵世界实在太过复杂，为什么人类会愿意花七个月的时间辛勤地喂养动物，只为了把它们送给屠夫并换来一包包的冷冻肉品呢？有时，人类甚至还愿意自行屠宰。

你不觉得，这一切需要勇气吗？

我想成千上万的人类之所以狩猎或畜养动物，纯粹是一种求生的必然性。不过，你必须得有个让自己过得去的说法才行。或许人道尊重是个方法，或许自行屠宰也会让良心比较过得去。这似乎让一切都圆满了。愿意承担责任，是唯一能抚平恐惧感的方式。

祝福你和玛莉·珍以及我们的猪！

08
老鼠的道德地位
动物在科学里的功用

假使在研究计划里，鼠类所受痛苦等同于人类，那么我们必定会得到以下两种结论：一、鼠类与人类都没有任何权利；二、鼠类与人类权利相等。很明显，两个选项都很可笑。

卡尔·柯恩（Carl Cohen）

这里有个小小的人类灵魂。

阿莱格拉·古德曼（Allegra Goodman）

在研究所第二年时，我第一次与动物研究的矛盾性正面对决。当时我被指派为实验室化学生态学家的初级助理。我负责采集蚯蚓皮肤表皮的分子。实验过程包括把这些蠕动的虫丢进加压后高达180摄氏度的热水里。两分钟后，我会从热水中取出蚯蚓尸身，封罐并留作化学分析。我已操作这过程好几回，所以这对我来说已经是家常便饭。我虽然没有特别享受热水滚虫的过程，但也没有丝毫的罪恶感。这些虫数秒钟就死了，而它们，就不过是虫而已。

有天早上，实验室要求我进行新的工作。来自另一所大学专门研究沙漠生物皮肤化学的科学家，在我们的实验室中进行了数项分析实验。几天后，一箱标明着“注意：内有活物”的纸箱被送了进来，里面简直是一个小型动物园：一打蟋蟀，一对长相怪异的白蝎子，一只15厘米长的蜥蜴，一条滑溜溜的小蛇与一只可爱的灰色白足鼠。我负责液化这些生物。

我曾经把一只活龙虾丢进沸水里，当时心里浮现了一丝丝的内疚感。既然有此经验，我也没有太在意当时的任务。我点燃了本生灯，接着按照动物的尺寸大小开始进行液化工作。蟋蟀和蚯蚓一样，只消碰到沸水，就会立刻死亡。这一点问题也没有。接下来是节肢动物，在它们待在实验室的短短几天里，我还蛮喜欢这些蝎子的陪伴的。我发现它们有着极具威胁感的魅力。它们的身体比昆虫重，因此接触热水后必须稍待一会儿才会死亡。我开始质疑自己在干什么。

接下来是正值青春期、有条纹、鞭尾蜥蜴属的蜥蜴。当我把它带出笼子时，我的胃痉挛了一下，接着开始大冒冷汗。我把它放进沸水中，双手频频颤抖。这只小蜥蜴没有立刻死亡，它在死亡前奋力挣扎了10秒之久。当我回头望向那只有着黑色深邃眼睛、行动优雅自如的小蛇时，我的手开始更剧烈地晃动，身体直冒冷汗。那只不断挣扎的爬虫慢慢地在溶液的旋涡中还原为分子的状态。

最后，是老鼠。我替老鼠称重，并计算相对应的蒸馏水分量，倒入烧杯中开火。当水温到达180摄氏度时，我发现我无法“解决”这只老鼠。我怀着不安但又带有一丝安心的心情熄灭本生灯，走进实验室里的办公室。我告诉科学家我已经把多数动物成分提炼出来了，但我没办法把老鼠丢进滚烫的热水里。我坐在房间里等候，让我的上司动手。

我时常会回想当时的道德困境。我突然发现，当时的实验室工作和著名的斯坦利顺从实验有着相同的意义。所有的初级心理学系学生都知道此实验：倒霉的实验参与者被要求以渐次加强的电力攻击隔邻房间内的参与者。大多数的参与者都以为他们所按下的通电攻击非常危险甚至致命。我和斯坦利顺从实验的参与者一样，都面对越来越棘手的情况。他们必须按下伏特数渐次增强的按钮，而我则必须处决体积越来越大的生命体。两者间的差异在于，斯坦利顺从实验是假的，假装被电击的对象根本就是科学家的朋友。但是在我的实验室里，动物们真的死去了。每当我回想此事，我都庆幸自己拒绝烫死活老鼠。不过，我还是很后悔自己杀死了蟋蟀与蝎子。

这起事件让我思考道德的两难之问。为求找出乳癌新药而处死老鼠的研究员和那些用捕鼠夹或毒鼠药杀死老鼠的普通人有何不同？为什么我可以轻松地把蟋蟀丢入沸水中，但要我杀死蜥蜴却很困难，遑论将老鼠滚沸至死？是它们的尺寸、物种种类、神经结构、可怕的死状，又或者是老鼠长相很可爱的缘故？这些实验的结果真的值得让动物以死或折磨性命来换？它们的死，真的值得吗？

达尔文的道德遗产

很多人和我一样，对动物研究感到矛盾，就连达尔文都曾对“活体解剖”感到不自在，活体解剖为19世纪侵略性动物研究之代名词。由于达尔文对动物非常着迷，因此他也要面对所有当代动物学者必须思考的难题——你必须亲手把你一生专注研究的动物杀掉。研究达尔文的历史学者吉姆·科斯塔（Jim Costa）对我表示，当达尔文甫投入自然主义领域时，亲手枪杀与毒杀了上千只动物，包括老鼠。连他自己都被某些实验的内容给吓到了。他曾经如此描述自己养的鸽子：“我深爱这些鸽子，以至于无法忍受为它们剥皮或制成标本。之前我已经做了天理不容的事，我杀了只有十天大、像天使般的珠颈斑鸠。”

19世纪70年代，英国境内因动物研究而激起了一番论战，支持与反对的两派人马中都有举足轻重的学者身影。然而，达尔文迟迟难以抉择。他有次表示生理学是“最伟大的科学之一”。然而，他也曾经向朋友埋怨，科学家绝对不可因为“愚蠢而令人厌恶的好奇心”解剖动物。

然而，最终，达尔文仍旧选择与生物学家站在同一阵线。他对动物研究之价值的观点转变反映在《人类起源》第二版时所做的微小修正。在第一版本里，他这么写道：“大家都应该知道被活体解剖的狗们会遭受多大的痛楚吧，狗舔着实验者的手，除非这位科学家有着铁石心肠，不然必定会为即将死亡的狗感到悲伤。”然而，三年后，他修改了句子，加上了一句话，“除非此实验能够增进我们对知识的理解”。1881年，达尔文投书给《伦敦时报》：“我深深认为，阻挡生物学的发展，就是与全人类作对。”

虽然达尔文发言支持动物研究，不过真正引起科学界道德纷争的则是他所提出的演化论并以此颠覆17世纪法国哲学家笛卡儿的观点，后者坚信动物不过是具有生物体机制的机器人，而它们的一切行为不过是生物反应。因此，科学家可以尽情地撕裂甚至焚烧动物，以满足其需求。此观点曾经受到19世纪法国生理学家克劳德·伯纳德（Claude Bernard）的支持，他这么写道：“生理学家并非普通人：他是科学家，并能融会贯通地追求科学理念。他不会听见动物的呼号，也不见其血液之流淌，他只看得见自己的观点，眼前只剩足以提供科学解释的有机生命。”

达尔文则指出，如果人类和其他动物有相似的解剖构造与生理结构，那么我们必然拥有相似的心灵感受。现代动物学家已证明达尔文的观点无误。其他物种和人类拥有众多相似的心理感受。科学家曾发现大象会为死去的同伴哀悼，猴子会察觉不公平的事，而凤头鹦鹉会随着“后街男孩”的音乐起舞。达尔文论点的道德结论是，人类与动物的心智理解力有程度上的差别，但无种类上的差异。如果动物具有知觉、记忆、情绪、动机，并能感知痛苦与折磨，如果它们甚至还懂得跳舞，那我们怎么还能振振有词地继续使用猩猩与狗进行动物实验呢？或者，仅只是人类的权利就让这一切合理化了呢？

动物研究学者面临着一个难题。通常，以人类最相近的物种进行实验最能解决与人类相关的科学问题。由于黑猩猩拥有与人类相似的98％的基因，因此它们比老鼠更适合当作研究人类疾病的模型。不过，正因为黑猩猩与人类如此相似，因此若将它们当作实验品，也会造成极大的问题。换句话说，科学上越适合当作实验对象的动物，其在道德层面就越站不住脚。而这就是达尔文留给科学界的道德遗产。

动物权分子时常宣称现代科学家和18世纪的科学家一样，根本不了解动物是会感知痛苦的生物。举例来说，曾任前总统乔治·布什（George W. Bush）特助的马修·斯卡利（Matthew Scully）于著作《统治学：人类的力量、动物的挣扎与怜悯的呼求》（Dominion: The Power of Man, the Suffering of Animals, and the Call to Mercy ）中写道：“许多研究者仍旧认为他们的实验对象没有感知疼痛的能力，甚至也没有纯意识以外的任何感受。”斯卡利这么说并不正确。我曾经在撰写动物意识文章时询问过14位动物研究员，是否认为老鼠有能力感觉痛楚与折磨。所有人都认为老鼠有痛感，并有12名研究员认为老鼠内心会因此感到折磨。根据英国科学家所做的更具系统规模的研究发现，在155位动物研究员中仅有2位认为动物无法感受痛苦。

由于多数动物研究者并没有像19世纪的科学先驱一样，将动物当作生物机器，因此他们很难轻易地将道德负罪感抛掉。我的朋友菲尔（Phil）就是个例子。他主要研究的领域为细胞如何利用葡萄糖和脂肪酸等燃料进行工作。菲尔是基础研究员，但他希望自己的研究最终能够为新陈代谢失调症如糖尿病找到新药。我问菲尔，他会不会因为利用老鼠进行实验而感到愧疚。他说，只有一次。

当时，菲尔所参与的研究团队正使用基因剔除小鼠（knockout mice）了解细胞如何运用能量。基因剔除动物的基因经由科学家改造后，已丧失其部分功能。菲尔的团队利用基因剔除工程将小鼠的传输蛋白质移除，该物质负责协助脂肪酸或葡萄糖进入肌肉细胞，因此团队预测该批基因剔除小鼠应该会比普通老鼠更容易感到疲累。

菲尔负责计算老鼠们要多久才会失去所有力气，而计算老鼠疲累感的一个方式是看它们能游泳多久。问题是附着在老鼠皮毛中的空气让鼠类们可以一直在水面上漂浮，如同趴在救生圈上的小童一样。“你必须让它们死命地游。”菲尔这样说，解决的方式是让老鼠们穿上一套重量适宜的迷你背带，这样一来老鼠必须努力游泳才能让头保持在水平面以上。

菲尔从另一个实验室的研究员那儿学到一套检测法。首先，你得拿一个有刻度、直径10厘米的圆柱容器，将水装满至低于顶端5厘米的位置。然后把老鼠绑上迷你背带并没入水中，接着开启计时器。老鼠游了几分钟后会感到疲倦并沉到水下，然后它会挣扎着游上水面大力地呼吸一口气。实验诀窍在于确定老鼠永久下沉后即刻停止实验，并且立刻把容器内的水倒掉。教菲尔这个方法的研究员承认有两只老鼠在实验中不幸灭顶。

菲尔只测试了一只老鼠。

他告诉我：“我看得出来老鼠知道我们在玩什么把戏，而且它对自己说：‘好，我知道我要死了，而且我真的游不动了。’这时我应该让老鼠继续挣扎、沉下去，直到它不再抵抗为止。但是我却急忙地把水倒出来，让老鼠躺着大喘气。它看起来筋疲力尽。”

菲尔受不了。他对分配工作的实验室教授说他不想再参与这项实验。因此测验老鼠疲惫感的工作就落到另一个新进研究生的身上。

菲尔和多数使用老鼠作为基础生理实验模型的科学家一样，他们对老鼠并没有特别的个人好恶，会选择老鼠作为模型仅只是因为它们肌肉细胞的运作方式吻合实验条件。数年来菲尔以不悲不喜的态度杀死了许多只老鼠。有一些是颈部错位（他用剪刀钝端向下压制住老鼠的头，并突然猛烈往后拉动它们的身体），其他则是斩首（他的实验室里有一台老鼠断头台，看起来就像是一台迷你裁纸机）。

不过当菲尔面临紧要关头时，却发现自己完全不是笛卡儿的信徒。当他望着溺水的老鼠的眼睛时，他看见了它们浓浓的求生意志。“困扰我的部分是，当老鼠知道死亡已到来因此放弃时，我却不希望它们放弃，我根本不想测量它们的肌肉疲劳度。我做不下去。我不想揣测它们的意志。”

外星人的道德观与肢体残障的婴儿：极端案例

尽管多数科学家不会否认老鼠是有感情的动物，不过我认为多数的动物研究员应该不会花太多时间苦恼实验上的道德问题。不过，时不时也会有事情让你质疑自己的行为。我的例子则是外星人。

当时是某个下雨的午后，我五岁的双胞胎女儿因为无聊开始闹脾气。为了安抚她们，我开车到附近的录影带店借了《E.T. 外星人》，这部斯蒂芬·斯皮尔伯格在1982年拍摄的电影描述一名外星人被困在加州郊区的故事。我预计用这部电影打发女儿们，这样我至少有几个小时的时间可以继续写作有关蛇类行为的文章。没想到，她们确实中招了，而我也一起沦陷。我把文章丢到一边，一起看电影，没料到这将改变我观看动物研究的角度。

你应该知道电影剧情吧？电影里的外星人有着大大的、水汪汪的眼睛以及会发光的心脏，它在南加州和新朋友，一位叫艾略特（Elliott）的男孩到处玩耍。电影结尾，外星人的妈妈来接走失的儿子。最后一幕，当艾略特伸手向E.T.问道：“留下来好吗？”它摇了摇怪物般的大头，并深深地望向艾略特的眼睛哽咽说道：“你要来吗？”当然，两人都知道，这是不可能的。当E.T. 缓慢地走入飞碟中预备长途飞行回到母星时，艾略特落下了眼泪。我也是。

这部电影一直在我的脑海里打转。那天晚饭过后，我模拟出一个完全相反的结局，想知道贝特西与凯蒂会怎么想。我问她们，如果电影结局不是这样呢？如果E.T. 仍然问艾略特要不要一起回到母星，艾略特说不要，然而E.T. 却不管他的想法抓住他的手臂，就在一连串的尖叫与挣扎下将男孩拖回飞碟中。太空船舱门关上，电影结束了，你只听见艾略特叫喊：“妈咪，救我！”接着太空船瞬间返回外太空。

我向女儿们解释，绑架艾略特是因为母星发生了致命的流行疾病，并且夺走了许多外星人的生命。他们的科学家研发出可能的解药，并希望用智商较低的人类作为实验对象，因为两种生物有着极高的相似性。事实上，E.T.在加州的真正原因就是希望搜集可供实验的人类样本。

“贝特西你觉得呢？E.T. 可以让艾略特承受痛苦的实验，以拯救千千万万的外星人吗？”

“不！爹地，不行！”

“但是你想想看。外星人比人类聪明多了。你看E.T. 可以用垃圾做出太空电话，还有人类完全比不上的超能力。它甚至可以让死树开花。”

凯蒂加入战局了。“我不管，爹地，E.T. 不可以把艾略特放到笼子里做那些愚蠢的实验。”

我不确定。我和女儿一样，不希望艾略特孤零零地被关在外星人的动物实验室，并被注射那些可以解救超级聪明的外星人的实验药剂，这太恐怖了，令人作呕。但以一个动物研究员的身份，我有许多无法向女儿坦承的小秘密。这部电影让我清楚地看到，动物实验以及包括我自身的实验都基于一个假设而成立，那就是高智能的生物有权利以低智能的生物作为实验对象。因此，E.T. 绝对有权利把艾略特拖回飞碟。

哲学家曾经有个类似外星人的道德两难问题，此问题称作边缘案例之辩论（argument from marginal cases）。我们使用动物进行实验是基于非人类物种并不具备人类所拥有的数种能力的假设——复杂情感、抽象思考或学习语言的能力。不过，我们是否可以使用不具备上述能力的人类做实验呢？每年都有许多患有严重智能障碍的婴儿出生，这些孩子有可能终生都无法说出完整的句子，也恐怕永远都无法理解老鼠的道德地位等等复杂的伦理问题。不幸的是，这些人类恐怕智商还不及普通的黑猩猩，有些人的心智甚至不及一只老鼠。我不知道该如何制定如此混乱的道德范围，此道德合理范围必须排除所有非人类的物种，却又包括所有人类，我们以道德相关的特征作为筛检工具，把能感受痛苦的生物纳进来，却又排除部分人类。

使用没有大脑皮质层或是又聋又瞎没有痛觉能力的婴儿做实验会不会比使用健康的老鼠来得好呢？我的内心当然不同意用残障的婴儿取代老鼠进行实验。不过当我以此问题请教哲学家罗布·巴斯（Rob Bass），他如此回信：“我的直觉和你不同。对我而言，使用没有知觉的婴儿做实验当然比让老鼠受尽折磨来得好。”许多学生也和我持相反意见：他们希望能让老鼠免于折磨，并以死刑犯进行生物学实验。这个问题关乎我们个人的道德直觉是什么。

我们可以从老鼠实验里学到什么

虽然有些哲学家认为科学家应改以重度残障的孩童作为实验对象，但是多数人还是在研究室宁可使用老鼠而非人类。不过，动物实验的支持者与反对者们各自对老鼠实验的价值，有不同看法。基因学者认为老鼠实验让学界在器官移植、免疫学以及我们对癌症、心血管疾病的理解与对先天障碍的原因的研究方面有突破性的发展。他们希望众人别忘了，有14位诺贝尔生理学或医药学奖得主，都因为老鼠实验获得的成果而得奖。另一方面，全国反解剖社团与美国医师医药责任协会则宣称老鼠实验相当无用，因为其过程不但布满瑕疵甚至可能对人类有害。我想，真相应该在此二种说法的中间吧。

不管你接受与否，现代医学进行了数以百万计的老鼠实验。以实验室动物来说，老鼠有许多优点。它们繁殖力强，容易驯服且成长快速（老鼠的一年等于人的三十年）。雌鼠在两个月大时就有成熟性征，而且每四到五天就会有一次发情期。雌鼠历经三周的怀孕期后，可以产下六到八只幼鼠，产后两周就可以愉悦地再度进行交配。

另一个老鼠被视为较好的实验对象的原因是，很少人会抗议并争取老鼠应有的权利。著有《关心：伦理与道德教育的女性化做法》（Caring: A Femi-nine Approach to Ethics and Moral Education ）的哲学家奈尔·诺丁（Nel Noddings）认为，道德奠基于人际关系，她也因此不认为人类对鼠类有任何的道德责任。她这么写道：“我从未与鼠类建立关系，未来恐怕也不太可能……因此我并没有准备好要关心老鼠。我无法感觉到与老鼠之间的关联。我不会虐待鼠类，也从不轻易使用毒药害死它们，不过若在有必要的情况下，我会毫不犹豫地杀死鼠类。”这应该是多数人对老鼠的感觉。2009年佐格比（Zogby）民调显示，有75％的美国人会乐意杀死出现在自家中的老鼠，只有10％的人表示会试着捉住老鼠，再将它安然释放，不过没有人说自己会愿意让老鼠继续生活在家中。

1902年当哈佛生物学者威廉·卡斯尔（William Castle）从退休的波士顿教师那儿取得一只混种老鼠以进行动物基因研究时，老鼠首次从害虫转变为实验对象。卡斯尔并非第一位将老鼠当作实验对象的科学家。奥地利生物学家孟德尔（Gregor Mendel）曾经培育老鼠以进行初期的基因研究使用，然而当时教宗以神的子民不应跟繁殖动物共处同一屋檐下为由，将孟德尔调到花园内，负责豌豆种植。第一只实验鼠诞生于1909年，卡斯尔的学生克莱伦斯·利特尔（Clarence Little）培育出了第一批纯种的实验室老鼠。这些老鼠因皮毛颜色被称呼为DBA（淡化、褐色、无条纹），此类型老鼠至今仍被使用于生物医药实验。

老鼠研究的发源地则是缅因州勃哈伯的杰克森实验室（Jackson Laboratory）。1929年克莱伦斯·利特尔接受亨利·福特（Henry Ford）之子埃德塞尔·福特（Edsel Ford）的资助建立此实验室。基本上来讲，杰克森实验室年产250万只相当于40吨重近亲交配、变种并接受基因改造的老鼠，这里可说是个大型老鼠工厂。科学家们选出了约四千种不同品种的杰克斯（Jax）老鼠，如果这都不符合你的需求，科学家还可以再依指定培育基因改造鼠。不过，基因改造鼠要价不菲。一般来说开发新品种需要一年的时间与约十万美元的资金。通常多数的实验室会订购活老鼠，但若空间上受限的科学家也可订购急冻胚胎，待有需求时再予以解冻。杰克斯鼠的名字让我想到美术用品店里的色票样本——“雾灰色”“淡栗鼠色”“枪金属色”。

杰克斯鼠的多样化甚至比它们的毛色花样更令人印象深刻。数以百计的老鼠身受罕见癌症困扰，有些是天生脸部缺陷，有些则是先天免疫性失调。有些杰克斯鼠样本有视觉、听力、味觉、平衡感等诸多缺陷。也有罹患高血压、低血压、睡眠停止呼吸症、帕金森症、阿尔茨海默病与肌萎缩性脊髓侧索硬化症的杰克斯鼠。专注研究不孕症的科学家有88种特殊生殖器官缺陷的老鼠可供挑选。此外，还有完全不能融入鼠群的老鼠——躁动的、周期性忧郁症、上瘾症、过动症以及精神分裂的老鼠。

动物研究拥护者不断强调成功的案例。生物医学研究基金会的莉兹·霍吉（Liz Hodge）向我说明，如果没有动物研究，我们就不可能对小儿麻痹症、腮腺炎、麻疹、德国麻疹、肝炎免疫。也不会有抗生素、麻醉剂、输血、放射性治疗、心脏手术、器官移植、胰岛素、白内障手术，更不能发明治疗羊痫风、溃疡、精神分裂症、忧郁症、双极性人格失常与紧张症的药物。我们无法对抗狂犬病、犬瘟热、犬小病毒肠炎，也无法创造猫科白血症疫苗，也无法处理心虫症、布鲁氏杆菌病、癌症或是关节炎等疾病。

以老鼠作为实验对象的研究者声称几乎所有我们对哺乳类基因运作功用的了解，包括人类基因的知识建构，都根源于老鼠实验。是的，早在6000万年前演化过程就让人类与鼠类的脑部有了完全歧异的发展。我的头脑重量比住在我地下室档案柜后方的小伙伴们重了1500倍。不过，虽说我们拥有不同的染色体数目（它有40个，我则有46个），但是我们拥有几乎相同数目的基因——约22 000个。更重要的是，约有99％的老鼠基因都与人类有着相似之处。

根据杰克森实验室执行长与总监里克·沃奇克（Rick Woychik）的说法，老鼠让科学家能够为致命的疾病找到解药，好比儿童糖尿病、乳癌与阿尔茨海默病等。“这是一种从假设到临床实验的连续过程，你可以先有最基本的想法，接着将此想法酝酿成熟并转换成临床概念，最后则产生临床上的创新治疗技术。”

杰克森实验室的研究人员对于个体化医疗的新领域特别热情。不管是蛀牙或艾滋病，基因在几乎所有影响你的疾病里都扮演着重要的角色。基因也影响你的身体对药物的反应，有些人无法从某些药物得到疗效，反而会因此产生可怕的副作用（举例来说，有人服用伟哥后得到近四小时的勃起，并被送进急诊室）。反之，有些人则能从该药物得到完好疗效，并且没有产生太大的副作用。个体化医疗的目的就是标记出何人能因为特定药物获益。里克·沃奇克相信，老鼠基因实验最终能让医师足以诊断出适宜药物与相符剂量予特定病患。

密歇根大学的哲学家卡尔·科恩（Carl Cohen）同样相信动物研究能带来医疗的进步。1986年科恩发表于《新英格兰医学期刊》（New England Journal of Medicine ）的文章被视为是动物实验的经典辩护理论。他写道：“所有医学上的进步——任何新药、新手术……若不能以动物进行首次实验，就必须以人体作为实验对象。如果我们禁止使用活体动物进行实验，或是严格缩限可行范围，将会严重阻碍重要的医疗研究发展或是必须改以人体作为实验对象。”这确实是官方说法，而且多数时候我也赞成此说，不过我仍旧希望不要因为乐敏锭的小小改良就让大批实验鼠牺牲，又或者我们应以实验鼠进行总被忽视的热带疾病的治疗方式研究。

动物实验的反对者则以不同的角度切入辩论。反对者举反应停与万络为例，谴责动物研究下的失败例子，以及衍生出的对人体有害的药物（老鼠研究人员对此说提出辩驳）。他们认为科学家过度夸大动物研究所带来的医学贡献。反解剖人士认为早在疫苗出现以前，对孩童有致命之伤的猩红热与白喉的死亡率就已下降了90％。反动物研究者主张，人类的健康状态应归功于更好的营养与卫生环境。他们认为在老鼠身上做实验时常会产生盲点，实则拖延了医学的进步。

我支持动物研究，并且认为反解剖人士似乎过于天真并且在医学知识方面显得生涩。不过，他们确实提出了某些值得探究的论点——包括实验结果的重复性。研究者使用近亲交配的老鼠做实验，部分原因是其他实验室的科学家才能够独立检验实验成果。1999年，一篇刊载在《科学》期刊上的文章对老鼠研究领域投下震撼弹。位于俄勒冈州波特兰的科学家与加拿大艾蒙顿、纽约阿尔巴尼的实验室共同使用8个老鼠的品种并以相同程序进行一连串的行为测验。每间实验室的鼠源统一，提供相同食物，圈养在有相同的光暗周期的场所并于完全相同的岁数时置放在同一实验程序里，甚至连实验人员在抓取老鼠时都穿戴同一个牌子的外科手套。

尽管研究人员花费极高心力确认动物们接受完全相同的待遇，但在某些测试里老鼠们的行为却有着明显的不同。波特兰实验室的老鼠对一剂可卡因做出强烈反应，但是它们在阿尔巴尼与艾蒙顿的老鼠兄弟们对此却毫无反应。研究者的结论是，即便基因完全相同的动物，也可能因实验室间的微妙差异导致完全不同的研究结果。我把这篇文章归类在个人电脑中的“令人为难的事实”资料夹中。

此外，老鼠与人类的相似程度为何，这点难有定论。以生理学来看，人类与老鼠有着相当大的差异。我们的寿命为老鼠的40倍，重量则超过2000倍。老鼠的新陈代谢速率比人类快上7倍。自恐龙时代以来，人鼠两族就不曾有共同的祖先。霍华德·休斯医学研究所（Howard Hughes Medical Institute）微生物学教授马克·戴维斯（Mark Davis）就曾经感叹近亲交配的实验鼠难以为病患寻得解药。根据戴维斯的说法，至少有12种在老鼠身上可行的免疫系统疗法对人类几乎无效。他的结论是，老鼠根本不适合当作人类免疫系统的实验样本。

这情况也发生在神经学领域。肌萎缩性脊髓侧索硬化症也是仍无解药的神经退化症。罹患此疾并因而过世的著名病患包括洋基队的卢·格里格（Lou Gehrig）与西卡罗来纳州大学橄榄球队的教练鲍伯·沃特斯（Bob Waters），后者在罹病末期只能使用人工呼吸机坐在轮椅上发布战术。仍存活的病患则有剑桥大学理论学者斯蒂芬·霍金 [1] 。艾默里大学临床神经学家迈克尔·贝纳塔（Michael Benatar）在遍寻不得解药的情况下，研究了所有关于肌萎缩性脊髓侧索硬化症的老鼠实验结果。他对结果感到诧异。首先，他认为所有的实验都有缺陷。有的实验样本太少或实验设计不全。其次，他发现有十多种足以延长罹患肌萎缩性脊髓侧索硬化症的老鼠性命的药物，对人类完全无效。事实上，其中一种对老鼠有用的解药却让肌萎缩性脊髓侧索硬化症病患病情加剧。贝纳塔认为使用实验鼠为肌萎缩性脊髓侧索硬化症寻求新药，就像是夜晚在路上借着路灯寻找钥匙一样，因为你根本看不见光在哪里。然而，反对动物实验的行动者先别高兴得太早，对实验鼠感到失望的科学家们已经开始选用和人类有着更为相似的大脑的动物——猴子，作为神经失调疾病的实验对象。

好老鼠、坏老鼠、宠物鼠

人类与动物互动学之内最常辩论的主题正是为何人类是混乱地以情绪辅以逻辑思考动物的存在。某部分将老鼠使用于实验中的决定相当合理。举例来说，人们对于动物研究的态度，或多或少取决于他们所认定的实验成效多寡、动物受到的折磨程度以及研究中所使用的是何种动物。英国的一项调查问卷指出，2/3的人同意在老鼠身上进行引起痛苦的实验，以开发儿童白血病的解药，但只有5％的人支持使用猴子来测试化妆品的安全性。

其他时候我们对于动物的道德地位更是偏颇混乱。好比我们对老鼠做分类进而影响了我们对该种老鼠的观感。我曾在田纳西大学爬虫类动物行为学实验室担任客座教授将近一年。该实验室位于沃特斯生命科学大楼，该栋大楼养着爱动的绒猴、咕咕叫的卡诺鸽、眼睛雪亮的白子鼠、尖尖的绿色香烟虫以及一千五百只老鼠。老鼠们被安顿在干净无瑕、散发着松香气味的地下室房间里，并由能干且认证合格的员工负责照料。尽管建筑物里的所有老鼠都属于同一物种，但它们却拥有不同的道德地位。

住在沃特斯生命科学大楼里的老鼠多半被视为好老鼠，它们在上百个实验室里成为教员、博士、研究所学生进行生物医学与行为观察的实验对象。几乎大部分的研究计划都直接或间接地与人类罕见疾病的治愈有着极大的关联。虽然无人直言，不过这些老鼠的生死全是为了我们的利益。由于该所大学接受美国国家健康研究院的补助，因此老鼠们必须受到符合公共卫生署颁布的《实验室动物照顾与使用守则》的对待。所有的研究项目都必须接受校方的动物关怀委员会审查，考量实验本身的道德代价与可能性。

不过该栋大楼里还有别的老鼠，即所谓的坏老鼠。坏老鼠是有害的生物，你偶尔会在闪烁着日光灯光芒的狭长走廊下瞥见坏老鼠，它们来去自如。这些坏老鼠对于极度强调清洁以避免实验室间交叉感染的环境来说，绝对是潜在的威胁。这些法外之徒必须被彻底消灭。

动物研究室的职员们运用了各种方式扑灭坏老鼠。捕鼠夹缺乏效率，而职员们又担心毒鼠会污染实验室的好老鼠，因此最终解决方法则是粘鼠板。粘鼠板就像是鼠类的捕蝇纸。粘鼠板的主体结构包括1平方英尺（约929平方厘米）的卡纸板、上面覆盖着强力黏胶以及含有吸引老鼠的化学药剂，因此又称为粘板。每到傍晚，实验室职员会把粘板放在坏老鼠出没的地方，并在隔天早晨检查。每当老鼠踏上粘鼠板，它就不可能全身而退。当它奋力挣扎时，更多的毛发会沾染到黏液，即便粘鼠板并没有有毒成分，但是约有一半的老鼠会在白日时死亡。至于没有死掉的老鼠，则会被施以毒气。

被粘鼠板抓到的动物会经历极端痛苦的死亡。我怀疑不会有任何一位动物关怀委员会的委员同意让实验鼠被粘在粘鼠板上一整夜。不过，被标为害虫的“对象”却会被如此对待。

这个矛盾在我得知害鼠的来源时更形放大。看起来这栋大楼不太可能会有野生动物出没，不过由于大楼里养着上千只的老鼠，难免有逃亡之徒。所谓的害鼠其实就是脱逃的好老鼠。大楼的管理者告诉我：“只要老鼠掉到地板上，它就成了害虫。”“咻”的一声，老鼠的道德地位瞬间蒸发。

在沃特斯生命科学大楼里，任何老鼠的道德地位都取决于它被贴的标签。我很快就做了批判结论，直到我发现这也是我家的潜规则。在我儿子7岁生日时，我从实验室绑架原本要被两头蛇当作晚餐的老鼠。我把老鼠送给亚当作生日礼物。亚当把老鼠取名为威利（Willie），并在房间里为它打造了一个基地。我们一家人都很喜欢威利。它安静而且令人喜爱。不过老鼠的生命周期很短，有天早晨当亚当醒来时，威利已经倒在笼子底部了。我们开了一个小小的家庭会议，小孩子们决定要为威利办一场丧礼。我们把威利放在小盒子里，并埋葬在花园里，放上一块小石头做墓碑。我们站在墓地旁，并说了一些感念威利的话。贝特西与凯蒂都哭了，这是她们生平第一次面对死亡。

几天后，喜好整洁的玛莉·珍在厨房地板上发现了老鼠的排泄物。她看着我说：“杀了它吧。”当晚，我在捕鼠夹上放了一点花生酱，并把捕鼠夹放在冰箱与火炉间。隔天早上就抓到老鼠了。猎杀相当成功。不过这一次，可没有什么葬礼。我把小老鼠的尸体丢进离威利墓园不远处的草丛里，在那一瞬间，我突然想到我们为生命中所出现的动物贴上的标签（害虫、宠物、实验对象）影响了我们对待它们的态度，我们不在乎它们有多聪明或它们是否懂得幸福的滋味。

被浪费的老鼠

一位曾在鼠类繁殖场工作的女士苏珊（Susan）说服我应该在老鼠种类中再新增一栏，除了好老鼠、坏老鼠与宠物鼠以外，还有从未真正进入实验程序的“剩余鼠”（surplus mice）。剩余鼠为数还不少。有些剩余鼠会被拿去动物园喂蛇或猫头鹰，但多数的剩余鼠则会被焚化。苏珊说在她工作的动物繁殖场几乎每天都有剩余的幼鼠被安乐死。一位资深的技术员会将大把老鼠放进透明塑胶袋内，并置入连接二氧化碳瓶的软管，接着打开气瓶开关。每天会有多少剩余鼠被杀死呢？苏珊说，每天状况不同，不过通常约50只。

为了确认真实状况，我打电话给一位我在研讨会上碰见、负责照顾实验动物的兽医师约翰。他在一所一流的大学掌管实验动物中心，而该校的实验者以老鼠进行基因研究。

“约翰，我刚才知道有很多实验动物中心的老鼠根本没做过实验就会被处死，这是真的吗？”

“对啊。”

“这种老鼠称为剩余鼠？”

“没错，我们有一个二氧化碳间。”

“要处死多少动物？”

“嗯，这里每个月有4000窝老鼠出生。通常一窝有5只幼崽，所以1年有25万只老鼠。大概有一半的老鼠会被安乐死。所以我猜大概1个月1万只吧。”

“老天啊。”

剩余鼠的激增是有原因的。根据美国太空总署的前兽医师乔·贝利斯基（Joe Bielitski）的说法，多数的公鼠都会被安乐死，因为它们太容易陷于激斗之中。除此之外，仅需几只公鼠就可以让实验鼠家族继续繁衍下去。他估计约有70％的实验鼠从未被使用于任何实验。不过真正造成剩余鼠数量暴增的原因为20世纪90年代开始疯狂使用基因改造动物进行实验。几乎有90％的基因改造动物实验都使用老鼠，而这些实验确实也带给科学界相当重要的突破。（一个影响人类大脑并负责语言区域的基因最近被植入在基因改造鼠身上。这些老鼠自然不会讲话，不过它们会用低沉的声音吱吱叫，而且此基因改变了它们的脑部构造。）不过如果从老鼠的观点来看，基因改造研究根本就毫无效率可言。要把单一DNA植入不同物种并且成功融合在基因组里确实是难上加难，基本上来讲，能成功创造转换基因鼠的概率介于1％～30％之间。换句话说，100只动物里面或许仅有1只可以用于实验，其他99％的动物会在3周大时被处死。它们等同于垃圾，只能增加实验单位的经济负担。

根据美国人道协会副总与动物研究专家安德鲁·罗文的估计，每年在繁殖场遭毒气灭杀的老鼠数量远超过真正用于实验的老鼠。不过，我们根本无法掌握真实数据，因为根据美国国会所言，实验鼠并非动物。

老鼠是动物吗

1876年，英国国会通过第一条管理动物研究的法令。美国直至90年后才缓步跟进。当时促成国会动作的是两篇关于狗的文章。第一篇为1965年于《运动画刊》（Sports Illustrated ）刊登的关于一只叫作辣椒的大麦町犬的故事。当时辣椒从家中后院失踪，显然是被买卖实验动物的贩子绑架。辣椒的主人最后终于找到爱犬，只不过当时它已在实验后被纽约的某间医院进行安乐死。一年后《生活杂志》（Life Magazine ）刊登的《狗集中营》（Concentration Camp for Dogs ）一文再度描述了家中宠物被绑架成为实验室动物的故事。接下来白宫与参议院议员收到如雪片般涌入的民众信件，内容不外乎担心自己的猫猫狗狗会遭到绑架。在接下来的两个月中，国会成员收到关于动物研究的信件甚至已超越其他两大重要的道德议题：越战与民权问题。国会与参议院于1966年火速颁布了《动物福利法案》。（直到1974年政府才进一步确保实验动物必须拥有人道待遇。）

《动物福利法案》的政治摆荡再一次显示了人类面对其他物种的矛盾状态。或许此法案中最吊诡的一点在于我们能否回答一个非常简单直白的问题：动物是什么？一开始此法案所定义的动物似乎相当合理：“动物代表所有死了或活着的狗、猫、非人类灵长类动物、天竺鼠、黄金鼠、兔子与其他温血动物，上述动物被用于或企图用于研究、教学、实验、测试、展览或成为宠物。”不过真正有问题的在下一句，“此名词不包含鸟、大家鼠（Rattus）中的黑鼠（rats）以及因应实验需求所培育的小鼠（mice）”。

没错，根据国会的说法，小鼠不是动物，黑鼠或鸟也不是。这代表约有90％至95％用于美国本土动物实验的动物都不受联邦动物保护法案之保护（接受国家健康研究院补助的研究机构所使用的老鼠和其他脊椎动物适用于另一项规范）。大法官查尔斯·里奇（Charles Richey）认为将老鼠、黑鼠与鸟排除在动物福利法之外是相当独断与不当的行为。他说得没错。举例来说，在国会对动物这个字眼的定义下，一个侧录白足鼠属性行为的研究者必须小心翼翼以免误触法网，但是在他楼下以通电装置电击脑残的实验室小鼠的研究者，却可以不受任何法律的规范。

《动物福利法案》对于人类所不喜欢的老鼠以及人类所喜爱的狗所制定的差别待遇还颇发人深省。由于小鼠根本不算动物，因此无法立足于法律之下。没什么好说的了。至于狗，则受到特别优厚的待遇。它们应当享有“每日和人类有正面的肢体接触”的权利（意思是指玩耍）。讽刺的是，因为该法案适用于生或死的动物，因此死狗所拥有的法律保障远高于活老鼠。（然而，在《动物福利法案》里，注明死狗并不包含在关于农事与笼子尺寸之规定中。）

由于此法案排除鸟、黑鼠与小鼠，因此我们无法得知美国每年用于研究的动物数目。依照我手中的数据，2006年共有66 610只狗、21 637只猫、62 315只天竺鼠与62 315只猴子与人猿被用于生物医学与行为实验之中。不过没有任何人知道到底美国实验室使用了多少实验鼠。有人估计有1700万只。其他人，包括加州旧金山大学的教授也就是《动物想要什么：实验室动物福利政策之专业知识与推广》（What Animals Want: Expertise and Advocacy in Laboratory Animal Welfare Policy ）一书作者拉里·卡尔朋（Larry Carbone）认为真实的数字远超于此。拉里估计每年美国使用的实验鼠在1亿只左右。通常越巨大的数字都越接近真实。

《动物福利法案》历经增修，不过最重要的是1985年国会所制定的裁断何等实验有施行必要的附带条文。在英国，每一个动物实验都必须经由内政部同意核准。而美国则采取不同的方式，他们将责任交给该研究机构，并要求研究机构为人道处置实验动物把关。他们指导每个研究机构成立专属的动物关怀委员会。

在动物关怀委员会上班挺辛苦的。通常在知名的大学里，委员会成员每周得花好几个小时检查蜂拥而至的实验提案，每份报告15至20页。每隔两个月，委员们就必须扮演上帝的角色。他们负责决定哪项实验通过或被退回，又或者必须补齐资料。他们决定了实验室动物和研究员科学生涯的生死。当动物关怀委员会委员很可能会没有朋友。不过，委员会真会公平地衡量动物权利与实验价值吗？

评断审判者：动物关怀委员会的决定是否正确

数年前，我接到卫斯理大学（Wesleyan University）社会心理学者斯科特·普劳斯（Scott Plous）的来电，普劳斯同时为决策专家。我们两人曾在华盛顿特区发送传单给动物权行动主义者时不期而遇，并且都对人类如何思考其他物种深感兴趣。

“哈尔，你有没有想过要让不同的动物关怀委员会评估同一个提案？”他问。

“当然有啊。”我回答，毕竟如果能知道不管得州大学动物关怀委员会或是约翰·霍普金斯大学动物关怀委员会都会做出一样的裁决，并证明国会设立的标准相当有用，会是一件好事。“不过，斯科特，这不可能啦。科学家很忙，他们不可能配合你这样做。”

斯科特不同意。他认为如果我们能提供更多动物照护资金给大学系统，那么他们绝对愿意照办。我很怀疑，不过我仍旧跟他说好，算我一份。斯科特把提案丢给国家科学基金会并得到了补助。他是对的，只要我们提供大学机构额外的动物照护基金，很轻松地就随机邀请了近50所大学的动物关怀委员会参与计划。确实，委员会的人都相当有意愿。最后，将近有500位科学家、兽医与委员会成员参与了此计划，回复率接近九成。

第一个委员会给我们寄来经他们审核的提案。我们移除身份资料后，将提案寄给第二个委员会重新审核。实验内容千奇百怪，从研究蝙蝠如何找到水源到小鼠的饮食失调发展途径都有。总而言之，这150份提案里涵盖了五万只动物，多数为小鼠和蝙蝠，但也不乏其他物种——黑猩猩、青蛙、水牛、白鹭、鸽子、海豚、猴子、海龟、熊、蜥蜴，你想得到的都有。当资料收集齐全后，我飞到康涅狄格州协助斯科特分析数据，厘清这背后所包含的意义。我本人也曾经担任动物关怀委员会委员，我想不同委员会间应当有着相当的一致性。结果我大错特错。

对我而言，在按下输入键让结果显现在电脑屏幕的瞬间，就是科学显现真理的时刻。我和斯科特坐在他的办公室里，紧盯着电脑屏幕。我有点坐立难安，感觉肾上腺素默默地飙升，就像攻击前锋等着四分卫喊出：“呵！”的那一声。

斯科特按下输入键，数字出现了，结果让我们大吃一惊。

几乎有80％的委员会都做出了与前一个委员会相异的决策。我们的统计分析指出，委员们很可能是用丢铜板来决定这一切的。很清楚，这系统根本就不实用。不过这到底是为什么呢？一所大学的委员们认为可以在冷水中长时间浸泡老鼠，另一所大学的委员们则说不行。现在回想起来，或许我根本不该对委员们的差异性结果那么吃惊。要辨别一项实验的对错比我们想的还要困难。《禅与摩托车维修的艺术》（Zen and the Art of Motorcycle Maintenance ）的作者罗伯特·波西格（Robert Pirsig）很巧妙地描述了我的处境：“不过，如果你说不出质量是什么，那你怎么知道它是什么，你怎么能确定它存在？”这个问题可以让科学家们通宵熬夜。

我们发现，不同的动物关怀委员会经常做出不同的裁定，这是常态。调查显示，同侪间对科学实质的判断常常显现差异结果，这点和30年前相同。调查项目包括评估补助金提案、期刊文章以及人类与动物研究伦理委员会的决定。事实上，科学家无法明察研究的品质及其重要性。这点恐怕是研究人员不愿面对的可怕秘密。

简言之，国会所颁定的实验动物研究照顾的法案根本无法确切落实。为什么白足鼠适用于《动物福利法案》而实验鼠却没有资格？为什么狗有权利每天玩耍猫则不在此限？为什么被一委员会全额补助的计划会被另一委员会彻底枪毙？很遗憾，这些挑剔的问题为反解剖人士提供了攻击的借口，成了科学家自打嘴巴的最好实例。

那我们能做什么？首先，国会应该扩充《动物福利法案》并纳入所有脊椎动物——哺乳类、鸟、爬虫类、两栖类和鱼（英国动物研究的法规甚至延伸至章鱼类）。我们的资料显示多数科学家也希望《动物福利法案》能保护小鼠、黑鼠以及鸟。参与我们计划的研究者中有3/4的人不同意《动物福利法案》中对动物的定义。

当然，我们也可以直接停用目前的体系。我们可以让科学家在不受任何第三方检验的情况下进行操作动物实验，或者，我们也可以直接丢骰子决定哪些动物实验可行。这两种方法都不太可能吧？有些动物权行动分子提出了第三个方法。他们希望彻底禁绝动物实验。不过，反对所有动物实验的人往往又自打嘴巴、自相矛盾。

动物实验的矛盾：用动物实验来证明不应施行动物实验

反对动物实验的论点基于小鼠与黑猩猩应属人类道德关怀的范围，而植物和机器人则否。这是因为动物有植物与机器人所欠缺的精神特征。举例来说，哲学家汤姆·雷根（Tom Regan）认为拥有知觉、情绪、信念、渴望、概念、记忆、动机以及对未来的知觉的生命体，都应拥有道德权利。但我们如何得知何等动物有此特征？答案就是经由动物实验。

法学者斯蒂芬·怀斯（Steven Wise）是少数以严谨态度面对不同动物间的知觉能力差异性的动物权倡议者。怀斯于著作《划清界限：科学与动物权案例》（Drawing the Line: Science and the Case for Animal Rights ）中，发展出一套量表以0～1.00评量不同物种的知觉能力。怀斯以动物行为与知觉的科学研究报告作为评分依据。依此量表，人类得分为1.0，黑猩猩为0.98，大猩猩为0.95，非洲象为0.75，狗为0.68，蜜蜂为0.59。怀斯认为得分超过0.9的动物（包括类人猿与海豚）都应享有基本法律权利，而得分低于0.5的动物则否。怀斯量表的重要性在于他提出了以动物知觉能力作为其道德地位的基准单位，而非我们对动物能力的臆测又或者我们对它们的任性喜好。举例来说，怀斯以科学研究为判断基准，认定非洲灰鹦鹉应比狗拥有更高的基本权利。

然而，以此经验法衡量动物权也自有矛盾之处——你必须先进行动物研究才能证明使用该动物进行研究是否符合道德标准。举例来说，怀斯认为海豚拥有最高等级0.9的动物得分，并认为它们为非人类动物中应拥有最高基本权利的动物之一。他写道：“海豚可以理解指向、凝视以及即时模仿的概念。它们可以立刻模仿你的行为与声音。”他以夏威夷大学心理学者卢·赫尔曼（Lou Herman）的研究作为评断海豚知觉能力的根据。赫尔曼花了30年的时间研究发现海豚拥有极强的记忆力，并比黑猩猩更懂得人类手势的意涵，它们拥有较为复杂的语言能力，甚至还会纠正你的文法错误。

既然怀斯以赫尔曼的研究作为评量基础，他想必应该相当支持赫尔曼的研究吧？错了。事实上，怀斯严厉批评赫尔曼的海豚研究违背道德原则，他不但剥削海豚，甚至将它们视为禁脔。当然，讽刺的是，如果没有赫尔曼的海豚研究，怀斯要如何得知海豚的知觉能力堪比黑猩猩，而又要如何证明海豚确实应该享有基本权利呢？

那么老鼠呢？它们的得分如何？怀斯的书中并未提到老鼠，因此我寄电子邮件给他：“怀斯教授，以你的量为基准，老鼠得分几分？别忘了它们是最常被拿来做实验的哺乳类动物。”

怀斯回复，由于时间急迫的关系，他不得不省略老鼠。他表示，自己依据现有的研究结果客观审慎地评断特定物种的知觉能力。他不但需要追踪最新的实验，还得访问研究各物种行为和知觉能力的研究者先驱。怀斯说猩猩与海豚的得分非常符合预期。相反，蜜蜂的得分之高则让他意想不到。几乎每一种动物都需要近三个月的评估时间，而一天仅有24小时，物种却有上千个。

老鼠有同情心吗

怀斯很洒脱地承认我们并没有足够资料评断多数物种的心灵状态，以将其道德等级归类，这似乎代表我们需要更多的动物研究。部分研究确实发现某些动物拥有我们所不知道的能力。举例来说，麦吉尔大学（McGill University）的痛苦基因研究室最近进行了一连串的实验企图证明老鼠具有同情心。虽然我并不相信小灰鼠的怜悯能力和人类有任何相似之处，但是麦吉尔大学的研究者们确实点出了道德议题的有趣面向。

痛苦基因研究室的实验企图了解当其他鼠类遭受痛苦时，老鼠是否会对痛苦做出反应。研究者以数种方式制造动物的痛楚。大多数的老鼠得接受“痛苦扭曲测试”，实验者将稀释醋酸注射进老鼠的胃部，其他老鼠的后脚爪上则被注射一滴刺激性液体，最后一种制造痛楚的方式则是测试老鼠从灼热表面抽起双脚的反应速度。假使我计算正确的话，约有800只老鼠成为实验对象。

老鼠会感觉他鼠的痛苦吗？简单来讲，是的。接受醋酸注射的老鼠若位于其他接受痛苦扭曲测试的老鼠身边时，会表现出比单独测试时更强烈的痛楚。不过，真正有趣的是——痛苦的感染性只存于亲戚鼠或同笼的鼠友之间。老鼠对身旁挣扎抖动的陌生鼠是没有任何同情心的！

老鼠怎么会知道其他笼友正在受苦？它是看到笼友眼神中的苦楚还是听见超高频率的呻吟声？又或者，当老鼠感受恐惧时会释放特殊气味？研究者有计划地中断老鼠的感官系统，以检查上述的可能性。视觉较容易检测。他们在两只痛苦扭曲的老鼠间隔了一个不透明的屏幕。要阻断嗅觉能力则相当困难。当老鼠被注射局部麻醉剂后，研究者在老鼠鼻孔内塞了可以烧坏嗅觉感受细胞的化学腐蚀性药剂，这会永久性地破坏老鼠的嗅觉器官。为了断绝听力，研究者连续两周为老鼠施打卡纳霉素，接着，老鼠的听力永久地消失了。

以科学的观点来看，实验相当成功。研究者发现老鼠的同情心仅来自视觉而已。被剥夺嗅觉与听力的老鼠仍然是具有同情心的，但若挡住老鼠的视线，它就不会再对受苦中的鼠同胞做出反应。

这项研究道德吗？假如你是麦吉尔大学动物关怀委员会委员，并负责同意或否决将特定动物用于实验之中。那么你会如何做决定呢？即便实验结果相当成功，让动物陷于痛苦与折磨之中是合理的吗？

请做决定：赞成或否决。

对我来说，这题真的难解。实验本身不但相当完整，而且研究结果刊登在《科学》期刊上后受到国际学界的广泛注目，这点远比多数乏人问津的论文来得幸运。此外，研究者们言之凿凿，辩解老鼠所受的伤害相当轻微而短暂。

道德之两难

我不同意此实验的原因是，听滚石乐团或嗅闻新鲜法国面包的香气绝对是我个人人生的一大乐事，因此我不赞成把小老鼠变聋或是摧毁它们的嗅觉系统（如果这项实验不牵涉感官能力之剥夺，我会乐见其成）。

之前我读到此研究时，第一个反应是：“这些家伙真的很恶劣。”我以为他们会收到来自较偏激的反动物实验分子的死亡威胁，结果却出乎我意料。以骚扰动物研究者为策略手段的动物解放阵线（Animal Liberation Front）团体在其网站上报道了麦吉尔大学的老鼠研究结果，以证明鼠类与人类对痛感有着同样的反应。就连许多反对牵涉痛感与永久性伤害的科学家，都心照不宣地默许这项实验。知名动物行为学家与动物权提倡者马克·贝科夫认为，若研究者无法将某实验施行在自己的狗身上，就应放弃该项实验。因此，我非常讶异贝科夫竟然在其著作《野蛮正义：动物的道德生活》（Wild Justice：The Moral Lives of Animals ）中引用麦吉尔大学痛苦实验研究的成果，以证明老鼠也拥有复杂的情感状态。

乔纳森·巴尔科姆（Jonathan Balcombe）和马克一样，身兼动物权运动者与科学家双重身份（前者的博士论文为蝙蝠的行为模式），乔纳森于其著作《第二生活：动物的内心世界》（Second Nature: The Inner Lives of Animals ）中，阐述自己反对任何侵入性或牵涉痛感的科学研究，同时他也是动物权运动圈里的知名专业人士。乔纳森知性、冷静并且很谨慎，对充满激情的动物权运动圈来说，绝对是相当有卖相的发言者之一。在我最近参与的一个学术研讨会上，乔纳森引用麦吉尔大学的痛苦实验佐证老鼠确实有感情。我和他私交不错，因此上前询问他，若他是该所大学的动物关怀委员会成员是否会同意此实验。

乔纳森已经准备好接招。原来他时常在大学演讲时被学生提问此问题，时不时会有人坚决地站起来问：“巴尔科姆教授，你说你反对动物实验，但是你的论点却立基于某项虐待动物的实验。这不是很矛盾吗？”

这对乔纳森来说并非道德之两难。“我痛恨这些研究，”他这么对听众说，“如果可以的话，我绝对不会允许人们进行这些测试动物是否有感觉的实验，但事实上，这些实验已然完成，而且它们确实让动物研究议题露出一丝曙光。因此，我还是会继续引用这些研究。”

我感觉得出来乔纳森对此议题有着诸多思考，他甚至在我们的对话过程中提到纳粹的医学实验。事实上，对动物实验有着诸多疑问的我，也不时想到纳粹实验。德国医师西格蒙德·拉舍尔（Dr. Sigmund Rasher）将达豪集中营的囚犯长时间浸泡于酷寒冷水之中，以此研究若飞行员坠落于北海时能存活多久。有数名囚犯因此死于非命。不过就某方面来说，达豪冷水实验仍旧是我们对人体低温症所能实质掌握的科学数据。许多医学道德家认为由于达豪与奥斯威辛集中营人体实验已然发生，因此我们可以运用此科学资料以崇敬死者，这也是保护现今人类的道德之举，即便上述实验数据都以非道德的方式所取得。然而也有许多人认为由于医师以极端不道德的方式取得此资讯，因此我们不该于任何情况下使用以道德堪虑的手法而得的研究成果。同样，许多动物权分子认为动物实验成果是以不道德的手段取得的，因此我们不该服用经由动物实验而得的药物，以避免悖德。

这么说的话，麦吉尔的痛苦实验结果或研究被俘虏的黑猩猩或海豚之语言是否都牵涉到不当取得的程序，即便其结果能用来反对动物实验，也不应取用？乔纳森似乎对此问题不愿太过深究。他向我承认，当自己在与动物权团体合力反对动物研究时，他就会变得比较实用主义一点。“我会使用任何对争取动物权益有帮助的研究，只要该项研究有实质效益，”他补充道，“但是得在合理范围内。”

你赞成杀死一百万只老鼠以求登革热解药吗

支持或反对动物研究的人时常提出令人费解的理论。我认为，关于动物研究的辩论之激烈远甚于其他人类与动物关系之议题，这问题甚至比能否将动物吞下肚还来得吊诡。大众始终难有共识，事实上，民意调查显示美国人反对动物研究更甚于打猎。

最近当我和同事琳达（Linda），一位专注研究压迫与不平等现象的英文教授谈天时，意外地谈起了老鼠的道德地位。她对动物与贫穷者的压迫议题十分关注。自10岁起，琳达就加入了动物保护的行列。她和丈夫都吃素，有空闲时，她都会在农庄的动物保护区担任义工。琳达拒用皮革制品，并且反对动物园与马戏团。琳达认为动物剥削与女性、弱势族群与有色人种的压迫息息相关。

“虐待动物正是最基本的压迫形式。”她对我说。

对琳达来说，不管是打猎、动物皮毛工厂或肉食都是显而易见的道德问题。基本上，上述行为都破坏道德原则。但就连琳达都觉得动物实验很难用二分法做判断。

“我不认为人类有资格牺牲其他物种，以获取自身利益。”她说道。接着她补充：“另一方面，我也相信有些实验确实对人类有益。”

“我们可以更深入地讨论这个部分吗？”

“当然。”

“假如有个药商决定少花点钱做壮阳药广告，并投资对国家造成严重伤害却乏人问津的热带疾病研究，你会赞成吗？如果牺牲100万只老鼠可以开发出登革热疫苗，并解救上万名撒哈拉沙漠以南区域的孩童性命，你是否会赞成此研究？”

琳达望着地板。过了好一阵子她说：“我真的不知道。我不能判断哪个选择是对的。”

“为什么呢？”我问。

她回答：“嗯，我不认为人类的性命比其他动物更为高贵。不过，如果是老鼠的话……”

我可以理解，琳达无法决定使用老鼠进行实验以产生能解救上百万非洲孩童的疫苗是否合乎道义原则。虽然她希望提升动物权益，但同时她也希望贫困者能获得更好的生活条件。不过对我来说，问题很简单，我可以眼睛都不眨就同意以百万只老鼠的性命换得消灭登革热的解药。

但是牺牲一百万只老鼠以治疗男性秃头、勃起障碍……嗯，应该就不必了吧。

注解：

[1] 　2018年3月14日去世——编注

09
家中的小猫，盘子上的牛
我们全都是伪善者？

蜘蛛的生命和白鹭鸶、人类的生命一样重要吗？当然，以逻辑来说，这完全正确。

琼·迪亚尔

别再打哈哈了。不管在任何时代、文化之下，人类向来就是伪善者，当我们批评他者的虚伪时，同时也揭示了自身的荒谬。

乔恩·海德特

如果你到西雅图，千万别忘了到派克市场走走。每年都有上千万游客涌入派克市场，逛逛鲜花摊、面包店、蔬果摊，尝尝琳琅满目的顶级起司、糖果、水果和意大利香肠。市场里最大的卖点就是鱼市里的鱼货秀——男人们穿着橡皮靴、灰色帽，神气地抛出一条条重达7公斤的国王鲑鱼，大鱼在空中飞腾6米，落进收银机旁男人的手里。观光客最爱看大鱼满天飞的景象。他们咯咯地笑，并拍照留念。我也身历其境过，一边傻笑，一边留影纪念。

2009年6月，美国兽医协会决定让参与年度会议的一万名兽医与辅助性专业人员以大鱼抛接的精彩活动建立团队信赖感。善待动物组织对此设计显然相当不满，该组织专案经理艾希礼·拜恩（Ashley Byrne）于《洛杉矶时报》发表专文写道：“杀害动物好让与会者能抛接它们的尸体实在太疯狂了。而且当兽医们抛接大鱼尸体并以此为乐时，这传递给社会大众何等糟糕的信息？”这段话被电视媒体当作笑柄，一开始我也觉得艾希礼似乎太过严苛了。不过善待动物组织随后发表声明表示，难道与会者看见穿着灰色帽的男人们抛接猫咪尸体时也会笑得如此花枝乱颤吗？这时我才领悟到，该组织说得没错。为什么人类会觉得抛接死鱼很有意思，但抛接猫的尸体就不行呢？

我们对待动物的态度往往前后不一

《人与宠物的深刻联结》（The Powerful Bond Between People and Pets ）的作者伊丽莎白·安德森（Elizabeth Anderson）对这种道德态度的前后不一感到相当困惑。举例来说，她无法理解为什么许多宠物主人会穿貂皮大衣。安德森写道：“我真的不能了解，为什么那些爱猫爱狗爱到会和它们亲吻的主人，会对小海豹被爆头、剥皮或水貂遭到肛门电击无感。”其实这没什么好意外的，那些看到小猫就瞬间融化的人，也非常可能会钟爱皮草的色泽。即便是挺身捍卫动物权的人，也时常做出如此彼此矛盾的举动。社会心理学者斯科特·普劳斯发现在他访问的动物权分子当中，有近七成的人认为禁止以动物皮毛制衣应该被视为动保运动的首要目标，但是他们同时承认自己也穿戴皮制品。

心理学者向来知道人们往往言行不一。一个被普遍接受的态度理论称为A-B-C模型，此理论认为所谓的态度包含三大要素——情感：你对一件事物在情绪上的感觉；行为：你的态度如何影响你的外在行为；认知：你对一件事的了解有多少。很多时候，这些元素会一起发生作用。罗布·巴斯就是很好的例子。罗布为一名52岁的哲学家，生活一直平顺无奇，他在2001年时读到一篇由人类学者迈兰·恩格尔（Mylan Engel）所写的文章后，生活大为转变。恩格尔反对肉食的言论极具说服力，此点让罗布很吃惊，他花了整整三周希望能找出恩格尔逻辑上的错误或矛盾，一个月后，他彻底让步了。当他发现恩格尔所言甚是后（知觉转变），他知道自己必须停止吃肉（行为转变）。几个星期后，当他和同事一同走入校园的自助餐厅时，刚好闻到煎烤汉堡肉所传来的浓郁气味，他的身体立刻做出反应：“恶心，那味道令人反胃（情感上的改变）。”恩格尔的文章让罗布产生了情感、知觉与行为上互相强化的循环改变。现在，罗布与妻子盖尔·迪恩（Gayle Dean）在历经相似的转变期后，双双变为纯素食者。他们反对任何形式的动物剥削，而罗布也在道德课程上讲授动物权利议题。

不过罗布与盖尔是极少数的例子。大多数的人不但不以为意，也不会因为自身对待动物的矛盾作为而感到挫折。《洛杉矶时报》曾经接受委托，以随机采样的方式调查美国成年人对以下论述的看法：“你是否赞成，以所有重要观点来看，动物和人类相同？”该报表示约有47％的人赞同此观点。我对调查结果颇怀疑，因此想了解我的学生对上述说法的观点为何。我针对一百名学生做了调查，问卷中不但包含《洛杉矶时报》的问题，还加进了许多关于动物所受对待的问题。结果显示，我的怀疑是错的，刚刚好约有47％的学生认为动物和人类同等重要，不过即便如此，这对他们如何看待“动物被人类利用”一事毫无影响。在认为动物与人类同等重要的同学中，约有半数同学赞成动物实验，并有40％的同学认为摘取动物器官以拯救病患是可行的，90％的同学更经常食用“以所有重要观点来看”都与人类无异的动物。

为什么人们能对自己的言行矛盾如此坦然？多数人对其他生物如何被对待所保持的态度，正是哲学家所说的“没有立场”（nonattitudes）或“空泛立场”（vacuous attitudes），由大量互不相关的想法与单纯思绪结合而成。相较之下，罗布与盖尔的信仰体系则是深思动物相关的道德问题后，才建立起来的。人类与其他物种之间的关系为相当复杂的道德问题，而大多数自认为是动物爱好者的人，普遍想法都较为折中。举例来说，全国民意调查中心曾经做过一项调查，当受访者被问到“对动物实验有何感觉”时，只有1/5的受访者会表达强烈赞成或反对意见。

虽然也有不少例外，不过证据显示多数人没有那么重视动物议题。2000年时，盖洛普调查要求美国成年人评比以下社会议题的重要性，例如堕胎权、动物权、枪支管理、环境保护主义、女权和消费者权益，结果动物权敬陪末座。2001年时，美国人道社会组织受委托进行调查想知道哪个动物保护团体贡献最多，结果却发现半数的受访者连一个动保团体的名字都叫不出来。此外，一项调查显示参与消费者运动的抵制者们中仅有2％的人关心动物如何被对待。事实就是，除了个人养的宠物以外，对多数人而言，动物如何被对待实在不是他们会优先关心的议题。

如果你真的想知道人们对动物遭受的待遇有何感受的话，不妨以经济的观点思考。美国人每年捐助20亿至30亿美元给动物保育组织。这听起来或许很多，但比起我们用来杀害动物的成本根本是小巫见大巫：1670亿美元花在肉食，250亿美元花在狩猎用具、装备与车旅，90亿美元花在除虫，160亿美元花在毛皮制衣。当然，我们为宠物装点所花的钱也远胜过捐助给动物保育团体（帮助那些我们根本不认识的动物）的金额。这样的行事风格其实与人类天性相符。其中一个原则就是“家庭至上”，这可是在演化史中不断巩固强化的想法，而宠物对大多数美国人来说，正是家中的一分子。

俄勒冈大学知觉心理学者保罗·斯洛维克（Paul Slovic）更定义出另一种状态“精神麻痹”（psychic numbing）——悲剧越大，却越少人在乎。举例来说，人们为了救活一个病童所捐出的金额会比捐给八位病童的金额高出2倍。当受苦者众多，漠不关心的感受反而会得到强化。《纽约时报》专栏作家尼古拉斯·克里斯托夫（Nicholas Kristof）指出，精神麻痹现象有助于解释为什么纽约人对一只红尾鵟因为在第五大道的豪华公寓壁沿筑巢被驱赶感到愤怒，却对两万名无家可归的苏丹人的处境无动于衷。当人们面对难以承受的数目时，怜悯情怀也随之崩毁，斯洛维克将之归因于人类的漠不关心。

不过并非所有人都会历经怜悯情怀之崩毁。美国人道社会组织拥有一千一百万会员，善待动物组织则有两百万名会员。多数的会员并非捐款了事，他们更是行动者。在我成为人类-动物关系学者后，第一个计划即是访问动保团体人士。我将焦点放在草根式的行动者们身上，而非动保团体的领导者、思想家或名人。我希望能找出哪种类型的人会献身于动保行动，以及他们内心的道德承诺会如何影响他们的生命。

结果显示，每四个动保行动者中有三位是女性，她们多半是政治立场开明、教育良好、生活环境优渥的中产阶级，绝大多数为白人。同时，她们几乎都养有宠物。尽管每个人的行动途径都不同，但她们都展开了为动物奔走发声的生涯，同时，她们也都曾经历道德震撼。对护士凯瑟琳（Katherine）来说，这个震撼来自一张照片。

“是什么让你投入动物解放运动？”我问她。

“一张善待动物组织的海报。我现在都还记得小猴子的模样。他们破坏猴子的神经，让它的手臂瘫痪。他们把其中一只手臂捆住，好强迫它使用残肢。”

“你还记得照片的内容？”

“对。”她说，“那小猴子有美丽的眼睛，而且看起来好像刚刚才哭过。这让我很想哭。”

此时，凯瑟琳真的轻声哭了起来，她说：“如果不讲，我都忘了这一切有多么令人伤心。”

当反对动物权的人遇上凯瑟琳，多半会轻易假设所有的动物权行动者都如此多愁善感，而且喜欢动物的陪伴更胜过人类。这是错的。很多我遇到的动保人士都对动物剥削议题有着坚实的理论基础。一位熟知动物权知识的女性表示，她非常不满人们形容她为“心地善良”。她和我说：“将我多年来研究此议题的心血形容为心地善良绝对是种贬抑。”

将动物解放视为信仰

以普遍的观点来看，动物权行动者都对宗教不太感兴趣。一份调查发现，参与某大型动物保护抗议游行的人群中，仅有30％的人表示自己为传统宗教团体的成员，而有近半数的人表示自己为无神论者或不可知论者。不过和其他的道德圣战一样，动物解放运动中也不乏宗教性元素。当我问菲莉斯（Phyllis），对她而言动物解放运动的重要性时，她眨了眨眼，看起来有点茫然，好像这个问题根本不证自明：“这是我的人生。”

马克是一名被医师诊断患上忧郁症的退休警察，但在他和妻子投入动保运动后，生活改变了，他认为动保运动救了他。他告诉我：“人的一生中会有几件事让你乐在其中，动保运动对我而言正是如此。它影响了我的存在感。我们只是感到很幸福。”

当你和马克交谈时，会感觉到圣徒保罗在前往大马士革的路上，他眼前一晃，看见了光亮。自认为无神论者的布莱恩（Brain）和我说：“有时我会嘲笑自己。我知道所谓的‘重生’大概就是这种感觉。对我来说，某种信仰确实会改变一个人的生活。”另一个动物权行动者这样和我说：“我开始以不同的方式尊崇耶稣。我想，如果耶稣仍在世，他也会是素食者。我觉得他会是个动保分子。”

动物权行动者和基本教义信徒还有一点非常相似——他们都有非黑即白的道德观，缺乏模糊的中间地带。雪莱·高尔文和我使用社会心理学者唐纳森·福塞斯（Donelson Forsyth）建构的量表测验一群动物权行动者的道德理想值，其中约有75％的人可归类为“道德绝对者”（普通大学生中仅有25％的人属于此类）。持有此道德立场的人相信，道德原则放诸四海皆准，而且做对的事情将会带来良善的结果。

认真看待动物议题的后果

当你决定认真看待动物议题时，就会发生大事。首先，你得改变你的生活。所有我遇到的动物权行动者的第一步都是让信仰化为行动。有些人采用循序渐进的方式，有些人则是毅然决然地做出改变，当然，并不见得所有人都能获得成功。玛丽（Marie）第一次（也是最后一次）参加动物权益研讨会时就因为无法抗拒麦香堡的诱惑而宣告出局。那天正是她拯救动物之旅的终点。当然，她是个例外。我曾在华盛顿特区调查参与大型动物权益游行的行动者，约有97％的与会者改变了自己的饮食（虽然还是有许多人会吃肉），94％的人会购买标榜“零残酷”的产品，79％的人表示自己会避免穿以动物皮毛制成的衣服，75％的人曾经投书报社或写信给议员要求善待动物。通常新的信仰与行动会彼此强化。一位名叫吉娜（Gina）的女士向我表示：“当我越投入动物保护行动，我的饮食习惯就越不一样，当我吃得越不一样，我的行动就越深刻。”

行动者的道德承诺会以不同的方式展现，比如有人反对杀害通常被视为有害的动物。有个男人最近在他的院子里看见一条美洲蝮蛇。如果这发生在一年前，他应该会立马把它杀掉，但现在他会小心翼翼地将蝮蛇赶回森林里。伯纳黛特（Bernadette）为IBM一名管理人员，她的生活可说是典型的中上阶层人士的普通生活，她拥有一台休旅车、一只狗，并与先生和两个小孩同住。她和其他相同社会经济地位的人的差异在于，她甚至不忍心杀死跳蚤。

“伯纳黛特，”我问她，“你能不能举例，动物权观念如何影响了你的日常生活？”

“噢，我不会使用有毒的去蚤剂杀死跳蚤。相反，我会徒手抓蚤，再把它们放到户外。我知道跳蚤没有痛觉也没有情感，不过我只是希望言行合一。如果非要说出鱼或软体动物或哪种生物是比较不重要的，那对我来说根本不合理。”

不过蟑螂也不时会出没在她家里。“我们最近才驱逐了家里的蟑螂，”她说，“不过在我拿出灭蟑药之前，我在家里和蟑螂沟通过好几个星期，我说，‘你已经侵犯了我的领域，我们会采取比较激烈的行动’。我幻想会有神迹让它们自己消失。”当然，沟通失败。

伯纳黛特相当反对“行动主义者的摇摆不定”，个人道德理念越高，要维持言行合一就越困难。对吉娜来说，连吃植物都会让她感到矛盾。有时候，她甚至会想只吃水果或坚果类食物会不会比吃没机会成熟的胡萝卜好。洛伊相当热衷教会足球联盟活动，他花了数个月的时间才找到令人满意（但并非完美）的合成材质手套。不过，他仍旧无法找到非皮制且堪用的足球。很幸运的是，现在市面上已经有许多产品符合“零残酷”的生活理念，好比强调对素食者友善的保险套与合成垒球，都是于此理念范畴下衍生的产物。

乔恩·海德特的著作《幸福假说》（The Happiness Hypothesis ）里提到，拥有幸福生活的关键就是对美德和道德目的的理解和启发，并自发地与拥有共同中心价值的群体产生凝聚力。许多动物权行动者都因为领略此中道理而拥有快乐的精神世界。我曾在一个反对不当对待受囚黑熊的抗议活动中遇见一位女性，见证了上述的幸福假说。她这么表示：“我对那些生命里没有类似经验的人感到可惜。”

但是也有一些动物权行动者为他们的道德远景付出了沉重的代价。例如：他们对动物解放运动的投入使得他们与家人、朋友、情人的关系日益疏离。因为尽管多数美国人都认同动物权观点，但事实上当人们与拥有强烈道德价值观的人共处时，往往会感到不自在。一位名叫艾伦（Alan）的行动者告诉我：“我的友谊受到剧烈的影响。没人理解我正在投入的事情，我感觉大家对我相当排斥。我失去最好的朋友，这一切都和动物权运动有关。”

对动物解放的热情也可能影响一个人的婚姻。对休（Hugh）与琳达来说，动物解放是两人共同的道德承诺，这样的凝结力也强化了两人的婚姻关系。两人一起吃全素晚餐，一起参加研讨会，畅谈动物议题，并为对方所撰写的动物权文章给予建议。不过并非所有人都如此幸运。动保行动摧毁了南希（Nancy）的家庭。她结婚十年的丈夫为军人，并且对她日益投入动保运动感到相当反感，他更希望南希能扮演好军人太太的角色。

“所以，”她和我说，“我只能做决定。”结果，她选择了动物。

弗兰（Fran）和她的丈夫也起了类似的冲突。

“为什么你对动保运动的奉献会造成人际紧张？”我问她。

她叹了口气。“丈夫和我吵了数回。他吃肉，而且认为吃肉和穿戴皮草都没什么。我们的歧异越来越严重。现在他还会把我的信丢掉，因为我捐了太多的钱给动保团体。”

我猜想他们的感情应该还在冰点。

生活形态的冲突也给单身的行动者带来了困扰，他们似乎更难找到志同道合的对象。一位二十出头、极具魅力的女子伊丽莎白和我解释：“我的信念当然大大影响了我的社交生活。我不会轻易和非素食者约会。这让我的潜在对象变少。之前，大部分和我交往的男性都不吃素。不过，现在情况不同了，我觉得和亲密伴侣间若有道德上的背离，那根本就不可能维持下去。”

想当一个道德战士还会遇到其他生活难题。有时候，情况让人感到万念俱灰。我问露西——一位特教老师，别人是否会觉得她的生活方式很疯狂。

“并没有。”她说，“我并没有感觉到有人觉得我很疯狂。不过有时候我自己会觉得自己疯了。因为这就是我生活的重心。我的生活受此主导。有时候我也会受不了，我会告诉自己，我必须保留一点；我想要轻松一点面对动保议题。我想当一分钟的正常人，而不是当耶稣。”

最让动保人士感到痛苦的是，几乎每分每秒他们都得面对动物受虐的事实——超市里的肉品部、当他们经过汉堡王时所闻到的煎烤肉类的味道、穿着皮草出现在机场的女儿以及塞满动保议题信件的电子信箱：“你的捐款可以协助我们停止狩猎幼海豹！让我们一起关闭动物繁殖场！关闭动物工厂！”

有时候，道德承诺可以压垮一个人。苏珊患有失眠症，因为每当她进入梦乡时，就会看见动物被虐待的景况。莫琳（Maureen）和她的丈夫因为过度捐款给动物保护机构，最后宣告破产。而62岁的德国籍商人汉斯（Hans）则有悲悯疲惫症（compassion fatigue）。“我快情绪崩溃了，”他跟我说，“我的生活只剩下动保活动，没有时间做其他任何事。以前我对此感到兴奋，但是终于有一天我感觉，我真的受不了了。我已经没力气了。”

就像许多恪守道德准则的人一样，动物权行动者自有其阳关道可走。但其中绝大多数的人并非狂热分子。多年来，我所遇过的动保分子都十分聪明、能言善道、友善而且头脑清楚。不过，要和深信其道的人交谈并产生火花确实不易，因为他们不容许模糊地带存在。如果你想和露西讨论为什么动物实验有可能是不得已之善举，那最好皮绷紧一点了。我曾经问她是否曾经对动物实验的必要性感到矛盾，偶尔做些动物实验确实必得为之的状况总是出现，好比以一颗猪心来抢救一个人的性命。

“不会，”她说，“我对自己的判断有绝对的自信。如果你要和我辩论的话，抱歉恕不奉陪。因为我知道，我是对的。”

这立刻让我们的对话暂停。

新恐怖主义

抱怨敌对者是一件事，发动实际攻击又是另外一回事了。2009年3月7日凌晨4点，加州大学洛杉矶分校神经学家大卫·延奇（David Jentsch）被汽车警报器惊醒。他冲出房门抓起花园的水管——延奇居住的社区时常发生森林火灾。当消防队员赶到时，他车顶的树梢已经开始起火。如果当时消防队员遇上塞车的话，恐怕整个社区都得驱离。

两天后，一个名为动物解放旅（Animal Liberation Brigade）的团体发布了消息：“大卫，这是给你的信息。我们会在你最没有防备的时候前来，并且攻击范围将不再限于你的私人财产。不管你去哪儿或做什么事，我们都会监视你，直到你停止那恶心的小猴实验为止。”

延奇对自己成为动保团体的目标并没有感到太过惊讶。近年来，有十多位加州大学洛杉矶分校的学者成为动物权恐怖分子攻击的对象（动物解放地下组织将这些攻击称为“直接行动”。他们认为真正的“恐怖分子”是反动物权的人士：皮毛供应者、屠宰场业者以及动物实验研究员）。虽然多数的动物权恐怖攻击的受害者都选择保持低调，但是延奇决定反击。他组织了加州大学洛杉矶分校赞同动物测试的团体，并发起支持动物实验的游行。这项行动显然无助于他与动物保护者的关系，他仍旧时常收到充满辱骂字眼的电子信件：“延奇，我希望你所有的孩子都得癌症，我希望你眼睁睁地看他们死掉，当然，你最好也死于非命。”

社会科学家已经发现多数的恐怖分子都是道德绝对主义者（moral absolutists），而驱动他们的原因则包含了理想主义、愤怒、宗教狂热以及希望给不道德者教训的本能倾向。俄勒冈大学杰拉德·索希尔（Gerard Saucier）以及同事们分析了近十种不同形式的军事极端主义团体。他们发现尽管组织各有不同，但都有以下特质存在：否定和平策略的有效性，相信为了达到目的而不择手段有其正当性，相信乌托邦即将来临，相信有歼灭邪恶的必要，将反对者妖魔化，将道德上的分歧视为开战的引信。

你可以发现，极少数的动物解放运动者属于暴力侧翼——纵火犯、炸弹客、涂鸦客以及动物实验室解放者。你偶尔也会听到类似北美动物解放阵线发言人杰里·弗拉萨克（Jerry Vlasak）医师的个人言论。2004年弗拉萨克在电视访谈中说道：“如果你问我，是否愿意用五个活体解剖暴行者的性命去换几百万条无辜动物的生命？当然，我很愿意。”

1993年至2009年之间，美国极端反堕胎人士犯下了8起谋杀案，另外有十七人也差点命丧黄泉。目前为止，尚未有人于动物解放运动中丧命，不过这可能只是时间早晚的问题。2002年，美国联邦调查局国内恐怖主义小组的詹姆斯·贾波依（James Jarboe）前往国会做证，认为动物解放与环境极端主义团体为国内最严重的恐怖主义活动发动者（动物解放行动者则认为布什政府根本忽视了右翼恐怖主义活动，好比针对堕胎诊所发动的攻击，却过度强调动物权与环保运动所造成的损害）。根据美国联邦调查局统计数据，军事系动物解放行动者与相关环保运动分子已造成动物相关组织1.1亿美元的经济损失。2009年，共有170起极端主义者伤害事件开启调查。2006年，国会通过《动物企业恐怖主义法案》，并加重惩罚造成经济与个人损失的非法动物解放活动。2009年4月4日，动物解放行动者丹尼尔·圣地亚哥（Daniel San Diego）被列入联邦调查局头号通缉犯的名单之中。他涉嫌炸毁两家与动物测试相关的公司。

为什么动物解放运动的激进侧翼的主要攻击目标是动物实验室研究员而非猎人或屠宰业者？毕竟，比起屠宰工厂每年宰杀的数十亿动物或者在野外被猎杀的不计其数的动物，实验室动物的数目根本是微乎其微。通常实验室所使用的动物为多数人绝对不会手下留情的老鼠（即便没有亲自痛下杀手，也会聘请专家除之而后快）。比起有些人因为肉的美味而食肉，或因为消遣而打猎，动物实验似乎更站得住脚。

北美解放动物阵线为暴力性质动物解放团体的主要策动组织，它发行刊物，公布恐吓信寄件者事迹、炸弹客与焚车者的最新活动信息，提供会让极端分子失去理智的动物实验研究内幕。根据解放动物阵线所发布的消息，对于不想要在信箱内看见沾满老鼠药的刮胡刀的年轻研究者，不妨参考以下建议：离“加州”“灵长类动物”和“大脑”越远越好。

北美解放动物阵线刊物所公布的研究者攻击事件近75％都发生在加州。这些数据不知是否与该组织发言人弗拉萨克居住于此有关。不过，负责监控全国动物权攻击的生物医学研究组织报告显示，发生于加州的动物解放恐怖攻击事件足足比其他州高出2倍。

除了住在加州这点以外，实验对象的物种也是造成研究人员成为恐攻目标的重要因素之一。大卫·延奇的主要实验对象为鼠类，而他吸引纵火犯上门的原因是他偶尔会在实验之中使用长尾猴。使用鸡、蜥蜴、舞毒蛾、烟草天蛾、鳟鱼、蜘蛛、鹦鹉、老鼠作为实验对象的研究者，则甚少成为恐怖攻击的目标。而使用猴子或宠物物种（好比猫）进行研究的科学家则相当容易受到攻击。若我们比较因实验而受苦的动物数量来说，上述结果似乎毫无道理可言。举例来说，南加利福尼亚大学每年使用7.5万只老鼠进行实验，而身负实验用途的猴子仅有数十只。然而，北美解放动物阵线网站上所公布的事件中，约有3/4的攻击对象为灵长类动物的研究者。相反，公报所标注的恐怖攻击事件之中，仅有9％的暴力事件针对鼠类研究者而起，然而，鼠类却是95％的动物实验所使用的对象。

如同近年来被反活体解剖者所攻击的其他加州大学研究者，延奇亦为神经学家。他的研究重点主要关注造成精神分裂症的神经结构，以及天使尘、摇头丸、可卡因与尼古丁对大脑细胞的影响。为什么动物解放恐怖分子对期望找到精神疾病、毒品上瘾或眼盲之解药的研究者，比对期望治愈癌症或艾滋病病毒的实验者更具敌意呢？原因在于前者使用与人类大脑较为相近的灵长类为实验对象。对动物解放分子而言，其终极目标为消灭一切的动物实验（加州大学圣塔克鲁斯分校的一位研究者因为使用果蝇作为实验对象，而遭动物解放分子锁定攻击）。然而，黑暗世界里的激进分子所拟定的策略为锁定特定物种的研究者（好比比较能激起普通人同情心的物种）。对动物解放团体而言，可爱的猴子的照片应该比患有白化症老鼠的照片更能吸引捐款者吧。

尽管收到死亡恐吓信件、炸弹，大卫·延奇似乎对动物解放分子仍旧抱持着相当正面的态度。自炸弹事件以来，延奇就定期与动物解放分子碰面，并期望建立可以互动沟通的基础，让对话持续进行。愿意和延奇碰面的主要是反对针对特定研究者发动攻击的理性派动保人士。他们也相当反感媒体针对动物解放阵线所做的铺天盖地的报道。延奇个人认为，即便在加州区域也仅有极少数的极端狂热分子会发送死亡威胁、恐吓邮件甚至诉诸炸弹策略。2001年时，美国国土安全部所做报告与延奇的看法不谋而合，该部门认为动物解放阵线中不到一百名会员属于“极端分子”。

“不过放炸弹也只需要一个人。”大卫·延奇提醒我。

道德一致性与动物解放哲学

在某人庭院放置炸弹绝对是动物解放运动中失控的行为。但多数的动物解放行动主义者并非暴力分子。要了解为动物发声的直接行动所引起的关于人类道德的大哉问，我们必须深入理解支撑动物解放运动背后的道德理论。

和新闻学一样，道德议题也牵涉到三个基础问题：对象是谁？发生何事？为何发生？亦即，谁最有资格拥有道德关怀？我们为何对他者负有道德责任？为什么某些行动方式会比其他的更好？那些探讨为什么我们对其他物种负有义务的学术文章太过浩瀚、复杂而且好无聊。不管是亚里士多德学派、女权主义者、达尔文学派、基督教右翼分子以及左派后现代主义者都曾经以哲学方式解释为什么动物有道德地位。然而，动物解放运动的思考轴线仅仅仰赖其中两个经典的道德论：实用主义与义务论。实用主义论者认为一项行动道德与否，要以其结果判定；而另一方面，义务论者则认为一个行动的对与错，是独立于其后果之上的。他们认为道德建立于举世皆准的原则与义务之上，“义务论”一词源自希腊的责任（deon）一词。换句话说，你之所以信守承诺，并不是因为背信会发生坏事，而是因为你本就该说话算话。

18世纪的哲学家杰里米·边沁（Jeremy Bentham）是第一个将实用主义运用在动物使用议题上的人。他认为，我们对某项行为的评判标准应该建立在其增加愉悦或减少痛苦的程度上。他的观点很特别，他认为应该将动物纳入考量范围。他这么写道：“问题不在于动物是否拥有逻辑思考，是否能讲话，甚至，是否会感到痛苦。”普林斯顿大学的彼得·辛格教授被许多人视为当今最有影响力的哲学家，他在1975年出版的《动物解放》（Animal Liberation ）中，将上述观点用作理论依据，并以此开启了当代的动物解放运动。

奇妙的是，虽然此书被视为动物解放运动的圣经，但是辛格的动物解放理论并非立意于动物（或人类）本身与生俱来的权利，他的出发点为单纯的“平等”。辛格以一句话带出了自身立场：“本书的理论核心在于所有针对任何其他物种的歧视，都是非道德而且站不住脚的。”他将因自身物种利益而形成偏见，并排斥其他物种的态度称为“物种歧视”（speciesism），此态度与种族歧视和性别歧视一样，都是令人反感的非道德举动。辛格的理论涵括众生（所有具有感知欢愉与痛苦机制的生物），他认为所有的生物体皆有生存权，并拥有最终的道德地位。“从道德观点来看，”他写道，“我们的立基点一模一样，不管我们是用两只脚、四只脚站立，或是不用站立。”

另一位提供动物解放运动知识途径的则是汤姆·雷根（Tom Regan），他于1983年撰写的《为动物权利辩护》（The Case for Animal Rights ）为另一本重量级巨作。雷根开宗明义表示，人类与某些动物为“生命主体”，因此应获道德考量。他的意思是，部分动物与人类都拥有记忆、信念、欲望、情绪、未来感以及持续存在的自我感。雷根相信如果某生物具有固有价值，那么就不该被视作可被使用或丢弃的物件。我常常会被办公室里的那台愚蠢电脑给激怒，我想雷根应该会说把电脑从三楼窗户丢出去在道德上是可被允许的（而且也会让人感到舒坦），不过如果把和我争辩考试成绩的学生丢出窗外的话，就绝非道德之举了。此外，如果堤莉在我赶写动物道德议题文章时不停地要我搔它肚子、让我抓狂并把它丢出窗外的话，雷根也必然不会赞许。以雷根的观点来看，不管是堤莉或是爱争辩的学生都是生命本体，并拥有电脑所无的基本权利。此外，更重要的是，动物和人类拥有等量的权利，其中，最重要的即是不被伤害并且获得尊重的权利。

雷根与辛格对某些议题的看法不同。举例来说，两人反对我把猫咪或学生丢出窗外的理由不尽相同。辛格会认为那是因为动物和人都会感受痛苦，而非他们拥有基本权利。而以理论来讲，辛格应当不会反对在特殊情况下以无痛感的方式结束人类与非人类动物之生命，这点与雷根相反。不过，两位哲学家对许多重大议题有着相同的观点。他们都认为人类与动物有着极大的关键性差异，不过他们认为这点无碍于让动物获得道德考量。如果我们延伸雷根的权利说以及辛格的实用主义逻辑，就代表人类不该吃肉、打猎，避免造成动物的痛苦。在此立场之下，不管是工厂化养殖、动物实验研究、动物园或者为了皮毛而捕杀动物，都是不道德的行为。

理论陷阱：动物道德与逻辑的限制

动物道德无可避免地牵涉界线的划分。辛格将线划在虾或牡蛎之间，而雷根则将至少1岁的哺乳类与鸟类归纳在保护范围内（他后来稍加修正，认为基本权利应扩及人类婴孩）。辛格与雷根都认为人类身处真实世界，而非知识分子所想象出来的道德迷雾。因此，两人都愿意做偶一为之的让步以符合普遍常识。举例来说，辛格与雷根都认为有些物种比其他物种更值得关注。辛格花了很多心力推广大猩猩的法律地位，远胜于他花费在禁用捕鼠器一事上的时间。而雷根则说如果一条超载的救生艇上有四个人与一只黄金猎犬，他会优先抛弃狗。他写道：“狗的死亡无法和任何人类的死亡相提并论。”

不过，要是我们不愿意轻易地划分道德界线会怎么样呢？爱默生曾经写下著名的一句话：“愚蠢的从一而终是从渺小心灵生出的妖孽。”（A foolish consistency is the hobgoblin of little minds.）《物种主义》（Speciesism ）作者琼·迪亚尔建立了一整套几乎不可能实践的道德标准，并示范过度地拘泥于动物权规范与道德一致性会带来怎样的后果。

对迪亚尔而言，我肯定是个物种歧视者，因为我吃肉。她愤怒地攻击推动动物权运动的知识分子群以及部分已属激进的动物权团体，好比善待动物组织或国际家禽协会，因为上述人士不能符合她近乎洁癖的道德要求。举例来说，迪亚尔强硬地否定减少动物苦楚的手段，毕竟那非她提倡的零痛楚。她批评善待动物组织，因为该组织促使速食业工厂为鸡提供较人道的环境。即便较大的笼子对她而言也一无可取，对迪亚尔来说，真正应追求的是无牢笼的境界。她更生气雷根认为狗比人类更应该先放弃救生艇的位子。

迪亚尔彻底反对彼得·辛格的观点。她也排斥辛格认为黑猩猩应获得独特道德地位的说法（辛格不会因为打死蟑螂而感到不道德，因为他曾说：昆虫不会感到太大的痛苦。我想迪亚尔知道的话一定会很愤怒）。迪亚尔也否认辛格所谓人类的性命比小鸡的性命更有价值的想法。辛格认为，2001年九一一事件中丧生的三千人，比同一天死在美国屠宰场的3800万只鸡更为不幸。迪亚尔反对这个说法。对迪亚尔而言，鸡甚至应该比人类拥有更多的道德考量。她这么写道：“辛格对鸡不尊重的态度，与他自己所推崇的哲学相当不一致：善良的个体比造成伤害的人更有价值。以此标准评断，鸡比大多数善于制造伤害（好比穿着动物制品）的人更有价值。”

哲学家以“陷入理论困境”的表述，形容人们将逻辑运用至离谱境地的情况。迪亚尔所做的两个假设，虽然看似合理，却很难付诸实行。第一，所有能感觉到快乐与痛苦的动物，都应一视同仁。第二，只要有神经系统的生物，就可以感受痛苦。

以下摘述几句迪亚尔在《物种主义》一书里所描述的看起来无害的假设：

·“因为众生平等，我们理所当然有救狗先于人的资格。”（p.97）

·“黄蜂需要法律上的生命权。”（p.141）

·“我们的道德义务应扩及昆虫以及所有具有神经系统的生物……这些生物包括梳状水母、腔肠动物，例如海蜇、水蛭、海葵和珊瑚。”（p.127）

琼·迪亚尔居住在连强硬的动物解放行动者都会不寒而栗的道德皇宫里。真的有人会认为，在火灾中遇上必须救援小狗或小孩的二选一的情况时，应该掷铜板决定吗？难道喜好猎鸭的人都应该被终身监禁？

对动物解放者来说，真正麻烦的是迪亚尔的逻辑并没有错。假使你仅从字面意义理解物种主义，并且拒绝划清道德界线，假使你认为我们不应依照动物的大脑尺寸或脚的数目选择对待它们的方式，那么，依照迪亚尔所言，白蚁有权吃掉你的房子。

那到底怎样做才能当个好人呢

我恨我内心的小警察。每当我在早晨冲澡，或是漫不经心地开车在山路上收听广播时，或是放空着划桨经过小溪时，它就会出现。它是我的小蟋蟀吉米尼（Jiminy Cricket） [1] ，也是我的欧比旺·肯诺比（ObiWan Kenobi） [2] 。它会问我尴尬的问题。神经学家乔舒亚·格林（Joshua Greene）称若使用核磁共振显影会发现人们在思考道德问题时，眉毛后方脑中的小小区域背外侧前额叶皮质（Dorsolateral Prefrontal Cortex, DLPFC）会闪闪发光。几天前，当我在大烟山漫步时，小蟋蟀吉米尼出现了。

吉米尼：嗨，是我，你的内心小警察。

哈尔：离我远一点。

吉米尼：给我几分钟就好了嘛。假装现在是1939年，而你住在慕尼黑外围古色古香的达豪村（Dachau）。你每天都会看到“营地”烟囱冒出黑烟来，并知道希特勒的党羽正在加班消灭犹太人、吉卜赛人与同性恋者。谣言说，纳粹医师甚至使用囚犯的身体进行非常痛苦的实验。你的好友汉斯问你是否愿意帮忙在亲卫队的围篱下方放置炸弹。“如果杀了警卫，我们就可以救出无数条人命。”汉斯悄声说道，“我们会让全世界都知道这信息。”哈尔，你会愿意帮助汉斯放炸弹并营救上千条人命吗？

哈尔：我应该没那个胆。

吉米尼：我就知道。不过假装你是一个勇敢而善良的人嘛。

哈尔：唉……好吧，对有胆识的好人来说，以直接行动避免大屠杀确实是正确的行为，即便那意味着杀害许多纳粹分子。

吉米尼：我同意。现在你已经熟知动物权运动的知识论述了。你也认同物种歧视在道德上等同于种族歧视，也就是说，在实验室中受苦的猴子和一个受难的人类婴儿应当没有任何分别。你也知道美国每年使用约六万只猴子进行动物实验。你也认同动物解放阵线弗拉萨克的说法，若杀害一两名灵长类研究者就可能暂时终止相关计划。

现在，请你回答我的问题。像你这样勇敢而善良的好人，可以接受用燃烧弹烧掉科学研究者（那些让猴子对可卡因成瘾，以研究其脑部伤害的家伙）的家吗？

哈尔：不行，这样触法。

吉米尼：不过杀死纳粹德军也触法啊，你说那样可以。

哈尔：不一样吧。

吉米尼：为什么？

哈尔：因为把猴子关在实验室并因为科学研究而牺牲它们，和在集中营杀死犹太人是不同的吧。

吉米尼：但是如果你认为人类与猴子应该拥有相同的道德地位，那么我们为何不能杀死灵长类研究者呢？

嗯……我想小蟋蟀已让我哑口无言，不过好在我及时想到几年前所听到的关于康德的道德理论。

哈尔：你输了。康德说，你若希望别人怎么做，自己就该在相同情况下这么做才行。我不希望活在一个任何道德极端分子都可以持枪枪杀他认为侵犯自己所爱事物的人的世界里，不管侵害的是森林、婴儿还是青蛙。我不想生活在一团混乱之中。

吉米尼：不过哈尔，你刚说炸死纳粹集中营里的亲卫队是可以接受的啊。那你要如何判断什么时候犯法行为是合宜的，什么时候是不合宜的？

哈尔：我就是知道啊。这是常识吧！

吉米尼：所以你认为杀人时应该以常理判断，或是以你个人的道德直觉判断吗？康德会同意你说的吗？

哈尔：滚出我的生活啊，混蛋！

道德问题：不要信你的逻辑和直觉

我内心的小警察提出了一个关于人类道德的中心问题，这还不仅仅关乎动物道德议题，那就是我们怎么知道什么是正确的。通常提供我们道德指引的多半是脑袋或情感。问题是，两者都不可靠啊。

首先说脑袋。认知心理学家一再证明人类的思想具有“可预见的非理性”（predictably irrational），这个表述是行为经济学家丹·阿里利（Dan Ariely）发明的。研究者发现了许多会在潜意识中扭曲我们想法的偏见形式，并为它们创造了伟大的名字：乌比冈湖泊效应（Lake Woebegone Effect）、自我中心偏见（Myside Bias）、赌徒谬误（Gambler’s Fallacy）、巴纳姆效应（Barnum Effect）、幼稚现实主义（Naive Realism），这名单根本列不完。

迪亚尔认为一只蜘蛛和小婴儿有着同等的道德地位，这样的结论虽合逻辑，但也荒谬。她证明仅凭一个单纯的理由，就可以彻底扭曲道德标准，即便我们以逻辑行事，仍旧可能在进行道德判断时上演荒腔走板的戏码。我的哲学家朋友罗布·巴斯不这么认为。他认为，若你运用同样逻辑演绎判断准则，就会归结出正确的结论。以理论来讲，巴斯说的或许没错。然而，心理学家一再发现人们运用理性逻辑判断道德状况的能力各有高低。此外，亦有大量证据证明人类复杂的道德思考并不见得会反映在实际行为上。

就连汤姆·雷根与彼得·辛格这样顶尖的知识分子都会因为尝试维持道德一致性而陷入泥淖。举例来说，在救生艇情境里，雷根选择让狗先被抛下船。接着，他又说，若被情况所逼，我们应选择将一百万只狗抛弃下船，以便拯救一个人类。不过同时，雷根又争辩说为开发得以拯救上百万人类婴儿的药物，而牺牲上百万老鼠进行实验，绝非正确之举。

为符合自身逻辑，辛格也做出了让众人相当不舒服的结论。辛格在《实用伦理学》一书里向众人展现了他的实用主义逻辑发挥到极致会得到什么样的后果。他论言，生下终生残疾的婴儿的母亲若随后能生育出完全正常的婴儿，那么把第一个婴儿施以安乐死是可以接受的行为。辛格甚至谈论人与动物间的性行为不见得会对双方有害。虽然这段话已于出版时删除，不过他的言论早已遭到新闻媒体与动物权提倡者的强烈抨击。

许多哲学家以冷硬逻辑裁定道德问题，并得到以下结论：使用有残疾的婴儿进行医疗实验，会比使用猴子来得恰当。纵火也可能是促进社会改变的合法方式。还有，蚂蚁的生命与人猿的生命具有相等的道德价值。当我们思考动物道德议题时，很容易想破了头还没有个答案。

那我们可以依赖情感吗？当我们面对与其他物种之间的道德难题时，是否仰赖道德直觉会比逻辑来得可靠。

不幸的是，答案是否定的。若以情感判断道德议题，会比用头脑来得更离谱。直觉（通俗来说就是常识）往往受到无关道德因素的条件影响而摆荡——动物眼睛的大小、体形，它是否恰巧是你高中足球队的吉祥物。又或者，直觉也会受到人类自身演化史的影响。我的好友萨米·汉斯莱（Sammy Hensley）的道德直觉认为家中猎犬并不介意一辈子被拴在狗屋前。日本渔夫的道德直觉则认为猎捕海豚并没有错，毕竟它们是“鱼类”。我的道德直觉则悄悄说，吃肉并没有错（特别是那些标榜“零残酷”的肉类制品），而我的好友艾尔（Al）的道德直觉则认为肉食即是谋杀。数千年来，对人类而言，奴隶为财产的一部分，而同性恋者则背反了自然原则。此外，九一一事件的劫机者与在大卫·延奇车底下放置炸弹的动保人士都认为自己拥有崇高的道德理想。

谁的道德理想较为崇高

我对到底该怎么面对人类与动物的道德议题感到困扰，因此写了电子邮件请教对道德议题相当敏锐的动物权提倡者盖尔·迪恩。

盖尔，以动物解放观点而言，九一一恐怖分子与以直接行动攻击研究者的动物解放阵线成员有何差别？毕竟，两者都认为自己拥有崇高的道德理念。

她回信了。

自认为拥有较高的道德理念和真的拥有较高的道德理念应该是两回事吧。重点是，真相究竟是什么？在奴隶制度期间，有许多人甘冒法律风险援救奴隶，因为他们认为自己拥有更崇高的道德理念。事实上，他们确实拥有较高的道德理念。他们就和拯救犹太人脱离纳粹魔掌的人一样。

我在半夜时收到回信。堤莉已经在我办公室的摇椅上呼呼大睡。我身心俱疲，并且回了信。

盖尔，我认同你对纳粹与蓄奴的看法。不过我的问题是，在这些事件中，我们如何判断何为道德真理呢？这难道不是你个人的意见或道德直觉吗？

隔天早晨，盖尔回信了。

我同意要厘清道德上的真理确实相当困难。不过道德真理绝对和所谓的个人意见不同！

我很乐意接受她的观点，但当我越深入地挖掘人类与动物的关系，我就越怀疑这样的观点。

海德特恐怕会说我们都是伪善者。在20年漫长的研究过程中，我慢慢相信海德特说得没错。当然我们偶尔会遇上相当极端的案例，好比丽莎（Lisa），身为纯素食者的她同时拒吃抗生素，也不会让她的猫在院子里以追逐鸟为乐。不过，多数的人类都有言行不一的时候，特别是在他们面对其他物种时，往往前后矛盾。我们为什么会这样呢？

1950年，利昂·费斯廷格（Leon Festinger）提出了心理学界一项重量级的理论——当我们的信念、行为与态度相左时，我们就会进入他称为“认知失调”（cognitive dissonance）的状态。由于认知失调带来极不舒适的感受，因此人们想办法来降低这种因精神上不一致所带来的困扰。举例来说，我们或许会改变自己的信仰或行为，或是否认或扭曲关于事实的证据。

环境伦理学家克里斯·迪姆（Chris Diehm）相信人类努力追求道德一致性。他说，每当他向对方指出对待动物的方式前后不一时，对方都会尽可能地修正自己的行为，或者，至少他们会试着辩解，好让自己显得言行合一。他写道：“我们得承认人类与动物的道德关系是一条迷茫而互相背反的道路：猫是宠物，而牛是食物。当你指出对方行为上的荒谬时，他们会企图合理化自己的行为，或是在舒适圈里做点改变。我想，追求道德一致性是件好事，而当人们言行不一时，则引发我们进行道德辩证与思考。”

克里斯是哲学家，比较在意人类意图让自己的信念与行为合一的努力程度。我则是个心理学家，比较在意人类面对自身与动物之间的道德议题所展示出的漫不经心。以我的经验来说，多数人，不管是斗鸡者、动物研究员或宠物主人，当你指出他们在面对动物时的道德不一致性时，都会摆出死不认错的态度（有时还会相当不自然地大笑）。

总之，道德一致性不但模糊而且几乎遥不可及。在真实世界里，不管是头脑或情感都会让我们对如何对待动物一事举棋不定。也许，在下一个章节里，我们不该继续谈论抽象的哲学论述，反倒该看看有德之人的例子，以寻求更好的与其他生物共存的方式。

注解：

[1] 　迪士尼卡通里一位富有正义感的蟋蟀——译注

[2] 　电影《星球大战》中的一名绝地武士——译注

10
潜伏在我们体内的兽性欲望
如何在道德的非一致性之中生活

只能做一点点事，不代表你可以什么都不做。

约翰·勒卡雷（John Le Carre）

诺贝尔文学奖得主库切（J.M. Coetzee）的小说《伊丽莎白·科斯特洛》（Elizabeth Costello ）之中的主角是在知名大学讲授动物道德议题课程的客座教授。在她完成一系列的演讲后，一名听众举起手问她：“当你希望世人减少物种剥削时，不是等同于要所有人放弃人性吗？毕竟当人类面对内心的嗜血黑暗时，或许是更为真诚地面对自我。”

问得好啊。面对人类内在的黑暗绝对是道德学、心理学与宗教的核心问题。所谓的兽性，弗洛伊德称之为本我（Id），乔治·卢卡斯（George Lucas）称之为黑武士。当传教士保罗（Apostle Paul）描写力不从心的情况时，他所描写的正是内心的黑暗面。乔治·琼斯（George Jones）曾在《几乎要妥协了》（Almost Persuaded ）里歌唱过此事。演化心理学家曾追溯此源头至更新世（Pleistocene Age）。而神经学家则认为黑暗的欲念不时游走在脑前叶与边缘系统（limbic system）之间。

心理学家海德特研究人类内心黑暗欲望的彻底程度无人能及，他曾经将之比喻为正被理性骑兽者驾驭的疯狂大象。大象身形庞大，并且在隐约之中主导局面，而骑兽者虽然比大象虚弱，但却有着更聪明的头脑。只要经过几番练习，骑兽者就能慢慢驾驭大象。在本书中我已经多次论及，当人类面对与其他物种的道德难题时，就等同于面对理智与内心黑暗面的交锋。不过，究竟身处如同道德迷宫以及难以达到道德一致性的现实世界对我们而言有何影响呢？难道我们只能放弃，选择两手一摊？难道道德上的复杂性意味着道德麻痹？

答案为否。我曾经遇过无数的动物权人士在内心为道德矛盾而奋力交战。他们来自不同领域，并对动物界做出可大可小的贡献。他们多半会不时做点小事帮助动物，也让自己感到快乐。有的人会减少肉食摄取分量，或收养流浪狗。有些人则会捐款给善待动物组织或世界野生动物基金会，有些人则会把车停到路边，跑下车协助正徐徐穿越马路的箱龟，以确保它们安全无恙。

也有人做的是难以比拟的大事，迈克尔·芒廷（Michael Mountain）正是其中一位。

大规模的动物援救

一个男人走入酒吧里……

酒吧位于北卡罗来纳州罗里的喜来登饭店里面，而我正巧于此参加人类与动物关系的研讨会。这位男士60岁的样子，高个子，壮实，发色淡红，他的胡子修剪得相当工整，看起来非常善于运动，也很像健康版的亚伯拉罕·林肯。他环绕四周，接着发现我身旁有个空位。

“你介意我坐这儿吗？”他的口音是英式的，牛津剑桥一带吧。

“当然不会，请坐，我是哈尔·赫尔佐格。”

“迈克尔·芒廷，友好动物协会。”

“噢，我听过你们的组织。你们好像在鸟不生蛋的地方对吗？是不是在沙漠里？”

“对。犹他州的卡纳布。”

我们点了些啤酒。

我问了他友好动物协会的状况。他说该组织成立于20年前，当时由乡下的一群动物爱好者所组成，希望建立一个让流浪动物免于安乐死的场所。他说目前组织资产已经增长至3.5亿美元（与善待动物组织同级规模）。卡特里娜飓风时，友好动物协会援救了6000只动物。组织名称也由原本的友好动物庇护所改为人们所熟知的友好动物协会，而其成员遍布全美，由致力于动物援救的草根性社群组织与个人所组成。

上述努力确实让人印象深刻。不过当我们开始谈论人们对待动物的方式时，我更加兴致勃勃了。他的观点挺正确的：人类对待其他物种的态度时常矛盾并且完全不一致。芒廷承认自己也有许多前后矛盾的时候。他是纯素食者，也拒绝食用动物制品。不过他会买猪耳朵给家里的狗吃。芒廷说狗们很爱猪耳朵，不过他确实也会为猪感到悲哀。

“我的原则是，”他说，“如果我在户外遇到马蝇叮咬，我会拍死它，这就和蚊子叮咬一样。然而如果马蝇飞进我家，我会将它放生。”他笑了一下，补充说，“把它放生到下次可以叮咬我的地方。”

“这完全没有道理啊。”我说，“应该是当马蝇飞到你家时，你可以把它杀了，毕竟它入侵你的领域。但如果你在户外、马蝇的地盘上，那你应该没有权利杀它吧。你的原则有背后的逻辑吗？”

他大笑。

“当然有。每件事都有道理啊。只是说，所谓的道理并不见得理性。我想我的原则应该和友好动物协会信奉的理念一致吧。虽然你没办法拯救全世界的动物，但是如果有动物前来躲于你门下，你就该伸出援手。所以如果马蝇飞来我家，我就有责任善待它。”

芒廷真的很特别，尽管自己拥有很高的道德标准，但还是乐于自嘲。

芒廷最近才刚卸下友好动物协会总裁、募款活动总监以及杂志编辑的职务，并与年轻的企业家兰登·波拉克（Landon Pollack）开启了几项新的计划。其中一项计划就是恢复美国斗牛犬的社会形象。另一个则是号召全球关心动物与自然环境的人士共同组成国际性组织佐伊（Zoe），此词在希腊文里代表生命。

“我们希望做一个全球性的善举革命，改变人们与动物、大自然以及人类彼此间的联结方式。”

全球善举革命，这听起来太庞大了，根本是天方夜谭。不过，芒廷看起来很认真。

我看了一下手表，我们已经滔滔不绝地谈论两个小时了。饭店里所有的营业场所都关门了，酒吧里也仅剩我们两位。当我们起身离去时，芒廷邀请我到卡纳布走走，亲眼看看友好动物协会在做什么，并继续好好聊聊。

“好噢，说不定真的会去。”我回到饭店房间里拨电话给玛莉·珍：“你明年夏天想去犹他州一趟吗？”

坐落在不毛之地的动物庇护所

我和玛莉·珍在拉斯维加斯下了飞机，并租了部现代轿车往北开。我们从圣乔治开了两小时的车下州际公路后，又在两线道上继续开了数小时，并从媒体称为一夫多妻天堂的科罗拉多城与凯巴布·派尤特印第安保留区（Kaibab Paiute Indian Reservation）转入亚利桑那州，接着进入只有一个红绿灯以及3769个居民的卡纳布镇。

第二天我们前往友好动物协会。我们从卡纳布的公路出发，开了约8公里远。我以为友好动物协会的庇护所会像个大型的、可爱的动物园区。结果我错了。

占地3700公顷的友好动物协会的庇护所位于大阶梯-埃斯卡兰特国家保护区（Grand Staircase-Escalante National Monument）旁边，其腹地还包含协会自土地管理局租用的近三万公顷的土地。周围景色犹如圣经的描述般美好——深邃的天空、绵延数公里的砂石峭壁以及让我联想起以前和妹妹抢用的蜡笔颜色：砖红、黄褐色、赤褐色、棕土色、粉红肉色、古铜色与紫红色。我觉得眼前景色似曾相识。之后我才想起是在哪儿见过。小时候我爱的许多电视影集都是在天使峡谷取景的——《独行侠》《丁丁历险记》《灵犬莱西》《枪战英豪》《荒野大镖客》，甚至是罗纳德·里根（Ronald Regan）主演的《死亡谷之日》。自1920年开始，将近有一百部电影在这里取景，包括《浩劫重生》《万世流芳》与《西部执法者》。

每年友好动物协会的成员会进行近三万次的游客导览，不过芒廷为我们准备了特别的节目。我们的导游费思·马龙（Faith Malone）是位65岁、个性活泼的女士，她记得这里所庇护的一千只动物的名字，包括狗、猫、猪、马、兔子、驴子、孔雀、天竺鼠与鹦鹉。芒廷与费思是其他成员相当推崇的“创立者”。20世纪60年代中期一群相当年轻并希望能改变世界的理想主义者创办了友好动物协会。芒廷警告我：“我们可不是嬉皮，真正要说的话，我们可以说是非常排斥嬉皮的，好比我们绝对反对药物使用。”一开始救援活动仅限于尤卡坦半岛（Yucatan），接着核心成员开始深入政治、宗教与社会服务等领域终至解散，不过部分成员于20世纪70年代晚期回归，并发现大伙的共同目标为拯救动物。

20世纪80年代初期，此团体偶然发现了卡纳布峡谷，并将其重新命名为天使峡谷。尽管此处路途遥远，团体还是决定在这峡谷为无人知晓的动物们建立一个家。没有人想到这个犹他州西南部的小庇护所会变成日后全美最大的动物保护组织。义工们每天会带狗散步、冲洗大肚猪、清理马粪，甚至成为知名电视节目的报道主题（国家地理频道推出的节目《狗城》）。友好动物协会甚至在美国动保运动历史上最重要的“战役”中发挥关键作用——协助成立以社区为基础的动物节育和收养计划，使每年在收容所死亡的动物数目从1700万只缩减到400万只。

我们在访客中心先和费思会面，接着走到猪猪天堂（友好动物协会不排斥可爱的名字）。一名来自弗吉尼亚州的义工正用几颗低脂爆米花吸引大肚猪起来走动。女铁匠正在帮一匹曾被丢弃在垃圾场的驼马修补损毁的铁蹄。接着，我们跳上费思的车，前往宁静之家。宁静之家是间屋子，基本上这里没有一只动物是被关在牢笼里的。此处专门用来照护罹患重病的猫（如败血症）。这屋子一尘不染，也没有任何尿味，虽说许多活泼的猫到处走动。费思解释友好动物协会的工作重点在于帮助有特殊需求的动物，好比三只脚的猫、喉部肿瘤如同棒球般大小的狗、失去单翅的老鹰等。许多动物都是从其他无法提供长期照护的收容所转送过来的。对于那些眼盲、耳聋或有情绪障碍的动物来说，这里就是它们最后的安栖之地。

我们参观了兔子之家、马天堂、鹦鹉花园以及野生朋友之家（专门照护海龟、猫头鹰、老鹰、山猫以及鸣鸟类的康复保育中心），接着转往狗镇山岗，这里约有36公顷大，收留了大约400只狗。老朋友之屋则专门照护老狗，我在这里遇上了来自曼哈顿、每年会在此义务服务数周的心理治疗师鲁比·本杰明（Ruby Benjamin），鲁比今年78岁，并且神采奕奕。“我的心永远在这儿，”她和我说，“每当我回到动物友好之家，就感觉像是回到温暖的怀抱里。”

我们在狗镇的主要建筑里与雀莉（Cherry）见面，它是只短小、黑白相间的斗牛犬，正安静地躺在一位年轻女性的电脑桌下方的软垫上，那位女性正开着电脑办公。雀莉有着特别寂寞的眼神，看起来很慵懒。你绝对想不到它以前可是四分卫迈克尔·维克养的凶猛斗犬（当弗吉尼亚州突袭“坏新闻斗犬场”后，有二十多只斗犬被送到友好动物协会）。

接着我们很快地参观了一下动物诊所。一位来自加州兽医学院的实习生正在兽医的监督下为猫进行卵巢摘除手术，目前共有六位兽医在此服务。我们探头张望了一下水疗室。接着，一位技术员很神气地向我们展示最新的电脑X光显像机。诊疗所的设备比很多我探访过的医院还好。

费思帮我们安排与弗兰克·麦克米伦（Frank McMillan）共进午餐。在这里大家都称呼他为“弗兰克医师”，他是一位兽医兼宠物心理健康专家。他负责维克的斗牛犬的心理复健工作。弗兰克说这些狗正经历狗的后创伤症候群，在遭受斗狗人士残忍的对待之后，目前狗的症状并非攻击他狗，而是陷入深深的恐惧之中。弗兰克和一群动物行为学家已经针对这群斗牛犬展开近一年半的治疗。他原来已经不抱希望，不过狗的康复状况却超乎他的想象。在22只狗当中至少有21只都有逐渐康复的迹象。而且到目前为止，已有两只斗牛犬被领养，一只则在寄养中。

第二天早晨，我回到中心，并担任一天义工。我被指派到狗镇。一位名叫唐·贝恩（Don Bain）的得州退休银行家和我打招呼。他和他的太太偶然发现了友好动物协会，并爱上了此处，更在卡纳布买了房子。现在，贝恩是友好动物协会的“狗社交协调师”，这对我来说，根本是全世界最棒的工作。他指派我和工作人员特里（Terry）一起工作。我的工作负责协助特里喂食十多只狗。其中一只狗叫影子，它也是维克的斗牛犬。影子看了我一眼后，开始狂吠。特里说每当影子看到陌生人时就会这样。

这没关系。我知道这不是影子的错，它是受害者。如果它在其他收容所，应该早已被安乐死了。影子在友好动物协会找到了全新的生活，即便它或许永远不会达到可供领养的门槛。

接着，我们得带着狗狗散步。

特里要我加入朵拉（Dora）的工作行列，朵拉来自堪萨斯州，并在家得宝（Home Depot）卖场工作。她从旧金山的家中开车过来，花了两天时间绕道，才能在此担任一天的义工。朵拉用皮带套住一只看起来满像拉布拉多犬的褐色狗，它的名字是辛度瑞拉（Cinderella）。我负责遛活泼的萝拉（Lola），我一眼就爱上它了。它长得很像我小时候养的双胞胎狗的其中一只。我们沿着小径缓缓地走，沿途经过齿轮松树、杜松、仙人球以及远方的白色山崖。狗们欣喜莫名，我们也是。结果我和朵拉在愉快的聊天中不知不觉迷了路。幸好特里在强风开始呼啸、气温陡降、闪电隆隆之前及时地拯救了我们。

晚餐时，玛莉·珍和我向芒廷分享了我们在庇护所的经验。在卡纳布待了一个星期以后，我们对这么一小群有远景的梦想家能在犹他沙漠里完成梦想感到非常钦佩。这绝对是一等一的团队。卫浴设备都相当干净，工作人员也会如约回复电话。更令人印象深刻的是，在友好动物协会里的每个动物都是个体。工作人员不会用“狗”或“猫”或“马”来称呼任何一只动物，他们会说詹姆斯（James）、米达（Minda）和月光（Moonshine）。月光是一只黑白相间的天竺鼠。这个地方散发着神秘的静谧感，每个人都超级仁慈，这好像有点怪怪的。

哲学家康德认为人类不该心怀恶意对待动物，因为他认为虐待动物也会让人类以残暴的方式对待他人。但是友好动物协会的理念却与康德相左，他们认为当人类开始懂得善待动物时，也会对其他人施以仁慈。

现在芒廷更希望通过新的佐伊组织与全球善举革命，将此哲学理念更深入地推广。虽然佐伊组织仍处于草创阶段，不过目前已成立了管理团队，由有抵制大企业经验的老鸟行动者、全球动保专家以及来自社会科学、人际沟通、行销、出版与社会网络领域的人士共同组成的顾问团。他们的目标实在不小——出版一系列专著、创办杂志与电视频道，以及可以每天观看动物与环境新闻的动保版赫芬顿邮报网站。佐伊组织是一个关于生活态度的品牌组织，可以容纳多元族群的动物与环境爱好者社团，不管是回收者、抱树者、纯素食者或弹性素者，或者是只喝公平交易咖啡或只吃“零残酷”鸡肉的人们。简单来讲，就是所有希望与动物与自然重新建立联系、希望创造一个更美好的世界，却还不知道该如何下手的人们。

芒廷远大的目标让我感到头晕目眩，他的想法和我不太一样。他的野心太大，我无法跟上。

我试着改变话题：“你一直都对动物这么仁慈吗？”

他的回答令我意外：“嗯，我没那么会和动物玩耍。我比较善于建立组织、编辑或将适当的人放在对的地方一起工作，照顾动物并不是我最擅长的事。”

不过他提起了家中的蚂蚁：“它们很可爱，小蚂蚁。它们很像是清洁队。它们会走进厨房做例行检查。如果找不到食物，就会绕到外头看看。不过如果我的猫‘小冰棒’在哪里留下了食物，蚂蚁军队就会派遣一支部队过来，将食物搬回巢。这太不可思议了。要很多很多的蚂蚁才搬得动猫饲料。当我看到它们如此奋力地搬运食物时，就会把一些猫饲料放在面纸上，拿去外头。”

我试着想象这位可以和前五百大企业总裁或好莱坞一线明星闲聊、但不太会和动物玩耍的男人，趴在自家的厨房地上把小蚂蚁一一放到面纸上，再护送它们回家，只为了让蚂蚁们好过一点。

女士与海龟

迈克尔·芒廷是期望能推动全球性革命的梦想家。不过多数的动物爱好者和茱蒂·穆齐（Judy Muzee）比较像。她在南卡罗来纳州的艾迪斯托小岛开了一间“海滩巡逻者沙龙”，并在闲暇拯救濒临绝种的海龟。

通常总有一只特别的动物让人开始投入动物救援工作——可能是一只面容憔悴的流浪狗或是三天内无人领养就要被安乐死的猫咪。但海龟救援者和其他动物爱好者大不相同，他们不会得到温暖的毛茸茸的动物的回报。或许你难以相信，他们根本就不会见到自己所救援的动物。他们只关心，当他们在海滩巡逻时，重达136公斤的母蠵龟可以安全地等待日出，这样才可以笨重地往岸上移动，在沙滩上奋力挖掘出61厘米深的巢穴，并在里头产下1500颗黏糊糊的蛋。数个月之后，数千颗海龟蛋中会有一只幸运儿诞生存活，并在25年后重复这个过程。

以海滩城镇来讲，艾迪斯托小岛还挺落后的。这里没有汽车旅馆，没有果岭，没有麦当劳也没有水上公园。只有一间蹩脚的超市和气氛还不错的可以打打撞球、吃吃晚餐、距离主街两个路口远的“华利”小酒馆。在这个星期天的早上，玛莉·珍和我坐在这里喝啤酒，等着鲜虾三明治。她正在和吧台边的女士说话。我一边看着电视里的赛车比赛，一边瞄着我座位不远处的两位男士。他们一边讨论钓鱼，一边喝特调牡蛎酒（将生牡蛎丢进小玻璃杯里，加一点气泡伏特加和墨西哥辣酱以及几滴柠檬汁。一口喝下后再追加几瓶啤酒）。

两位男士持续吃了十几只牡蛎，我恍然听见珍和她的新朋友说：“啊，你应该和我先生聊聊，他的研究主题正是动物爱好者。”我眼前的茱蒂是个濒危动物蠵龟的狂热爱好者，此种海龟会在得州与北卡罗来纳州之间移动。我和玛莉·珍交换了座位。

茱蒂说，她在十多年前离婚后就从怀俄明州搬到艾迪斯托小岛。她一人身兼两职，直到有了足够的存款并开了沙龙。当我提到海龟时，她立刻笑容满面拿出手机，和我分享海龟在海滩上爬行的路线、被打开的巢穴以及刚刚出生仅有纽扣般大小的小海龟。茱蒂是志愿组织的一员，她在清晨巡逻海滩，记录爬行路线（母龟会在海滩上留下1米宽的爬行痕迹）、巢穴地点并把脆弱的巢穴移往更为安全的地方。当海龟蛋开始孵化时，茱蒂会在数个月后回到同一巢穴，记录孵育成功率，她会记下海龟蛋成功孵化的数目以及死去的小海龟数目。

茱蒂邀请我参加隔天凌晨的海滩巡逻，但我们隔天就要离城。我承诺她有一天会再见面。

一年后，我坐在茱蒂的客厅里喝着甜茶。这里又黑又暗，不过感觉很棒，毕竟外头现在是37摄氏度高温，湿度则逼近98％。她向我介绍OB，一只患有关节炎的巧克力色拉布拉多犬，名字叫OB是因为它只有一颗睾丸。另外还有梅根（Megan），她是茱蒂的外孙女，过来帮忙推动海龟计划。她们为我讲解了海龟产卵的基本常识。母龟通常会花上一生的时间在海里潜泳，只有每两三年一次的时间，它会上岸产卵（公海龟永不上岸）。海龟巢有着令人惊奇的结构，巢穴的形状有如60厘米深的烧杯，海龟蛋则从状似烧杯口的管状结构中冒出。母海龟以后鳍扒掘沙地，当蛋就位后，它会把洞穴封死，以防止猎食者入侵取卵。

多数的海龟蛋不会有机会孵化。浣熊会扒开巢穴、沙蟹会躲在巢洞偷吃蛋黄与胚胎。50天后，小海龟会破壳而出，它们会在巢中停留数天，吸食剩下的蛋黄，然后开始挖掘朝向地表的通道。小海龟会在夜晚出现在海滩上，靠着本能朝大海爬行，仿佛被海面上一望无际的辽阔与月光的照映所吸引。

蠵龟已属濒危动物，即便在最好的条件之下，也只有1％的小蠵龟可以成长到生育年龄，并重返海滩产卵，延续生命循环。不过，让海龟濒危的绝非浣熊、沙蟹、鲨鱼或鸟。海龟时常吞下被它误以为是水母的塑胶袋，或遭到商用渔网的误捕致死，或因为船只溢出有毒化学品和石油而遭毒害。而建筑巢穴所需的海滩也因为土地发展而日益短缺。对艾迪斯托小岛来说，光害也是严重的问题。有时候，小海龟会受到海边公寓彻夜不熄的灯光或加油站的灯光吸引，而朝着大马路直直而来。

南卡罗来纳州自然资源部负责推广海龟保育计划，不过真正让计划得以进行的是包括茱蒂在内的800名义工，他们在海龟繁殖季节时监控了几乎每公里的产卵之途。这项计划有几个目的，其中之一是由义工搜集珍贵的科学性数据。由于海滩义工们的不懈努力，生物学家几乎可以掌控南卡罗来纳州海岸线的每只海龟的踪迹。他们几乎掌控了任何一段海岸线上正在爬行的海龟数目、巢穴数目、产卵总数、死亡与存活的海龟蛋比例以及死亡的真正原因。举例来说，2009年，南卡罗来纳州海滩共有2184个海龟巢穴、共孵化163 334颗海龟蛋，其中有10 503颗遭到破坏。海龟蛋的平均孵育期为54天，平均的下蛋数字为116颗。

海龟保育计划的另一个目的是提高龟蛋的存活比例。所有义工都接受训练并领有执照。当义工群发现有龟巢过于靠近海岸线或埋得不够深时，他们可以将巢穴移往安全之处。义工们小心翼翼地以手掌捧沙的方式挖开海龟巢穴。接着，他们把海龟蛋正面朝上，放进篮子里，并在较好的地点挖掘新的巢穴点，并将海龟蛋以正确的排放位置放入新巢穴。有些海龟巢则建在较容易受掠食者入侵的地方，那么义工们就会在巢穴外放置保护围栏。当龟蛋孵化后，义工们会在每四个巢穴中取出一个龟蛋做样本搜集，取得额外数据。义工会记录孵育与未孵育的龟蛋数目，以及孵育后于巢中过世的小海龟数目。在每年的8月，进行海龟保育工作让人感觉闷热、肮脏、恶臭又油腻。有一天，茱蒂打开了一个海龟穴，看见了20只死掉的小海龟，这真的让人心碎。

不过时不时她还是会在某个巢穴底部看见一只还活着但因为种种原因无法爬出洞口的海龟宝宝。

然后，茱蒂就会伸出援手。

茱蒂已经在南卡罗来纳州海龟保育计划中担任义工达五年之久。我问她为什么想当海龟义工。

“噢，一开始我只是觉得一大早开着车在沙滩驰骋很刺激。当你看见海龟留下的巨大爬行足迹时，真的令人兴奋。不过，当你第一次挖开已孵化的巢穴，清数龟蛋数目，眼看一只只没有能力爬到洞口的小蠵龟时，心真的会一秒融化。”

“你觉得，五年来你大概救了几只蠵龟啊？”

“很多很多，至少有一百只吧，”她用不舍的语气说道，“但是我知道，实际上，每一千只中只有一只存活。”

接着她微笑：“不过，在我心里，每只我帮助过的小宝贝都活了下去。我不知道其他的海龟怎么了。不过我知道，我救起来的海龟都活下去了。”

接着，我们开始计划隔天的海滩巡逻。茱蒂提醒我要带水和防蚊液。

早上6点，天空泛着又蓝又金如同马克士威教区（Maxwell Parish）画作中的色泽。我跟着茱蒂、一位名叫谢莉·约翰逊（Sherri Johnson）的女士以及一位已经投入海龟保育计划两个暑假的七年级学生阿普丽尔·弗勒德（April Fludd）的脚步来到海滩。我们所在地为波特尼湾林地，包括6500公顷的海滩、盐沼、农地以及棕榈森林。这里根本就是大西洋海岸最原始的海岸线，如梦境一般。

我们将各式各样的工具收进两部全地形车内：长1.5米用来寻找巢穴位置的T状探针、插地旗，预防浣熊入侵的网状笼数个，警告海滩客不准粗鲁对待海龟巢穴的亮橘色标志。茱蒂要我跳进绿色的全地形车后座，阿普丽尔则和谢莉同行。一眨眼，我们已经上路了。太阳已从沼泽的另一端升起。空气中还带点湿冷，沿途只闻鸟鸣。我们开了约1公里路前往海滩，过了盐沼后，无意间惊动了正在涉水的白鹭鸶、盘旋在天空的鹗鸟以及在树荫下觅食的木鹳家族。

茱蒂转头并在全地形车的颠晃之中向我喊道：“你看到了吗？这就是我为什么要来这儿的原因，这根本是天堂。”她百分之百正确。观赏清晨的海滩日出大概和坐在大教堂里观看彩绘玻璃一样神圣超脱。

在我们穿越了昆虫漫飞的沼泽后，我们开上沙滩，开始寻找海龟的踪影。除了离海岸500米的捕虾船以及成群呀呀低飞的鹈鹕外，海滩上空无一物。大海寂静，宛如静止的湖泊，此时非洲的海岸线看起来近在咫尺。

运气真差。我们一路开到分隔波特尼岛和水溪岛的爱蒂丝朵河，我们沿河疾驰，只见专供上流退休人士游憩的高尔夫球场与网球场的大门深锁，我们没见着任何一只海龟。失败了，真惨，我们空手而回，我心里感到有点失落。

接着，好运上门了。在我们回程中，遇见了克里斯·沙蒙森（Chris Salmonsen），一位负责区域紧邻茱蒂的州立大学野生生物学教授。我们开始交谈，当我表示自己对像茱蒂、谢莉与阿普丽尔这样的海龟义工很有兴趣时，沙蒙森微笑表示，如果没有茱蒂这样的义工，他的研究将会困难重重。我们约好晚点再碰面，聊聊人与海龟的情事。

克里斯今年46岁，他来自环境教育领域，并指导得州、佛罗里达州与南卡罗来纳州的义工。

“你可以多跟我讲点海龟爱好者的故事吗？”我问。

他说，有些海龟义工，特别是男性，享受驾驶全地形车驰骋海滩的感觉。这种人大概不会持续太久，多数认真的海龟义工都是女性。

他说：“很多义工都处于人生中奇妙的阶段，她们需要有些事情弥补生活所缺，而海龟或许给她们提供了一个机会。这就像星期天上教堂一样，这是她们的信仰。”

我告诉他，茱蒂也这么说。

克里斯表示，茱蒂可能和其他的义工情况不太一样，她的生活非常忙，救海龟只是其中的一件事而已，她还要开店并同时进行创作。

克里斯继续解释：“不过并不是所有的海龟义工都像茱蒂一样，有些人是彻底执迷于海龟援救。他们会穿着有海龟图案的衣服走来走去，家里也有一堆海龟的相关物品。他们希望所有人知道自己是海龟爱好者，这已经变成他们的自我认同了。”

接着，他聊起之前和得州的海龟义工一起晚餐的事。当克里斯点特选鲜虾鸡尾酒时，那位女士开始大哭。后来他才知道她因为当地捕虾人拒绝使用能让海龟脱逃的捕虾网而陷入激战。不过对她而言，不管使用哪种捕虾网，每一份鲜虾鸡尾酒都代表另一只蠵龟的死亡。

隔天，我又在清晨起床，并加入克里斯与他的义工群。群里有一位名叫罗莎（Rosa）的大学生，她每周会花五天时间担任海龟义工，还有相机长镜头大约和我手臂一样长的摄影师玛丽（Marie）。今天，沼泽一带的蚊虫像发了狂似的攻击我们。简直像是在拍摄《非洲女王号》（African Queen ）。虫子隔着衣服噬咬我们的皮肤，我们只能不停挥舞棒球帽。一丝鲜血从罗莎的脚上流了下来。

我们距离沙滩不到400米时，就看见海龟爬行的痕迹。由于是罗莎先发现的，这代表她必须率领大家找到海龟巢穴。她拿出了探针开始行动。探针可以找到通往龟蛋窝的狭小通道。通道中的沙子往往比周围地面松软许多。你必须专心致志地探测，并把探针头插入沙子之中。不过如果你力道太猛，探针就会滑进龟蛋窝中，甚至毁坏部分海龟蛋。掌握探针需要灵巧的手感，几乎有10％的龟蛋是毁于探针失误。

罗莎在直径60厘米的范围内探测了近15分钟，接着她感觉到松软的沙子通道。她把探针交给我，要我感觉1英寸（约2.5厘米）。首先，我把探针深入通道旁的沙子。没有任何感觉。我移动了一英寸，再次放入探针，宾果，我感觉到松软的沙子通道了。克里斯开始跪下用双手挖掘。当他摸到海龟蛋时，他的整只手臂都已陷在沙堆里了。他要我把手伸进洞里感受龟蛋。海龟蛋和鳄鱼蛋一样，犹如皮革般强韧，似乎有着强劲的生命力。

我们用沙子回填通道后，克里斯在海龟巢旁边插上旗子，记录好卫星定位数据后再把资料记载在笔记本上。等一回办公室，他会马上将资料输到电脑里，并于12小时内上线。我们跳回全地形车上，克里斯很快又发现另一条海龟爬行的痕迹。他伸手抓探针，我们又重复了先前的流程，并再度上路。我有点头昏脑涨，一行人已经发现两个海龟巢穴，我感觉自己已经有了义工的瘾。

数个星期后，我和波特尼岛上海龟保育计划的梅格·霍伊尔（Meg Hoyle）搭上线，并问她为什么会有像茱蒂、罗莎、谢莉和阿普丽尔这样的人，愿意在37摄氏度的高温下和飞舞的昆虫蚊蝇奋战，带着满身腐败的蛋臭味回到家，并在下一次的行动中继续援救那些她们恐怕从未亲眼见过的动物，而这些动物多半会在不久后被掠食者给吞下肚，甚至无望繁衍下一代。

她说：“我偶尔也会想不通。有些义工每天早晨都会来海滩巡逻，一整个夏天说不定只找到12个海龟巢穴。通常，他们根本不会见着任何海龟爬行痕迹，对多数的人来说，恐怕在整整三四个月里面，根本不会见到任何一只海龟。不过，他们不愿放弃，他们希望和已然疏离的大自然重新建立关系，我们都需要与大自然和动物们建立感情。”

日常生活中的人类-动物互动学

我同意梅格说的。很多人都希望重新回到动物与大自然的怀抱。只不过每个人所需的程度不同。并不是所有人都像迈克尔·芒廷一样，会悉心保护入侵自家厨房的蚂蚁雄军，不过这世界上却有很多个茱蒂，除了兼顾工作与家庭以外，还愿意花一点点心力与动物交流，尽管他们对待不同物种的标准仍旧相当矛盾。他们不会因为某人转动开关导致一辆虚拟的火车歪斜出轨，压住一个老人或一群濒临绝种的黑猩猩而陷入苦思。他们不在乎边沁或是康德谁才是动物解放运动的正解。他们也不会因为拒吃牛肉但却穿着皮革制成的皮鞋而感到内心愧疚。

我本人早已接受自己内心的伪善。我内心的恶魔认为让堤莉在户外跑跑它会比较开心，虽说它偶尔会杀死一只小雀鸟或花栗鼠。我内心的恶魔还说，只要用辣椒酱腌渍、慢火烧烤出猪腰肉，就会让猪的死彻底升华。

不过，道德观总会改变，有时候我也会和内心的邪恶达成新的妥协。当我发现自己无法再从使劲拉扯棕色溪鳟出水中获得满足时，我就不再钓鱼了。我也不吃小牛肉了，还会尽量购买出产于住家附近的鸡蛋，或是价格稍微昂贵一点的自然放养鸡肉，因为我相信这些鸡的生活会比科布500型好一点。最近，当有位老斗鸡手问我要不要去看五鸡斗鸡赛时，我说，不必了，感谢。

在我一开始探讨人类与动物的互动关系时，为上述章节里所描述的明显的道德不一致性感到深深困惑——向我偷偷承认自己会吃肉的素食者，大谈自己对斗鸡的热爱的斗鸡手，致力于创造最好的纯种狗的赛犬秀人士（他们对狗的执迷造成了无数的基因缺陷狗），认为自己身负拯救动物使命却让动物沉溺于排泄物之中受苦的囚藏者。我慢慢相信，所谓的矛盾并非出于精神异常或伪善。相反，矛盾无可避免，这即是人性。

普林斯顿大学人性价值研究中心主任夸梅·安东尼·艾比亚（Kwame Anthony Appiah）时常会被人问起，自己从事何种行业。当他回答自己是哲学家时，对方八成会继续问：“那你的哲学是什么？”艾比亚的标准答案是：“我的哲学就是，所有的事都会比你想的要复杂。”

这门关于人类与动物互动的新科学所揭露的，正是我们对待动物的态度、行为以及我们生活周边的动物——不管是我们爱的、恨的还是吃进腹中的，都比我们所想的还要复杂。

像物理学家一样思考
The Dancing Wu Li Masters

［美］盖瑞·祖卡夫（Gary Zukav）著
廖世德/译

海南出版社
·海口·

目录

序

译序

引论

部一 物理（导言）

第一章 大苏尔的大礼拜

物理

汉语和英语

物理师傅

钠光谱

玻尔的原子模型

第二章 爱因斯坦不喜欢

新物理学与旧物理学

牛顿物理学

一部大机器

是我们创造了实相吗

客观性的神话

亚原子粒子

统计学

气体动力学

或然率

量子力学哥本哈根解释

实用主义哲学

脑分割分析法

部二 各种形态的有机能（新旧物理学）

第三章 活的？

有机与无机

普朗克

片断式

1905年的爱因斯坦

光电效应

波，波长，频率，振幅

绕射

双缝实验

波粒二象性

概率波

第四章 事情是这样的

量子力学的程序

预备区

被观察系统与观察系统

作为关联物的光子

波函数

概率函数

量子跃迁

测量理论

量子力学的形而上学

量子力学的多重世界解释

薛定谔的猫

多疑的托马斯

部三 吾理（量子力学）

第五章 “我”的角色

心与物的幻象

互补假说

康普顿散射

德布罗意与物质波

薛定谔的波动方程

泡利不相容原理

玻恩概率波

原子的量子模型

海森伯的矩阵力学

不确定原理

桌子翻了

部四 无理（相对论）

第六章 初心

无理

禅者的初心

狭义相对论

伽利略相对论原理

伽利略转换

光速恒定原理

以太

迈克耳孙-莫雷实验

菲茨杰拉德收缩

洛伦兹变换

第七章 狭义无理

狭义相对论

“本征”与“相对”的长度与时间

特雷尔对相对论收缩的解释

相对质量的增加

同时性

时空连续体

时空间隔

闵可夫斯基空间

质能关系

守恒定律

第八章 广义无理

重力与加速度

升降机内外

重力质量与惯性质量

时空连续体地图

欧几里得几何

转动的同心圆

非欧几何

爱因斯坦的预言

水星近日点

太阳光弯曲

重力红移

黑洞

“无理”的幻象

部五 握理（粒子物理学）

第九章 粒子动物园

变化的障碍

镜面的大厅

新世界观

粒子物理学

有趣的气泡室

创造与湮灭之舞

轨迹是什么

量子场论

使用日常语言的两难

粒子的质量

无质量粒子

电荷

自旋

角动量

量子数

反粒子

第十章 这些舞蹈

时空图

费曼图解

又是创造与湮灭的舞蹈

又是反粒子

时间的幻象

熵

虚光子

电磁力

汤川秀树

π介子

粒子的自我互动

引力

虚粒子

真空图解

守恒律

对称

夸克

S矩阵理论

部六 悟理（量子逻辑与贝尔定理）

第十一章 超越两者

物理与悟道

贝尔定理与量子逻辑

冯·纽曼

投射的命题

直接的经验与虚构的语言

分配律

叠置

量子逻辑

证明

跃迁表

冯·纽曼对分配律的反驳

量子拓扑学

第十二章 科学的结束

悟与统一

量子关联

EPR思想实验

超光速沟通

局部因果原理

贝尔定理

克劳赛弗里曼实验

阿斯派克特实验

超决定论

多重世界理论

量子力学与哲学

暗含的秩序

东方心理学

无相道

后记

附录一 注释

附录二 基本粒子表

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序

1976年盖瑞·祖卡夫宣布本书写作计划的时候，我和艾雨·黄曾经在伊莎兰围着桌子看他起草大纲。当初没有想到他会在这份工作上得到这么大的乐趣。看着这本书逐渐完善，令人感慨良多。因为，祖卡夫在本书中坚持要将今天的以量子力学、相对论为代表的新物理学的演化重述一遍，使它成为清楚明朗的故事。这样坚持的结果，就是使本书的可读性升高了，而且还使读者接触到了物理学家们种种化腐朽为神奇的方法。简而言之，盖瑞·祖卡夫写了一本给行外人看的好书。

祖卡夫对物理学的态度与我很接近，我也是一个行外人。所以，我和他谈物理比和专业人士谈更让人兴奋，也更有趣。他知道物理是一种意图，意图与大于我们本身的一种实体融通，在一个无尽的追求中，要求我们寻找、塑造，并且摒除长久以来所怀有的偏见与思考习惯。

祖卡夫慷慨地给了我这个篇幅，要我对他的叙述有所补充。因为我们认识已经有三年，所以我必须稍微回想一下。

我最先想到的是一群鲸，我记得我们曾经在伊莎兰的悬崖上看到一群鲸飞跃着向南方游去。接下来我想到的是美丽的帝王蝶（Monarch butterfly），从第一天开始，这些蝴蝶就四处点缀着田野，然后像厚重的树叶一般，层层相叠，挂在树上，形成了一棵棵魔树，等待着生命的终曲。在鲸和帝王蝴蝶这两件事之间，我们（对物理学之事）一方面感觉不能夜郎自大，一方面又觉得轻松好玩。

在伊莎兰的时候，我感到了和会中的物理学家沟通的困难，这一点使我发现大部分的物理学家对量子力学的想法与我是多么不同。其实我的想法并不新，早在1932年，纽曼（John von Neumann）在他的《量子力学的数学基础》（The Mathematical Foundations of Quantum Mechanics ）一书里就已经提出物理学家对量子力学有两种想法（我的想法不过是其中之一）这两种想法是：

一、量子力学不是处理客体的客观属性。量子力学处理的是由预备过程与观测过程界定的问题，其中涉及主体与客体，并且遵循一种新的逻辑。

二、量子力学处理的完全是客体属性。遵循的是旧的逻辑。当有观测行为时，这些属性是随机跳跃的。

当今在做研究的物理学家大部分所持的都是第二种想法。或许人格会决定科学的方向。我觉得心有“人心”“物心”两种。好父母、心理学家、作家等必须“人”人，机师、工程师、物理学家等则倾向于“物”人。对于这样的物理学家而言，物理学已经变得很可怕；因为，今日的物理学是这么“无物”。爱因斯坦、海森伯曾经带给物理学极深的演化。然而，新的、同样深刻的演化，正等待着新一代更具胆识、更有整合能力的思考者。

大部分物理学家平常工作时都将量子工具视为当然。在这种情况下，既有一些“前锋”探测过下一代物理学的道路，也有一些“后卫”小心翼翼地维护着回归旧物理学的道路。对于后者而言，贝尔定理非常重要；但是贝尔定理在本书占这么重要的地位，并不表示它已经解答了当今量子物理学的一些问题。然而贝尔定理却接近了一个大部分物理学家都已建立的观点，那就是，量子力学是一种新的、不同的东西。

现在在这里对“完整的”（complete）理论与“最高的”（maximal）理论做个分辨是有用的。完整的理论预测一切事物，是物理学家追寻的。（严格说来，牛顿根本就不是物理学家。因为，他一直希望上帝常常给这个世界上发条。）最高的理论是尽可能预测事物，是量子物理学家追寻的。爱因斯坦与玻尔虽然多有争论，但是他们两人以不同的方式都同意，量子力学是不完整的，也不是最高的。他们真正争辩的是，一个不完整的理论是否可能成为最高理论。有一次爱因斯坦说：“啊！我们的理论太贫乏，没办法讲述经验。”玻尔就回答：“不是！不是！我们的经验太丰富，没办法用理论讲。”这就好比有的存在主义哲学家对于生命的无常深感绝望，有的却因此觉得充满活力一样。

量子力学的一些特质使我们产生这些争论。其中之一是它关切不存在的、潜在的事物。所有的语言都会讲到一点这种东西，否则文字就只能用一次。量子力学比古典力学更涉及概率。有的人认为这样会使量子论不可信，使它无法成为最高理论。所以，为了维护量子论，我们必须指出，量子力学虽然有不可决定性，但是对于个别实验却可以像古典力学一样，完全用是或否来表达。在大数量时，概率无须假设就可以归纳出一个规律。但是，关于古典理论与量子论的不同，我的讲法与现在的教科书不同。我宁愿说，只要有充分的数据，古典力学对一切未来的问题都可以提出是或否的答案；量子力学则留下一些问题不解，等待经验来回答。但是我在此地也要指出一个令人遗憾的倾向，那就是，量子力学也是因此否定了只在经验（不在理论）里发现的答案，譬如量子力学就否定局部电子动量的物理存在。我自己也有这种倾向。我们陷进我们的符号系统太深了。

会议进行了一个星期，大家还在谈量子逻辑的元素，原来我们想讨论的新的量子时间概念却未触及。不过这样反倒使我们比较容易进入第二组问题，这也是我现在在思考的问题。量子力学的特质在于它一些未解的问题。有的逻辑学家，譬如马丁·戴维斯（Martin Davis）说，这一点可能与哥德尔（Gödel）以降的一些不可解决的逻辑命题有关。我向来就比较清楚，现在我觉得他们是对的。共同的元素不过是反射，完全自觉的明确系统则为不可能。看来人类的研究工作是无尽头的，这种种观念我希望是成立的。盖瑞·祖卡夫这本书讨论的就是这些观念，他做得很好。

大卫·芬克斯坦（ David Finkelstein）

于纽约

译序

翻译，最忌讳译自己不熟悉的东西。对于物理，译者更是彻彻底底的行外人，但我最终还是动手译了这本书。这里面自然有译者不敢妄自菲薄的原因。

首先，作者以他没有物理学背景的身份写这本书，一开始就是想写给行外人看的。作者既然点出这样的目标，那么一般读者，包括译者在内，是不是看得懂这本书，便成了此一目标的试金石。可喜的是，本书不但清晰易读，并且还趣味盎然。于是，这就给了译者一个充分的理由来翻译这本书。我想，既然了解了一本书，为何不能翻译这本书呢？

其次，翻译这本书事实上译者有一种大热情。任何关心生命终极意义的人都会喜欢这本书，任何对知识有好奇心的人都会喜欢这本书。研究物理的人，在本书可以扬弃符号与数学，得到一种平常的、不是那么浓得化不开的理解。研究灵异学的人可以在本书看到一点点可能的科学解释，譬如心电感应。至不济，如果摆脱这一切“有所为”，纯然是为了趣味，读本书将更得其所哉。要言之，对于任何一个有生命力的人，期待精神进化的人，想换一种新方式追求生命意义的人，觉得传统宗教哲学的用语已经讲烂了的人……这本书将是一个起步，一种启发。

由于有这样的一份热情，并且在技术上可能，所以译者译了这本书。至于内容，我不必在此多做阐释。因为，本书说理清晰明白，一般智力的人可以轻易理解，不必译者在旁越俎代庖；至于那些学识渊博、生命体验丰富的读者，译者更不必班门弄斧。总之，每一个人都是独立的生命，每个人得其所得，每个人有每个人的过程，这就是书中所说的“如如”。“如如”当然是东方的观念，作者是借用的。不过读者在书中将看到现代物理学以另一种方式达到了相同的观念。如何达到，以及这达到的本身，十足扣人心弦！让我们一方面安于如如，另一方面在精神进化上奋力精进。

廖世德　谨识

于台北淡水

引论

几年前，我的一个朋友邀请我参加位于加州伯克利的劳伦斯国家实验室的一次午后会议，这是我接触量子物理学之始。那个时候我与科学界没有任何联系，所以我就接受邀请，心里想去看看物理学家是什么样子。我很意外地发现，一、他们说的事我都了解；二、他们讨论的东西听起来就像神学。我几乎无法相信。物理学这一门学科不是我向来以为的那么无聊与枯燥，反之其实是丰富而深奥的，到最后甚至与哲学不可分。但是，说来难以置信，除了物理学家，一般人却不知道这种重要的发展。所以，随着我的物理学知识越来越丰富，兴趣越来越浓，我便决心与别人分享我的发现。这本书是我的礼物，一系列中的一本。

大体说来，就知识的偏好而言，人可以分为两种，一种喜欢用精准的逻辑程序探索事物，一种喜欢以不那么逻辑的方式探索事物。前者会对自然科学与数学感兴趣。他们如果没有变成科学家，那是因为教育背景的关系。如果他们选择科学教育，那是因为科学教育可以满足他们的科学心智。后者会对人文学科感兴趣。他们如果没有人文素养，那是因为教育背景的关系。他们如果选择了人文教育，那是因为人文教育可以满足他们的人文心智。

由于这两种人都很聪明，所以彼此都不难了解对方在研究什么东西。然而，我却发现这两种人在交流上有一个大问题。我的物理学家朋友曾经有很多次想向我说明物理学的概念。尽管每次他讲得口干舌燥，但我听完后依然感到抽象、深奥而难以掌握。可是等我了解了，我却又很惊讶地发现那概念其实是很简单的。反过来说，有时候我也尝试着向我的物理学家朋友解释一些概念。尽管我用的概念似乎还是模糊不清，缺乏准确度，但在我看来，我已竭尽全力将我所说的清晰地叙述了出来。所以我希望这是一本有用的“翻译”，帮助那些（像我一样）没有科学细胞的人，了解理论物理学里所发生的种种非凡的过程。当然，这本翻译和其他翻译一样，不比原作好。这原因在于翻译者的不足。但是，不论是好是坏，我担任翻译者的第一个资格，就是我不是物理学家（和你一样）。

为了补足我物理教育（以及人文教育）的不足，我要求并且得到了一群优秀物理学家的协助，本书的“后记”里面提到了他们的大名。其中有四位读过全部的原稿，其余的看了部分的原稿。我每完成一章，就把原稿寄给他们每一位，请他们看看观念与事实上有没有错误。

一开始的时候，我原来只希望利用他们的批评来改正内容。可是，我很快就发现他们对这一份稿子的关切已经超过我原先的期待。他们的批评不但体贴、透彻，总合起来还可以成为一份很重要的数据。我越是读这些资料，就越觉得必须与你们分享。所以，除了修正内容，我还把这些数据加在注释里面，以免与正文重复。一些会使正文变得太过专业，或者与正文不一致，或者与他人的评论不一致的评论，我都特别放在注释里面。这些评论如果放在正文，会使本书变得复杂、冗长。但是放在注释里，我就可以将这些观念包括在本书之内。本书从头到尾，凡是初次用到一些词汇，没有不在之前或之后立即加以说明的。但是注释里面我们没有这样做。这样，就给了注释完全自由的表达。当然，这也就是说，注释里面有一些词汇是完全不解释的。内文尊重你在这个庞大而令人激奋的领域新来乍到的身份，可是注释并不。

然而，如果你读了这些注释，你会听到当今全世界最好的四个物理学家对这本书所说的话。这个机会难得。这些注释强调、说明、解释、刺激正文所有的一切。难以描述的是，这些注释表现出一种咄咄逼人的精准。科学家修正他们的同行著作上的瑕疵时，即使他们的同行没有受过训练（譬如我），即使著作并非专业的（譬如本书），仍然追求这种咄咄逼人的精准。

本书所说的“新物理学”一词，指的是量子论与相对论。量子论从1900年普朗克的量子理论开始；相对论从1905年爱因斯坦的狭义相对论开始。至于旧物理学，指的是牛顿的物理学。那是他三百年前建立的。“古典物理学”指的是“解释实相的方式总要使物理相的每一个元素，在理论里都有一个元素与之对应的物理学”。所以，古典物理学包括牛顿物理学与相对论。因为这两者都是以这样一对一的方式结构起来的。可是量子力学不然。这也是量子力学之所以独特的原因。这一点我们以后会讨论到。

读这本书的时候，请你对自己温柔一点。本书所说的故事很多都是丰富而样貌多变的，全部都是迷惑人的东西。读这本书好像读《战争与和平》《罪与罚》《悲惨世界》一样，没有办法一次学尽里面的东西。我建议你是为了让自己愉快才读这本书，而不是为了学里面的东西。本书前有目录，后有索引，所以你大可自由翻阅，对哪一个题目有兴趣，就读哪一个。此外，如果你让自己享受这本书，可能比决心在里面学东西记得还要多。

最后一点，本书并非讨论物理学与东方哲学的书。本书里面，“物理”这个诗意的架构确实有助于这样的比拟，可是本书讨论的却是量子物理学与相对论。未来我希望能够写一本书专门讨论物理学与佛教。但是，若以“物理”这个东方意味的观点看，我这本书确实已经包含了东方哲学与物理学的相近之处。这些相近之处对我而言，很明白，很重要。但我总得顺便提一下，以免造成各位的损失。

祝

读书快乐！

盖瑞·祖卡夫

于旧金山

科学的基本观念本质上大都很简单，通常都可以用人人皆知的语言来表达。

——爱因斯坦（注一）

用普通语言来说明事物，即使是对物理学家而言亦是观察理解程度的指标。

——海森伯（注二）

长期而言，如果你没有办法使大家了解你在干什么，那么你做的事就没有价值。

——薛定谔（注三）

部一
物理
（导言）

第1章
大苏尔的大礼拜

物理

每当我告诉朋友我在研究物理学时，他们都会摇摇头，说：“哇！真难。”大家对“物理学”这门学科普遍都有这样的反应。物理学家在做什么和大家认为他们在做什么之间，就是横亘着这一道墙。两者之间差距很大。

这种情形有一部分要怪物理学家自己。如果你不是物理学家或希腊人，那么你听他们的行话就会像是在听希腊语。虽然他们对一般人说的是英语，可一旦被问及他们在做什么时，他们听起来又像是科孚人在说话了 [1] 。

可是在另一方面，这种情形一部分也要怪我们。大致上说来，我们已经不再想去了解物理学家（还有生物学家等）到底在做什么。这样我们就害了自己。这些人从事的，其实是非常有意思的历险，不会那么难理解的。不错，有时候，一讲到他们“如何”做事，的确就要惹来一场专业说明。如果你不是专家，这一场说明就要使你酣睡。可是，物理学家做的事其实很简单。他们寻思宇宙是什么东西做成的，如何运作，我们在宇宙中做什么，如果宇宙要往某处去，那么会是哪里。简单地说，他们做的事情与我们夜晚仰望星星没有两样。每当星星满天的晚上，我们抬头看见浩瀚的宇宙，心里就会感到震慑，但同时又知道自己也是其中的一部分。物理学家就是做这种事。这些聪明的家伙做这种事而且还有报酬。

不过，不幸的是，大部分人一想到“物理学”，就联想到一面黑板，上面写满了不知名的数学不可解的符号。事实上，物理学并非就是数学。在本质上，物理学只是单纯地对事物的情状感到惊奇，只是种对事物为何如此这般（有的人说是不得不然）的兴趣。数学是物理学的“工具”。除去数学，物理学纯然只是法术。

杰克·萨法提（Jack Sarfatti）是物理与意识研究会的物理学指导。我常常跟他谈起写这样一本书的可能——没有术语和数学的牵累，而仍然能够表达那些推动现代物理学的、令人心动的发现。所以，当他请我参加他与迈克尔·墨菲（Michael Murphy）在伊莎兰研究所策划的物理学会议时，我就接受了。我接受是因为我心里有一个目的。

伊莎兰研究所（这是学一个印第安部落的名字）在北加州。北加州海岸是力与美奇异的结合。其中，大苏尔（Big Sur）和圣路易斯-奥比斯波（San Luis Obispo）之间的太平洋海岸公路更是无出其右。从大苏尔向南，伊莎兰研究所位于这条公路约半小时的路程之上；一边是公路和海岸山脉，一边是崎峻的悬崖，俯瞰太平洋。一条河流从其间蜿蜒流过，隔开了北边的三分之一和南边的三分之二。北边的这一边有一幢大房子（就叫作“大房子”），那是会员聚会和客人落脚的地方。旁边另有一栋小房子，是迪克·普莱斯（Dick Price，与墨菲同为伊莎兰的创办人）一家人住的地方。南边的这一间房子是做饭、开会、职员与宾客住宿、洗热温泉的地方。

在伊莎兰吃晚餐是一种多维度的经验。烛光、有机食物、一种有感染力的自然气氛，这种种元素便是伊莎兰经验的精华。有两个人正在吃饭，我和萨法提加入了他们的谈话。这两个人一个是大卫·芬克斯坦，叶史瓦大学（Yeshiva University，在纽约）的物理学家；另一个是艾尔·忠良·黄 [2] ，他是太极拳师傅，在伊莎兰开办了一家工作室。这样的伙伴再好也没有了。

我们的话题很快就转到物理学上面。

“我在台湾学physics，”黄说，“我们叫作物理，意思是‘有机能的各种形态’。”

这个观念立刻吸引了饭桌上的每一个人。

这个观念在餐厅内渗透，心灵的光一盏一盏地亮了。“物理”不只诗意而已。这个会议若是要给物理学下什么定义，这个就是最好的了。这个定义掌握到一种东西，一种我们想用一本书来表达的活生生的质素。没有这种东西，物理学将成为枯燥乏味的东西。

“让我们来写一本物理的书！”我听到自己大声叫着，观念和能量立刻开始流动，我以前所做的种种计划一下子就从窗外飞走了。现在，从能量聚集的地方出现了一番景象，那是物理师傅在跳舞。此后的几天以及离开伊莎兰以后，我们就一直在寻找到底物理师傅是什么东西，他们又为什么要跳舞。我们又兴奋又肯定地感觉到我们已经找到了一个通道；关于物理学，我们想说的事情在这个通道里将要顺畅地流动。

汉语和英语

中文和西方语言不一样，不用字母。中文每一个字都用图案写成，这些图案都是线条画。（有时两个或两个以上的图案并合，又构成不同的意思。）所以中文很难翻译成英文。翻译者必须又是诗人，又是语言学家，才可能翻译得好。

譬如说，“物”可以是“物”，也可以是“能”，“理”就非常诗意。“理”的意思是“全面的秩序”或“全面的法则”，但“理”又指“有机形态”。木纹是理，树叶表面上的有机形态是理，玫瑰花瓣的质地也是理。简言之，physics的中文“物理”意思就是“有机能的各种形态”（“物/能”+“全面的秩序/有机形态”）。这真是不凡；因为中文“物理”反映了一种世界观。建立西方科学的诸位人士（伽利略和牛顿）不会了解这种世界观，可是20世纪但凡重要的物理学理论却都指向这样的世界观。问题已经是“他们是怎么知道的”，不再是“他们是否还有所不知”。

英文几乎怎么念意思都不会变。我一直到大学毕业五年，才知道“Consummate”当形容词用的时候，重音在第二音节，念成“Con-SUM-mate”（意指“使臻至最高程度，使完善”）。想到自己以前常常说什么“CONsummatelinguists”（完美的语言学家）、“CONsummatescholars”（完美的学者）等，我就懊恼。那个时候好像都有人忍着不笑出来。我后来才知道这种人都是读字典的。可是我的烂发音并不曾使别人听不懂我的话。因为，在英文里，一个字的音调变化并不会改变这个字的意思。“NO”音调上扬（“no？”），音调下降（“no！”），音调不变（“no…”）—根据字典上说——意思都是“否定、拒绝、反对”。

可是中文不然。中文大部分都是一个音节有好几种音调 [3] 。音调不一样，就是不一样的字，写法就不一样，就有它自己的意思。因此，一个音节以各种音调发音，在生疏的西方人听起来，是很难分辨的。但是对中国人而言，这种种的音调却构成明确的字，各有笔画和意思。可是英文是一种无调语言，所以中文若是译成英文，笔画虽然不同，在英文里写法和发音却可能都一样。

譬如说，中文有八个以上的字，在英文里拼法和写法都是“Wu”。黄忠良拣出五个“Wu”，每一个都接上“理”（Li），变成五个“Wu Li”。

第一个Wu Li意指“各种形态的有机能”。这就是中文所说的“物理”（“物”指“物”或“能”）。

第二个Wu Li意指“吾理”（“吾”指“我”或“我的”）。

第三个Wu Li意指“无理”（“无”指“空”或“无有”）。

第四个Wu Li意指“握理”（“握”指“手作拳状”或“卷手持物”）。 [4]

第五个Wu Li意指“悟理”（“悟”指“领悟”或“我的心”）。

如果我们站在纺织师傅的后面看他纺织，那么，我们最先看到的并不是布，而是各种颜色的丝线。他用专家的眼光拣取这些丝线，引入梭子里面，然后开始编织。这时我们就会看到丝线开始密合交织，出现了一块布。等一下，布上面还有图案！

准此，黄忠良以这样的方式，在他的认识论织布机上织出了这样一张美丽的缀锦：

PHYSICS=Wu Li

Wu Li=Patterns of Organic Energy

Wu Li=My Way

Wu Li=Nonsense

Wu Li=I Clutch My Ideas

Wu Li=Enlightenment

对于这样一个丰富的比喻，引起会议中的物理学家们的共鸣。现在，我们终于找到呈现高等物理学根本要素的载体了。会议的一个礼拜将要结束的时候，伊莎兰的每一个人都在谈“物理”。

一边发生这些事情，一边我就去找“师傅”的意思。翻字典没有用。字典找得到的定义都意味着“控制”；这跟我们“跳舞的物理师傅”的意象不合。这一来，因为黄忠良是太极拳师傅，我就跑去问他。

“人家用这两个字来叫我。”他说。对黄忠良而言，黄忠良就是黄忠良，没有别的东西。

那个礼拜几天以后，我又跑去问他，心里希望这一次能得到足以琢磨的答案。

这一次我得到的答案是：“师傅就是比你先开始的人。”

物理师傅

我的西方式教育使我没办法接受这样一个非定义的定义。所以，我就去找他的书来看。他的书，书名叫《抱虎归山》（Embrace Tiger ，Return to Mountain ），是阿兰·瓦兹 [5] 写的序。序里面有一段话讲到黄忠良。我就在这段话里面找到了我要的东西。阿兰·瓦兹说：

他从中心下手，不从边缘下手。这种技艺，他先传授一种基本原理，然后才论及细节。他不愿意太极拳变成一二三四、二二三四的运动，使学生变成机器人。传统上……都是用背诵教学。这给人一种印象，以为学太极拳主要的部分很无聊。在这种方式之下，学生可能年复一年不知道自己在做什么。（注一）

这就是我要找的“师傅”的定义。师傅教的是精华。精华懂了，他才教一些必要的东西来扩大这一种了解。他要等到学生对花瓣落地感到惊奇，才讲起重力。要等到学生说：“好奇怪！两个石头同时往下丢，一个轻，一个重，却同时落地！”才讲到一些定律。要等到学生说：“应该有一种比较简单的方法来表达这一点。”才讲到数学。

物理师傅就是这样与他的学生共舞。物理师傅什么都没教，可是学生却学到了东西。物理师傅总是从中心着手，从事物的“心”开始。我们这本书就是采用这种方式。有一些人深具慧心，他们想了解高等物理学，可是不懂物理学术语，有时甚至不懂物理数学。这本书就是为这样的人写的。《像物理学家一样思考》是一本精华之书——量子力学、量子逻辑、广义相对论、狭义相对论的精华，外加一些指明物理学未来走向的新观念。当然，未来怎么走又有谁知道？我们只知道我们今天想的事情明天就会成为过去。所以，本书处理的不是知识。知识素来即是过去式。本书处理的是想象力。这个想象力即是物理，即是物理学的复活。

最伟大的物理学家阿尔伯特·爱因斯坦就是一个物理师傅。1938年，他说：

物理学的观念乃是人类心灵自由创造出来的。不论多像，都不是由外在世界一手决定的。我们努力地去了解实相，可是我们这种努力就像一个人想了解密闭的手表里面的机械结构一样。我们看得到表面、时针、分针，我们还听见了里面的嘀嗒声。可是我们打不开表壳。如果我们很有天分，我们可能构想出一幅机械画面，其中的机械就负责他所观察到的那些东西的运转。可是他永远也不会知道他的机械是不是唯一的。他永远也没有机会把他的机械与真正的机械做个比较，他甚至无法想象这种比较可能产生什么意义。（注二）

大部分人都认为物理学家是在解释这个世界。有的物理学家也自认为是这样。可是，物理师傅知道，他们只是在和世界共舞。

我问黄如何设计课程。

“每一课都是第一课，”他告诉我，“我们每一次打拳，都是第一次。”

“但是你当然不是每一课都重新开始，”我说，“第二课必然要以第一课为基础，第三课必然以第一课和第二课为基础，依此类推。”

“我说每一课都是第一课，”他说，“意思并不是我们忘了第一课学到的东西，而是，我们做的事情永远都是新的，因为我们永远都是第一次做这件事情。”

这又是师傅的另一个特征了。师傅不管做什么事情，都是用第一次的热忱做。这就是他那无限的精力的泉源。他教（或者学）的每一课都是第一课。他每一次跳舞，都是第一次跳舞；永远都是新的，有个人风格的，活的。

前哥伦比亚大学物理系主任、诺贝尔物理学奖得主伊西多·拉比（Isidor I.Rabi）说：

学生做实验的智力内涵……也就是开创新领域的创意和能力……我们教得不够深入……我个人的看法是这种事你要自己来。你之所以做实验是因为你的哲学使你想要知道答案。生命太短，不能因为别人说一件事很重要就去做。这样也太辛苦了。你必须自己去感觉事情……（注三）

不幸的是，大部分的物理学家都不似拉比。事实上，大多数物理学家一辈子都在做别人说是很重要的事。这就是拉比的意思。

这种情况使我们都产生一种误解。对大部分人而言，他们口中的“科学家”事实上是“技师”。技师是受过高度训练的人，他的职业是应用已知的技术和原理，他处理的是已知的事物。科学家则是追寻自然界真实性质的人，他处理的是未知的事物。

简而言之，科学家是发现，而技师则是应用。然而，科学家到底是发现事物还是“创造”事物，事实上已经不再那么清楚。有很多人认为“发现”事实上就是一种创造。如果是这样的话，那么科学家、诗人、画家、作家就不是那么截然有别了。事实上，科学家、诗人、画家、作家可能都是一个族类。这个族类天生有一种才能，能够将我们视为平常的事物用一种新的方式提出，进而打破了我们的划地自限。凡是特别表现了这种才能的人，我们就叫他天才。

大部分的“科学家”其实只是技师。这是事实。根本上新的事物他们没有兴趣。他们的视野比较狭窄。他们的精力都用在将已知事物应用出来。他们往往把鼻子埋在一棵树的树皮上，所以很难跟他们讨论树林。神秘的氢光谱实验就很能说明科学家和技师的不同。

白光，譬如太阳光，照进三棱镜里面以后，就会产生一种最美丽的现象，那就是，从棱镜另外一边出来的，不是白光，而是所有彩虹的颜色：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。这是因为白光原本就是由这些色彩构成的缘故。白光是一种组成物，可是红光就只含有红光，绿光只含绿光，依此类推。三百年前，牛顿就在他的名著《光学》（Optiks ）里面论及这种现象。这一种色彩的铺陈叫作白光谱。我们若是对白光谱做光谱分析，就会现出一个完整的光谱。因为，凡是我们的眼睛看得到的色彩，白光都有（有一些我们看不到的，譬如红外线、紫外线，白光也有）。

钠光谱

可是，并不是每一次光谱分析都会产生完整的光谱。譬如，假设我们拿化学元素钠，使它发光，然后照到棱镜里面。这个时候，我们得到的就只有一部分的光谱。

假设有一个暗室，里面有一个物体。此时如果我们看得到这个物体，这个物体就是在发光。譬如说，如果这个物体看来是红色的，那么它就是在发红光。光，是由“激动”的物体发出来的。所谓刺激钠，意思并不是说给它Super Bowl [6] 的入场券。刺激钠意思是为它加一点能量，其中一个方法就是加热。我们将激动的（白热的）钠放出来的光照到棱镜或分光器里面，这时我们得到的就不是白光全部的色彩，而是其中的一部分。就钠而言，我们得到的是两条细细的黄光。

我们也可以反过来将白光对着钠气照射，从而产生钠光谱的反面景象。我们可以从这个反面景象看到钠气吸收了白光的哪些部分。白光通过钠气，再通过分光器以后，还是会产生全部彩虹的颜色，只是少了白热的钠所发出的两条黄光。

这两种方式不论是哪一种，钠光谱的形态都很明确。可以是在原本完整的光谱上只由黑线构成，也可以是只由色线构成而没有其他部分。但不论是哪一种情形，形态永远一样。 [7] 这一个形态就是钠元素的指纹。每一种元素发出（或吸收）的颜色都是一定的，同理，每一种元素的分光形态也是一定的，永远不变。

氢是最简单的元素。氢“好像”只有两个组成部分，其一是一个质子，带正电；另一是一个电子，带负电。我们只能说“好像”，因为从来没有人看过氢原子。如果有氢原子存在，那么一个针尖上就有几百万个。氢原子这么小是计算出来的。所谓“氢原子”，是一种“手表内部”的思维。我们只能说，唯有假设这种实体存在，才能够圆满地解释我们观察到的一些现象；如若不然就很难解释，并且无法摒除“魔鬼做的”这种解释。这种解释就是有人能够“证明”。（就是因为有这种解释，才促使伽利略、牛顿、笛卡儿创造了如今成为现代科学的那些学说。）

物理学家一度认为原子是这样构成的：原子的中心是核子，恰如太阳系的中心是太阳一样。原子的质量绝大部分都在核子，其中包含带正电的粒子（质子），以及大小差不多但不带电的粒子（中子）。（各种元素里面只有氢核子没有中子）好像行星绕日一样环绕核子的是电子。电子若与核子比较，几乎等于没有质量。每一个电子都带有负电。电子的数量又与质子相等，所以正电和负电彼此抵消。因此整个原子是不带电的。

这个用太阳系来比拟原子的模型是卢瑟福（Ernest Rutherford）在1911年创立的。可是这个模型的问题，在于电子与原子核的距离事实上比行星和太阳之间大很多。用卢瑟福的话来说，如果拿原子与原子里面的粒子（绝大部分都在核子上面）相比，那么原子所占的空间实在太大了，环绕核子的电子相形之下，“好像大教堂里的苍蝇”。

这一幅熟悉的原子图画我们大部分人都是在学校里学的，通常还是强迫的。不幸的是这一幅图画已经过时，所以你忘了算了。当今的物理学家如何设想原子我们以后再讨论。此地要说的是，这个行星模型如今虽然已经过时，却是因为有这个模型做背景，我们才解决了一个最难的问题。以下我们就说明这件事。

氢是最简单的元素，可是氢光谱的光线就有一百条以上！其他元素当然就更多了。我们若将氢气光照到分光器里面，我们将得到依一定形态排列的一百多条色线。 [8] 问题在于：“氢原子这么简单的东西，只有一个质子与一个电子两个组件，为什么竟然产生这么复杂的光谱？”

关于光，有一种想法认为光是一种波，从而认为每一种色彩就像声音一样，频率都不一样。声音也是波，不同的声音频率就不一样。德国物理学家索末菲（Arnold Sommerfield）本身钢琴弹得很好。有一次他开玩笑地说，氢原子既然能够发生一百种以上的频率，那么必定比钢琴还要复杂！因为钢琴只能发生88种频率。

玻尔的原子模型

1913年，丹麦物理学家玻尔（Niels Bohr）提出了一个非常合理的学说，使他得到了诺贝尔奖 [9] 。他的学说跟物理学上的大部分观念一样，基本上是很简单的。玻尔不从“理论上已知”的原子结构着手。他从他“真正知道”的着手，也就是说从原始的分光资料着手。玻尔推测，电子与原子核的距离并非随随便便，而是有一定的轨道，或者说有一定的“外壳”。这些外壳（理论上数量无限）与原子核之间都有一定距离，每一个都带有一定数量的电子，不会超过。

假设一个原子的电子数量已经超过第一层外壳能够容纳的数量，超过的就会挤到第二层。如果原子的电子数超过第一层和第二层外壳能够容纳的数量，超过的就会被挤到第三层；依此类推：

外壳层　1　2　3　4　5　……

电子数　2　8　18　32　50　……

玻尔这里的数字是依照氢原子计算出来的。氢原子只有一个电子；所以，依照他的理论，这个电子与原子核将一直维持最近的距离。换句话说，这个电子会一直在第一层外壳上面。这就是氢原子的最低能量状态。不论是哪一种原子，其最低能量状态物理学上都叫作“基态”。氢原子如果受到刺激，它的电子就会跳到外壳上来。跳到第几层，跳多远，要看我们加给它多少能量而定。原子只要确实加热了（热能），它的电子就会跳得很远，一直跳到某一层外壳上面。能量越小，跳的距离越小。然而，这个电子（只要不再加热）随时都会回到里面的外壳；最后便回到第一层。电子由外面的外壳跳回里面的外壳时会放出能量，这就是光。这个时候，它放出的能量即等于向外跳时吸收的能量。玻尔发现，氢原子回返基态（第一层外壳）一路上所有可能的跳跃方式，其数目即等于氢光谱上色线的数目。

这就是玻尔对这一个“大钢琴”的奥秘著名的解说。假设在氢原子里面，电子只跳跃一次就从外面一路上回到最里面的外壳，那么它就释出某一定数量的能。这在氢光谱上就是一条线。假设电子从外向内小小跳跃一下，那么它就释出某一个小小的能量。这在氢光谱上又是另一条线。如果电子是由第五层回到第三层，这又是另一条线。如果是从第六层回到第四层，再从第四层回到第一层，这就是另外的两条线，依此类推。这样，我们就可以解释整个氢光谱现象了。

换一个方式，假如我们不用热而是用白光刺激氢原子，这样产生的便是我们前面说过的吸收现象。每一个电子由里面的壳向外面的壳跳的时候，所需要的能量都是一定的，不多也不少。由第一层外壳向第二层跳时，需要某一个能量，但也只需要这一个能量。由第五层跳到第七层也是一样，依此类推。电子每次由里面的壳向外面的壳跳所需要的能量都是一定的，不多也不少。

我们用白光照射氢原子的时候，我们给它的是一个备有各种能量的超市。可是它并不能全部都用，只能用其中一定的量。譬如说，如果电子由第一层外壳跳到第四层，它就会从我们给它的包裹之中拿掉其中的一包。它拿掉这一包以后，就会在原本完整的白光谱上形成一条黑线。从第三层跳到第四层是另一条黑线。从第一层跳到第二层，再从第二层跳到第六层，又是另外两条黑线（跳跃的方式各式各样）。

总归一句话，如果我们用白光对着氢气照射，然后再通过棱镜，所得的结果便是我们熟悉的白光谱，只不过上面有一百条以上的黑线罢了。这些黑线每一条都对应了氢原子由内往外跳时的某一个能量。

白光谱上面这些黑线构成的形态，正好就是我们将氢气光直接照到棱镜上所得到的形态——只是黑线换成了色线，而其余部分则完全消失。当然，这些色线都是电子回返内层外壳时造成的。在这个过程中，电子释出的能量即等于它最初往外跳时所吸收的能量。玻尔的理论使物理学家得以计算出氢原子发光的频率。这样计算出来的数字与实际观察的情形一致。大钢琴的奥秘就这样解决了！

玻尔于1913年发表这个理论。不久，一群物理学家就把这个理论应用在其他元素上面。在电子数很多的原子，这种计算过程是很复杂的。而且，关于原子现象的性质，物理学家的问题并没有因此完全得到解答。可是，物理学家却由这个工作得到了许多知识。

就像这样，这些应用玻尔的理论，甚至做进一步发展的物理学家，大部分都是“技师”。玻尔则是“科学家”，是新物理学家的创始人。

但是，这并不是说技师不重要。技师与科学家形成一种合作关系。玻尔如果没有充分的分光数据任他使用，就不可能构成他的理论。这些分光资料，都是实验室里无数工作累积的结果。此外，以玻尔一个人的力量亦不足以进一步充实他的理论。技师将他的理论应用在其他元素上，因而为他做了这件工作。技师是科学界里面很重要的人，然而，因为我们这本书讲的是物理师傅，而不是技师，所以从现在开始，我们凡是讲到“物理学家”，指的都是兼为科学家的物理学家；换句话说，就是那些不为“已知”事物所限的人或物理学家。就我们对物理师傅有限的了解而言，物理师傅就是从这些人里面出来的。

凡是讨论物理学的书都有一些无法克服的难题。第一，要讲的东西太多，就算是写20本都写不完。而且，每一年出版的“新”材料也很多，所以即使是物理学家也都没办法与整个物理学领域齐头并进。我们最多只能在阅读上“节食”，在某一方面跟上潮流而已。相对于本书收入的材料而言，没有收入的当然更多。关于物理学，不管你学了多少，总是有一些“新”的你不知道。物理学家同样有这个问题。

第二，如果没有数学，想要完全了解物理学是不可能的。然而，我们这本书却没有数学。数学是一种高度结构的思考方式，物理学家用这种方式来看世界。有一种说法，物理学家将这个结构强加在自己所看的事物之上；另外一种看法则说，世界只有透过这个结构呈现才最完整。然而，不管前者还是后者，数学都是物理学最简洁的表达。可是，大部分物理学家只要没有数学就没有办法把物理学说清楚。数学固然使他们简洁，可是也使他们难以捉摸。这就是我们要写《像物理学家一样思考》的原因。我们大部分都是用文字来说明事情，这终究是一个事实。

然而，我们必须记住，不管是数学还是英文 [10] ，都是语言，这一点很重要。因为，语言用于传达资讯是很有用的工具，可是如果用来传达经验，就没有用。语言只能“谈”经验。物理师傅知道经验的说明只是说明，不是经验。“说明”只是“谈”经验。

这样说来，这本书讲既然只是“关于”物理，所以容纳的也就只有一些说明。这本书无法容纳经验。可是这并不是说读这本书无法得到物理经验，而是说如果你得到了，那是因为你自己，而不是因为这本书。譬如说，量子力学告诉我们，我们并不如我们以为的那样与世间万物隔开。粒子物理学则告诉我们，“世间万物”并不是呆呆地坐在那里，什么事都不做。世间万物是一个灿烂的领域，不断地在创造、转化、消灭。我们如果能够全盘掌握新物理学的种种观念，就会得到不平凡的“经验”。譬如说，研究相对论，我们会知道时间和空间不过是一种心灵的建构。这就是不凡的经验！这种种经验每一个都会造成我们重大的改变，使我们不再像以前一样看世界万物。

物理学没有单独一项的经验，因为物理学的经验一直在变。相对论与量子力学虽然普遍不为非物理学家所知，可是也已经半个世纪了。今天，整个物理学界都因预期而震动，整个气氛非常兴奋。物理学家都感觉到激烈的变化即将到来。大家都认为，不久的将来我们将看到新理论进场，与旧理论相合，就我们的宇宙赋予我们一个更大的观点，最后扩大我们对自己的看法。

物理师傅就在这一切当中活动。这样跳着，那样跳着。有时候跟着重节奏，有时候轻快而优雅，永远自在地流动。有时候他们变成舞蹈，有时候舞蹈变成他们。千万不要把他们跳哪一种舞和他们跳舞这一件事混为一谈——这是物理师傅吩咐的。

第2章
爱因斯坦不喜欢

新物理学与旧物理学

量子力学指的并不是有人在量子先生的车房修汽车。量子力学是物理学的一个分支。物理学有很多分支。不过，大部分物理学家都相信，他们终有一天会建立一个全面的观点，来融合物理学所有的分支。

按照这个看法，原则上，我们终将发展一个理论来说明一切事物；而且说明得太好了，到最后终于再也没有东西好说明。当然，这并不意味我们的说明必然反映了事物真正的情形。一如爱因斯坦所说，我们还是打不开这个手表。不过，真实世界（手表内部）的每一件事情，到最后将由我们最终的超理论一个前后一致的要素来解说。我们最后将会有一个理论，内部一致，而且一切观察得到的现象都能解释。爱因斯坦说这种情形是“知识的理想极限”（ideal limit of knowledge）。（注一）

这种想法一头撞进量子力学，仿如汽车一头撞进大家都知道的一道墙一样。对于量子力学的发展，爱因斯坦本人就有极大的贡献，可是他却用了大半生的时间来反对。为什么？问这个问题好比站在深渊边缘，脚下仍然是牛顿物理学坚固的土地，可是眼睛看到的深渊底下却是一片虚空。我们要大胆地跃入其中的新物理学，才能回答这个问题。

量子物理学在20世纪初硬闯舞台。物理学会议从来没有一次决议要分出一支物理学叫作“量子力学”。但是这件事任何人都没有选择的余地。要有的话，或许就是怎么叫它。

“量子”就是东西的量，并且这个量都有一定数量。“力学”研究的是运动。所以，量子力学研究的是量的运动。量子论说，大自然事物是以微量片段进行的（这些一定的微量是为quanta），量子力学就是研究这个现象的。

量子力学并没有取代牛顿物理学，而是包含了牛顿物理学。牛顿物理学在它本身的限度之内仍然有效。在钱币的一面，我们可以说我们对自然界有了重大的发现；可是换到另一面，我们也可以说我们是发现了以前的理论的限度。我们发现，我们素来看自然界的方法不够大，不足以解释我们观察到的一切现象。所以我们不得不发展一个比较具有包容力的观点。爱因斯坦说：

……创造新理论不是拆掉旧谷仓，就地盖起摩天大楼。创造新理论像爬山。一方面视野越来越大，越来越新，一方面又发现我们的起点与它四周繁杂的环境有原先预想不到的关系。可是我们的起点还在，还看得见，只是越来越小。我们冒险往上，除去障碍之后得到了一个广大的视野。我们的起点在这个广大视野中变成了一个小小的部分。（注二）

牛顿物理学用在大规模的现象上仍然适用，可是用在亚原子领域之内就失效了。亚原子领域是看不见的宇宙。我们四周一切事物的“纤维”（结构）即是由这些小宇宙构成，这些小宇宙隐藏其下，着床其上。量子力学即是研究亚原子领域的结果。

牛顿物理学

牛顿的时代（17世纪后期），亚原子领域完全只是一种思维。“原子是建造自然界的积木，无可分割”的观念，早在公元前大约四百年就有人提出，可是一直到18世纪后期却仍然还是观念。之后，物理学家发展出观察原子现象的技术，这才“证明”了原子的存在。当然，他们证明的其实只是一件事，那就是，原子的存在虽然只是理论，却最能够说明当时的人做出来的实验资料。此外，他们又证明原子并非不可分割；原子本身由更小的粒子构成。这些粒子就是电子、质子、中子等。物理学家给这些粒子标上“基本粒子”的名称；因为，他们相信他们终于找到了建筑宇宙最终的积木。

基本粒子论是古希腊一个观念最新的翻版。让我们想象一个完全用砖块砌成的大城市。这个城市的房子有大有小，有各种样子。每一栋房子，每一条街道所用的砖块就是那几种。我们只要用“宇宙”代替“城市”，用“粒子”代替“砖块”，我们得到的就是基本粒子理论。

但是，基本粒子的研究，却把（对物理学家而言）最具破坏性的发现送到物理学家面前，这个发现就是，牛顿物理学在极小事物领域之内无效！这个天摇地动的发现一直到今天还在改变我们的世界观。量子力学实验一再产生的结果，牛顿物理学事先既无法预测，事后又无法说明。然而，牛顿物理学虽然无法解说微观领域的现象，可是（虽然宏观由微观组成）对于宏观现象却一直解说得很好！这一点可能是人类在科学上最深刻的经验。

牛顿的法则以日常生活的观察为基础。量子力学以亚原子领域的实验为基础。牛顿的法则预测的是事件。这些事件事关棒球、脚踏车等实际事物。量子力学预测的是或然率。或然率事关亚原子现象。我们没有办法直接观察亚原子现象。我们的感官无法察觉这种现象。我们不但从来没有看过原子（更别说电子），也没有摸过、听过、闻过、尝过。 [11]

牛顿的法则描述的事件非常简单，容易了解，容易想象。量子力学描述的或然率却无法形成概念，难以用视觉想象。因此，要了解这种现象，我们需要的方法虽然不一定要比我们平常了解事物的方法艰深，可是一定要不一样。读者切切不要企图在心里想出完整的量子力学事件。（物理学家确实曾经想出部分的图像，可是这些图像是否有价值却有疑问。）读者要做的是敞开思想，完全不用视觉想象任何东西。量于力学的创始人海森伯（Werner Heisenberg）说：

以数学建构的量子论法则很清楚地告诉我们，我们平常的直觉概念无法应用在最小粒子之上而毫无疑义。我们用来说明平常物体，譬如位置、速度、颜色、大小等，的文字或概念一旦用在基本粒子上，就不明确，就有问题。（注三）

一般人以为，我们只有在脑筋里对事物有一个图像，才算了解事物。可是这是牛顿一派看待世间万物方式的副产品。我们如果想要超越牛顿，就要先超越这个观念。

牛顿对科学有很伟大的贡献。第一个是运动定律。牛顿说，假设有一个物体依直线前进，那么，除非有一样东西（一个“力”）在其上作用，否则这个物体将永远依直线前进。而若有外力作用，这个物体的方向和速率将按照这个力的幅度与方向而改变。除此之外，每一个作用力都同时产生一个相等而相对的反作用力。

今天凡是学过物理学还是泡过撞球场的人都很熟悉这些概念。但是，如果我们能够设想到三百年前，我们就会知道这些概念有多么不凡。

第一，牛顿的第一运动定律违反了当时公认的权威——亚里士多德的看法。按照亚里士多德的看法，运动的物体总有一个自然的倾向要回归静止状态。

第二，牛顿的运动定律说明的事件在17世纪是无法观察的。牛顿当时必然只能观察日常生活。而日常生活里面，运动的物体到最后总是回归静止状态。这是因为摩擦的关系。譬如，如果我们推动一部车子，这部车子会与它身上通过的空气摩擦，与轮子碾过的地面摩擦，与轮子环绕的轮轴摩擦。所以，这部车子除非一直在下坡路上走，否则早晚会静止下来。我们尽可以把这部车子做成流线型，给轮子加润滑油，行走平滑的路面，但这一切只是减少摩擦而已；车子终究还是会停下来，并且显然是自己停下来的。

牛顿当然没有机会看到太空人在太空中活动的影片，不过他的运动定律早就预测了太空人在太空中运动的情形。假设太空人手中有一支铅笔，那么如果他把这支铅笔放掉，这支铅笔会停在原地不动。推一下，铅笔便往推的方向一直前进，一直到碰到墙壁为止。如果没有墙，那么，原则上铅笔将一直前进——一直前进。（这时太空人一边也会往反方向运动，但是因为他的质量比较大，所以比较慢。）

第三，牛顿的前提是“Hypotheses non fingo”（我不杜撰假说）。他的意思是，他的定理是依据扎实的实验证据建立的。他说的一切是否成立，他自己的规范是，任何人都可以重复他的实验并且得到相同的结果。可以由实验证明的，就是真的；不能由实验证明的，就是可疑的。

对于这个立场，至少教会是鄙视的。因为教会1500年来所说的事情都是无法用实验证明的。所以牛顿的物理学实际上对教会的势力直接构成了挑战。（牛顿发现他的定理的时候，教会的势力早已受到马丁·路德的挑战。牛顿本人非常虔诚，教会的论点亦不在那些实验的方法，而是在于牛顿的观念发展出来的神学结论。这个结论必然涉及上帝是创世者，或者是人居于创造的主要地位的问题。）当时的教会势力非常大。宗教法庭曾经逮捕伽利略。因为，他宣称地球绕日而行，并且又由这个想法推衍出令人难以忍受的神学思想。宗教法庭强迫他撤销他的看法，否则便要监禁他，甚至不只如此。牛顿是在这以后不久出生的。这件事使很多人感受极为深刻，其中一个便是现代科学的另一个创立者——法国人笛卡儿。

一部大机器

17世纪30年代，笛卡儿到凡尔赛宫的皇家花园游玩。皇家花园当时以复杂的自动机器闻名。花园里的水流动的时候，就有音乐响起；接着海精灵跑出来玩耍，巨大的海神举着三叉戟凶猛地前进。不论这之前笛卡儿心中是否已经存有这个观念，反正后来“宇宙及其中的一切都是自动机”已经成为笛卡儿的哲学。这个哲学，他用数学来支持。从他的时代到20世纪初，很可能就是因为他，我们的祖先便开始认为宇宙是一部大机器。三百年来，他们发展的科学就是要了解这部大机器怎么运作。以上是牛顿对科学的第一个贡献。

牛顿的第二个贡献就是他的重力定律。重力是非常重大的现象，可是我们却视为当然。譬如说：假设我们手里有一个球，我们只要把球放掉，球就会往下掉到地上。为什么会这样？地又没有升上来把球拉下去，可是球就是拉到地上了。旧物理学无法解释这种现象，遂称之为“超距作用”。对于这种现象，牛顿跟大家一样迷惑。在他著名的《自然哲学的数学原理》（Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ）这本书里面，他说：

……我没有办法从现象里面找到重力的原因；我无法构成假设……但是重力确实存在；这就够了。重力依照我们先前说过的法则作用，并且非常充分地说明了天体所有的运动……（注四）

牛顿清楚地感觉到重力的本质是无法理解的。他写信给古典学者本特利 [12] 说：

一个物体可以不经任何媒介，经过真空，而对远处的另一个物体产生作用，在我看来都觉得太荒谬了，更别说其他人。我相信，他们虽然在哲学上也有思考能力，可是一定都想不到。（注五）

简而言之，远处的作用是知其然，而不知其所以然。

牛顿的看法是，把苹果向下拉的力量，就是使月亮留在轨道上环绕地球、行星留在轨道上环绕太阳的力量。为了考验自己的看法，他用自己的数学计算月亮和行星的运动，然后再和天文学家观察所得比较，两者居然吻合！原来天上的物体和地上的物体都是由一样的法则统御。牛顿阐明了这一点，由此一举甩脱了两者基本上有差异的假定。他建立了一个理性的、天上的力学。素来属于诸神或上帝的识界，如今已在凡人的理解力之内。牛顿的重力定律并没有解说重力（这要等到爱因斯坦的广义相对论），可是确实将重力的种种效应纳入了一个严格的数学公式。

牛顿是第一个发现自然界里面大统一场经验法则的人。他从自然界千变万化的现象汲取一些统合的抽象概念，然后再用数学表达这些概念。就是因为这样，牛顿对我们影响才这么大。他告诉我们，宇宙的现象有一些理性可以理解的结构。他给了我们历史上最有力的工具。在西方，我们已经把这个工具——如果不是明智的——发挥到了极致。结果有正面也有反面，非常可观，对我们的环境造成了巨大的冲击。这个故事就是从牛顿开始的。

中古时代以降，第一个将物理世界量化的是伽利略。从石头掉落到垂吊物（譬如他的教堂里的大吊灯）的摆动等，他测量这一切事物的运动、周期、速度、久暂。笛卡儿发展了很多现代数学里的基本技术，并且将宇宙描绘成一部大机器。牛顿定出了这一部大机器运转的法则。

这些人碰到了经院哲学（scholasticism）的痛处。经院哲学是12到15世纪之间的中古思想体系，本来一直想把“人”摆在舞台中央，或者至少回到舞台上，借此向他（“人”）证明，在一个由不可测的力量统御的世界的里面他不需要是一个旁观者。但是牛顿等人完成的却是相反的主张，这或许是历史上最大的讽刺。麻省理工学院的科学家魏曾邦（Joseph Weizenbaum）论及计算机的时候说：

科学向人承诺的是力量……可是人一旦屈服于这个承诺的诱惑，后来的代价就是苦役和无力感。力量如果不是自由选择的力量，就等于不是力量。（注六）

为什么会这样？

牛顿的运动定律说明的是运动的物体发生的事。知道了这些运动定律，那么，我们只要知道一个运动物体起初的情形，我们就能够预测它的未来。起初的情况知道得越多，我们的预测就越准确。同样地，我们也可以回溯（在时间上反预测）一个物体过去的历史。譬如说，如果我们知道地球、太阳、月亮现在的位置，就能够预测未来某一个时候地球相对于太阳和月亮的位置。这又使我们预先知道季节、日食月食的时间等。同理，我们也可以反过来计算出过去某一个时候地球相关于太阳和月亮的位置，再过去什么时候曾经发生同样的现象。

没有牛顿物理学，就没有太空计划。探月太空船必须在地球的发射位置与月球的相对登陆地点距离最短的时候准确发射，因为这时太空船飞行的路线最短。但是，地球和月球都在绕轴心自转而又同时在太空中前进。此时，地球、月亮、太空船的运动都要仰赖计算机计算，这时候其中的力学就是牛顿在“自然哲学的数学原理”所提出的力学。

但是，实际上，想要知道事件初始阶段的所有情况是很困难的。譬如说把球向墙上丢再弹回来这个运动好了。这个运动看似简单，其实却复杂得惊人。想要知道这个球什么时候弹落在哪里，别的不说，球的形状、大小、弹性、动量，丢球的角度，空气的密度、压力、温度、湿度等都是必知的要素。丢球的运动是这样，换了更复杂的运动，就更难以得知所有的情况，更难做准确的预测了。然而，按照旧物理学，原则上只要数据足够，我们就能够准确地预测事件如何进行。只是因为实际上这个工作太过庞大，所以我们没办法完成而已。

依据事物现有的知识以及运动定律预测未来的能力，使我们的祖先拥有了前所未有的力量。然而这一切里面却带有一个令人丧气的逻辑。因为，如果自然律决定了事件的未来，那么，过去的某个时候，只要数据足够，显然我们也可以预测现在；而那个时候显然也可以在更早的一个时候预测。一句话，如果我们接受牛顿物理学的机械式决定论，也就是说，如果宇宙真是一部大机器的话，那么宇宙从创造出来开始启动那一刻起，要发生什么事早就已经注定。

根据这个哲学，我们原来好像拥有自己的意志，也有把生活事件的方向改变的能力，可是我们没有。一切——包括“我们拥有自由意志”这个幻觉——从一开始就已经决定。宇宙是早就录好的录音带，播出的方式也是唯一的方式。科学发达以后人的地位比之于发达以前渺小到无足轻重。这部大机器在盲目地运转，其中的一切事物不过只是齿轮。

量子力学的创立人玻尔说：

……在量子力学里面，我们处理的事情并不是要武断地排斥原子现象只是一种详尽的分析，而是要认识这种分析“原则上” [13] 已经遭到排除。（注七）

譬如说，假想有一个物体在太空中运动，这个物体有位置与动量，两者都可以测量——这是旧物理学的例子。（动量是物体大小、速度、方向三者汇合的一个数字。）我们既然可以断定这个物体某时的位置与动量，那么要计算这个物体未来某时在什么地方就不是很难的事了。假设有一架飞机从南向北飞，时速两百里。那么，如果这架飞机不改变方向和速度的话，一个小时以后将在北方两百里处。这是牛顿的物理学。

但是，量子力学令我们大开眼界。量子力学发现牛顿物理学不适于亚原子现象。在亚原子领域之内，我们绝对无法同时知道粒子的位置与动量。我们可以概略地知道，但是，越知道其中之一，就越不知道另一。我们若是精准地知道其中之一，就完全不知道另一。这就是海森伯的不确定原理。不确定原理不管多么难以置信，却是已经实验一再证明的。

当然，想象着一个运动的粒子，却说无法同时测量它的位置与动量，实在令人难以理解。这违背了我们的“常识”。然而，量子力学现象与常识矛盾的不止这一件。事实上，常识的矛盾便是新物理学的核心。这些矛盾一再地告诉我们，世间万物不只是我们以为的那样。

我们既然无法同时知道亚原子粒子的位置和动量，我们能够预测的事情也就不多。所以，相应地，量子力学就不预测也无法预测特定的事件。量子力学预测的是或然率，所谓或然率，是一件事情可能发生或不会发生的机会。量子论预测微观事件或然率的准确度，相当于牛顿物理学预测宏观事件的准确度。

牛顿的物理学说，“如果现在是这样、这样，那么下一步就会那样、那样”。量子力学则说，“如果现在是这样、这样，那么下一步那样、那样的或然率是……（它计算出来的数字）”对于我们“观察”的粒子，我们永远没有办法知道会发生什么事。我们肯定的只是它依某些方式行为的或然率。我们最多只知道这些；因为，牛顿物理计算式不可少的位置与动量这两项数据，我们事实上都无法确切知道。我们只能透过实验，选择其中一项来做精确的测量。

牛顿物理学的课题在于，统御宇宙的法则是理性的理解力可以触及的。我们可以利用这些法则扩展我们对周围环境的知识，并因而扩展我们对于环境的影响力。牛顿本人是教徒。他认为他的定律即是彰显上帝的完美。然而，除此之外，事实上牛顿的定律还使人向理想迈进了一步。牛顿的定律提高了人的尊严，证明了人在宇宙中的重要性。中古时代以后，一种科学的新领域（自然哲学）像清风一般使这种精神复活了。然而，讽刺的是，自然哲学到最后竟然是把人贬到机器齿轮的地位，而这部机器的机能早在制造出来的时候就已经决定。

量子力学与牛顿物理学相反。量子力学告诉我们，我们自以为知道什么东西统御亚原子层次的事件，可是其实不然；量子力学告诉我们，我们绝不可能肯定地预测亚原子现象，我们只能预测它的或然率。

是我们创造了实相吗

然而，在哲学上，量子力学的意义实在令人心智动摇不安。因为，依照量子力学，我们不只是影响实相，而且，在某种程度上，我们还“创造”了实相；因为，我们只能知道粒子的动量与位置两者之一，无法同时知道两者——这是事物的本质——所以我们“必须选择”其中一样来决定。就形而上学而言，这就相当于说，因为是我们选择了其中一项来测量，所以是我们“创造”了它。这种情形换一种说法就是，譬如粒子，因为是我们想测定位置，所以我们才创造了有位置的粒子；如果不先有一样东西占有我们想测定的位置，则我们便无法测定位置。

“我们进行实验以测定粒子的位置之前，粒子是否已经带着位置存在？”“我们进行实验以测定粒子的动量之前，粒子是否已经带着动量存在？”“我们想到粒子，测量粒子之前，粒子是否已经存在？”“我们实验的粒子是不是我们创造出来的？”——量子物理学家思考的是这一类的问题。这种种可能性无论听起来是多么难以置信，却是诸多量子物理学家已经承认的。

普林斯顿的一位著名的物理学家惠勒（John Wheeler）说：

在一种我们尚不熟知的意义上，宇宙是不是参与者的参与“造成”的呢？……参与是关键的行动。量子力学提出的“参与者”是无可争议的概念。这个概念打倒了古典理论的“观察者”。观察者站在厚厚的玻璃墙后面，安然地看着事物进行，不参与其中——量子力学说，这是办不到的。（注八）

这样，西方物理学家的话与东方的神秘主义者就很接近了。

牛顿物理学与量子力学是一对欢喜冤家，彼此捉弄着对方。因为，牛顿物理学根据统御诸现象的法则，以及了解这些法则以后所得到的力量而成立；但是一旦面对宇宙这部大机器，最后却导向人的无力感。量子物理学根据未来现象最少的知识（我们受到限制，只能知道或然率）而成立，但是最后却导向“我们的实相只是我们创造的”的可能性。

客观性的神话

旧物理学与新物理学还有一个基本的差异。旧物理学认为我们之外存有一个外在世界。由此又进一步认为我们可以观察、度量、思考这个外在世界，而且不会因此而改变它。伽利略的历史地位，就是来自他不倦不厌（并且成功）地将外在世界量化（测量）的成就。这个量化的过程本身就有很大的力量。

根据旧物理学，这个外在世界对我们，对我们的种种需要是毫不关心的。譬如落体加速度。我们只要找到其中的一种关系，那么，不管丢的是什么物体，谁丢这个物体，在哪里丢，结果都一样。一个人在意大利得到这一种结果，另一个人一百年后在苏俄也是得到这一种结果。不论是谁做这个实验，是怀疑的人，是相信的人，是好奇的旁观者，结果都一样。

这样的事实使哲学家相信，物理的宇宙完全无视其中的住民，毫不在意地前进，做着它应该做的事。譬如说，如果我们把两个人从同样的高度向下丢，那么，不论他们的重量是否一样，他们都同时落地。事实上，如果把他们两人换成石头，结果还是完全一样。我们测量他们的落差、加速度、撞击力，方法可以和我们测量石头的落差、加速度、撞击力完全一样。

“但是人和石头不一样啊！”你会说，“石头没有感情和看法，可是人有。这两个人，一个可能很害怕，一个可能很生气。他们的感受在这件事里面难道都不重要吗？”

是的，实验对象的感受一点都不重要。假设我们把这两个人再抓到塔上（这一次他们挣扎了），从塔顶丢下。那么，即便他们这一次狂怒了，他们落下来的加速度、时间依旧和上一次一样。这部大机器是不具人格的。也正是这样不具人格，才使科学家想要追求所谓“绝对的客观”。

“‘外面’的外在世界与‘里面’的‘我’相对”这样的假设，便是科学“客观”概念的根据。（这种知觉方式把别人放在“外面”，使“里面”非常孤单）根据这个观点，自然界——以它的种种变貌——就在“外面”。科学家的任务在于尽可能客观地观察“外面”。客观地观察，意思是说，观察者毫无成见地观察他所观察的事物。

可是，三百年来我们都没有注意到一个问题，那就是，一个人要是带着这种态度，他当然就是有成见了。他的成见就是“要客观”。“要客观”就是“不要有既定的看法”。但是，没有看法是不可能的。看法是一种观点。我们可以没有观点的观点就是一种观点。研究实相的这一部分，而不研究那一部分，这个选择本身就是研究者主观的表现。这个选择，如果没有别的，起码也会影响他对实相的知觉。但是，我们研究的就是实相，所以这个问题就棘手了。

换上新物理学。量子力学很清楚地告诉我们，要想观察实相而不改变实相是不可能的。假设我们在观察一项粒子撞击实验。那么，我们不只没有办法证明我们不看它时结果还是一样，而且，我们目前所知的一切还进一步告诉我们不会一样。因为，我们得到的结果已经受到我们在寻找结果的影响。

有一些实验显示光是一种波，又有一些实验显示光是一种粒子。如果我们想表明光是一种波，我们就选择显示光是一种波的实验来做；如果我们想表明光是一种粒子，我们就选择显示光是一种粒子的实验来做。就是这样。

根据量子力学，客观这种东西是没有的。我们没有办法把自己从图画中抹掉，我们是自然界的一部分。我们在研究自然界的时候，自然界就是在研究自己。我们逃不脱这个事实。物理学已经变成心理学的分支，或者另辟蹊径了。瑞士心理学家卡尔·荣格说：

心理学的常规说，如果我们不能意识到内在的状况，这个状况形之于外，就变成命运一类的东西。这就是说，如果个体一直不曾分裂（没有跳出来看自己的能力），不曾转而意识到自己内在的矛盾（内心的冲突），世界就必然要由冲突中行动（冲突就会强行成为外在的行为），从而分裂成对立的两边。 [14]

荣格的朋友，诺贝尔物理学奖得主沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）也这么说：

人类的心灵，在一种外向的意义之下，似乎是由一个内在中心向外移转，然后进入物理的世界。（注十）

如果他们说得对，那么物理学便是意识结构之学了。

亚原子粒子

从宏观层次下降到微观层次——我们称之为极小事物领域——是一个两步过程。第一步是原子层次，第二步是亚原子层次。包括用显微镜，我们看得到的东西里面，就是最小的物体也都含有几百万个原子。有一个棒球，假设我们想看见它的原子，我们必须把这个棒球放大成地球那么大才行。棒球如果像地球那么大，它的原子才像葡萄那么大。如果把地球想象成里面都是葡萄的玻璃球，就差不多是充满原子的棒球的样子。这是原子层次。从原子层次向下降就是亚原子层次。我们在这个层次发现的是构成原子的粒子。亚原子层次与原子层次差距之大，相当于原子与木棍、岩石等事物的差距。如果原子像葡萄那么大，那么我们根本还看不到原子核。像房间那么大，也看不到。想要看见原子核，原子必须像14层的大楼那么大！然而在14层楼那么大的原子里面，原子核也只不过相当于一粒盐巴那么大。又由于原子核的质量约等于电子的2000倍，所以绕行原子核的电子就相当于这一栋大楼里的一粒灰尘！梵蒂冈圣彼得大教堂的圆顶，直径相当于14层楼高。请你想象这个圆顶的中心有一粒盐巴，圆顶外缘有几粒灰尘绕行的情形。这就是亚原子粒子的规模。牛顿物理学就是在这个领域，在这个亚原子领域，证明为不足。这时就需要量子力学来解说粒子行为了。

但是，灰尘是粒子，亚原子粒子却不是粒子。灰尘和亚原子粒子不只大小不同，灰尘是一样“东西”，一个“物体”，可是亚原子粒子却不能视为“东西”。所以我们必须放弃“亚原子粒子是一个物体”的观念。

量子力学认为亚原子粒子只是一种“存在的倾向”，一种“发生的倾向”。至于这种倾向有多强，则用或然率来表达。亚原子粒子就是“量子”，意思是指某种东西的量。至于是什么东西，则是思维之事。有很多物理学家甚至认为连问这个问题都没有意义。寻找宇宙最后的“材料”只是为一个幻象而起的宗教战争。在亚原子领域之内，质和能总是一直在互换。粒子物理学家太熟悉质变能、能变质的现象，所以总是用能量单位来测量粒子的质量。 [15] 既然亚原子现象“会在某种条件之下明显起来”的倾向即是或然率，这就把我们带到统计学上了。

统计学

由于连我们眼睛所能见到的最小的空间里面，都有几百万、几百万的亚原子粒子，所以用统计学处理这些粒子就很方便。统计学说明的是群体行为。统计学没有办法告诉我们一个群体里的个体行为如何。但是，统计学可以依据反复的观察，很精确地告诉我们群体作为一个整体行为如何。

譬如说，人口成长的统计学研究可以告诉我们，过去几年来每一年有多少小孩子出生，也可以预测未来几年会有多少小孩子出生。但是统计学没有办法告诉我们哪一个家庭会有小孩出生，哪一个家庭不会。假设我们想知道一个路口的交通情形，只要在路口设置仪器，就可以收集到一些数据。这些数据会告诉我们，某一段时间之内有多少部汽车向左转，但是没有办法告诉我们是哪几部汽车向左转。

气体动力学

牛顿物理学也使用统计学。譬如气体体积与压力的关系，讲这个关系的叫作玻意耳-马略特定律；这个定律的发现者之一玻意耳（Robert Boyle）与牛顿是同一时代的人。玻意耳-马略特定律像单车打气筒定律一样简单。玻意耳-马略特定律说，假设有一个容器装有一定量体积的气体，那么在常温下，假设这个气体的体积减去一半，那么压力就增加一倍。

现在，让我们想象有一个单车打气筒，抽把抽到最上面。这个打气筒不是接在轮胎上，而是接在气压计上面。现在，因为抽把上面没有压力，因而打气筒的圆柱体内部也没有压力，所以气压计的读数是零。但是，此时打气筒里面的压力实际上并不是零。因为我们是活在一个空气海洋（大气）的底部。从我们的身体往上好几英里厚的空气，在海平面这个高度，在我们身上形成平均每平方英寸14.7磅（约每平方厘米1公斤）的压力。我们的身体之所以不会瘫痪，就是向外维持每平方英寸14.7磅压力的缘故。单车打气筒压力计上读数为零的时候，实际情况其实是这样。所以，为了精确起见，在压抽把之前，我们姑且将压力计上的读数设定为每平方英寸14.7磅。

现在，我们把抽把向下压到一半，圆柱体内部的体积现在变为原来的一半。因为软管是接在压力计上的，所以气体没有漏掉。这时压力计上的读数变为原来的两倍，或者说，变为每平方英寸29.4磅。现在把抽把再往下压一半，到达原来2/3的地方。这时圆柱体内部的体积变为原来的1/3，压力计上的读数也变为原来的3倍（约每平方厘米3公斤）。这就是玻意耳-马略特定律：在常温下，气体的压力与体积成反比。体积如果减为一半，压力就变为两倍；体积减为1/3，压力就变为3倍；依此类推。

如果我们想解释为什么会这样，我们就要用到典型的统计学。唧筒里面的空气（气体）是由几百万个分子组成的。这些分子不断在运动。不论什么时候，这些分子总有几百万个在撞击唧筒壁。一次一次个别的撞击我们检测不到，可是这几百万次的撞击所产生的整体效果，就造成了唧筒壁上的“压力”。假如我们把唧筒圆柱体的体积减为一半，我们就会把这些气体分子挤到原来的一半空间里面，因此在每平方英寸的唧筒壁上造成双倍大的撞击。这一切的整体效果就是“压力”变为双倍。若是把空气分子挤到原来1/3的空间，我们就使撞击每平方英寸唧筒壁的分子变为3倍，于是唧筒壁上的压力也变为3倍。这就是气体动力理论。

换句话说，压力是大量分子运动的集体行为造成的结果，是个别事件集合而成的。每一个个别事件都是可以分析的，因为，依照牛顿物理学，每一个个别事件理论上都按照一定的定律发生。原则上我们可以算出唧筒内部每一个分子的路径。旧物理学就是这样使用统计学的。

量子力学也使用统计学。但是量子力学与牛顿物理学之间却有一个很大的差异，那就是，在量子力学里面，我们没有办法预测个别事件。这就是亚原子领域的实验教给我们的第一课。

所以，量子力学只关心集体行为。量子力学避而不谈集体行为与个别事件之间的关系，因为，个别的亚原子事件没有办法准确地断定（不确定原理），而且——一如我们在高能粒子所见——经常在变。量子物理学放弃统御个别事件的法则，直接阐明统御集体事件的统计式法则。量子力学能够告诉我们一群粒子将要如何行为，但是说到个别粒子，量子力学只能说这个粒子“可能”如何行为。或然率是量子力学的特性。

因为这样，量子力学才成为处理亚原子现象的理想工具。譬如一般的放射性衰变现象（夜间手表指针发亮等）好了。放射性衰变现象是由不可预测的个别事件组成的可预测的全体行为。假设我们把1克的镭锁在时间保险柜里面，1600年以后再打开来看。这时我们看到的是不是还是1克的镭？不是！我们只看到半克的镭。这是镭原子按着一个速率自然消散的缘故。所以每1600年就消失一半。此时，物理学家就说镭的“半衰期”是1600年。假设我们把镭再放回保险箱，1600年后再打开，那么原来的镭就剩下1/4。反正每1600年全世界的镭就剩下一半。但是，我们怎么可能知道哪一个镭原子会消散，哪一个不会呢？

或然率

我们不可能知道。我们可以预测一块镭一个小时之内会有多少原子消散，但是绝对无从知道是哪一个原子会消散。我们所知的一切物理学法则，没有一个可以支持这种拣选。哪一个原子会衰变纯粹只是偶然。但是不论如何，镭总是按照一定的日程，准确地以1600年的半衰期衰变。量子理论省略了个别镭原子消散的法则，直趋诸镭原子作为一个整体消散的统计式法则。新物理学是这样使用统计学的。

由不可预测的个别事件构成可预测的整体（统计）的行为，另外一个很好的例子就是光谱色线的彩度不断的变化。还记得，根据玻尔的理论，原子的电子所在的外壳与核子的距离是一定的。一个氢原子，在正常的情形下，它的单一个电子一直是在距离核子最近的外壳上（这叫作基态）。如果我们刺激这个电子（给它增加能量），它就会往外跳到外面的外壳上。我们加的能量越多，它就往外跳得越远。不再刺激它，它就往回跳到比较接近核子的外壳，到最后就回到最内层的外壳。每次跳回来，电子就会释出能量。这个释出的能量相当于它往外跳时吸收的能量。这些释出的能量群（光子）就构成了光。这个光经过棱镜的扩散——在氢这个情形上——就形成一个一百条左右色线的光谱。氢电子从外面的壳跳到里面的壳的时候，放出的光就组成了氢光谱的色线。

不过，我们前面没说的是，氢光谱里面，有些色线比其他色线鲜明。并且，鲜明的色线就一直鲜明，暗淡的色线就一直暗淡。色线的鲜明度之所以不同，是因为氢电子回返基态的时候，并不是永远采取同样的路线。

譬如，第五层外壳比起第三层外壳，可能是中途站。电子跳回第一层外壳之前，在第五层外壳停留的比在第三层外壳停留的多。这样的话，由几百万激动的氢原子所产生的光谱上，电子由第五层跳回第一层的一条光谱线，就比第三层跳回第一层的一条光谱线来得鲜明。

换句话说，在这个例子里面，激动氢原子的电子中途在第五层停留的或然率很高，在第三层停留的或然率比较低。再换另一种方式说就是，我们知道有一些电子会在第五层停留，并且，在第三层停留的电子比这个少。但是，同样地，我们依然无法知道哪一个电子会在哪一层停留。我们能够描述一个全体的行为，但是无法预测组成这个行为的个别事件。

这样，我们就触及了量子力学的主要哲学问题，那就是：“量子力学到底在说明什么东西？”用另一种方式说，量子力学用统计学说明全体行为，并且（或者）预测个别行为的或然率。然而是什么东西的全体行为和（或）或然率？

量子力学哥本哈根解释

1927年秋天，研究新物理学的物理学家在比利时布鲁塞尔集会。这个问题就是他们讨论的问题之一。他们的结论后来被称之为“量子力学哥本哈根解释”（Copenhagen Interpretation of Quantum Mechanics）。 [16] 这一次会议之后虽然也有人找出别的解释，但是，哥本哈根解释却是一个标志，标示了新物理学的出现是看待世界的一种共同的方法。一直到现在，在用数学形式提出的解释里面，量子力学的哥本哈根解释还是最通行的。但是这还不够。牛顿物理学被证明不足在物理学界造成的不安还不止于此。在布鲁塞尔开会的物理学家，他们的问题并不在于牛顿物理学是否适用亚原子现象（这一点已知道不适用），而是用什么来代替牛顿物理学。

哥本哈根解释是第一个有系统说明量子力学的体系。爱因斯坦在1927年反对量子力学，一直到辞世还是反对。但是，他和所有的物理学家一样，不得不承认量子力学用于说明亚原子现象的优越。

然而，哥本哈根解释事实上却说，量子力学讲些什么并不重要（哥本哈根解释说，量子论讲的是经验与经验之间的关联，是一种情况之下会观察到什么东西，另一种情况又会观察到什么东西），重要的是，量子力学不论在什么实验状况之下都有效。这是科学史上最重要的阐述。量子力学哥本哈根解释开展的统合工作是一个里程碑。可是当时没有人注意。我们的心灵理性的部分——科学为其典型——终于又和另一部分一起现身了。这另一部分，18世纪以来我们就一直忽视，那就是我们的非理性面。

传统上，科学对于真理的观念总是依附在“外边”一处的绝对真理——也就是一个独立存在的绝对真理——之上。我们在近似值上越接近这个真理，据说我们的理论就越真实。我们尽管没有办法直接知觉真理——好像爱因斯坦所说，没有办法打开手表一样——可是我们仍然可能建立完整的理论，使绝对真理的每一面在我们的理论中都有一个元素与之对应。

但是，哥本哈根解释排除了这种实相与理论一一对应的观念。这一点我们前面已经说过，只是说法不一样罢了。量子力学放弃统御个别事件的法则，直接说明统御集体行为的法则，这种做法是非常实际的。

实用主义哲学

实用主义哲学就有点像是这样。心灵只能处理观念；除了观念，要使心灵与其他任何东西产生关系是不可能的。所以，如果我们认为心灵可以思考实相，那是错误的。心灵只能思考心灵关于实相的观念（至于实相实际上是否是这样则属于形而上学问题）。所以，一件事情是否为真，问题不在它与绝对真理多么一致，而是在于它与我们的经验多一致。哥本哈根解释之所以特别重要，在于科学家一直想要建立一个完整一致的物理学，但终于由自己的发现而不得不承认，想要完全理解实相确实超出理性思考的能力。但是，爱因斯坦却无法接受这一点。“这个世界最不可理解的，”他说，“就是这个世界可以理解。”（注十一）可是大局已定。新物理学的根基不在“绝对真理”，而在“我们”。 [17]

斯塔普（Henry Pierce Stappe）说：

（量子力学哥本哈根解释）基本上就是在摒除“自然界可以用基本时空实相的方式理解”的认定。根据新的观点，能够完整描述原子层次自然界的，是或然率；并且这个或然率指涉的不是潜匿的微观时空实相，而是感官经验的宏观对象。这个理论的结构不是钻入并且栖止于根本之处的微观时空实相，而是反过来栖止在形成社会生活基础的具体感官实相之上……这种实用的说明方式与企图窥探“后面的情景”然后告诉我们“真正发生”了什么事的方式是不一样的。（注十二）

脑分割分析法

（回溯起来）脑分割分析法是了解哥本哈根解释的另一种方法。我们的脑分为两半，由一个组织在颅腔中间连接起来。医生要治疗某种脑疾病，譬如癫痫，的时候，有时候会动手术把两边的脑分开。从接受这种手术的人所做的报告，以及医生的观察，我们发现了一个非常重要的事实。大体说来，我们的脑两边的机能不同，两边看世界的方式不一样。

左脑用线性方式知觉世界。左脑将感官输入的数据组成线上的点，各点前后相随。譬如说，语言就是左脑的一个机能。语言是线性的（你现在在读的文字就是从左到右排成一条直线）。左半球的机能是逻辑与理性的。“因果”的概念就是左半球创造的。一件事之所以引发另一件事，是因为这件事常常在另一件事之前发生。这样比较起来，右脑知觉的才是完整的形态。

动过脑分割手术的人事实上有两个脑。分别测试的结果发现，左脑记得讲话和使用文字，可是右脑不行。然而，右脑却能记住歌词！左脑对感官输入的数据会质疑，右脑对自己接受的数据却比较自由地接受。粗略地说，左半球是“理性的”，右半球是“非理性的”。（注十三）

在生理上，左半球控制右边的身体，右半球控制左边的身体。这样看来，文学和神话与右手（左脑）相关，而具有理性的、男性的、决断的特性；左手（右脑）具有神秘的、女性的、接受的特性，这一切就不是巧合了。中国人几千年前就讲过这种现象（阴阳），但是没有人知道他们当时就在做“脑分割手术”。

我们的社会整个反映了一种脑左半球（也就是理性、男性、决断）的偏颇。这种社会不太能够滋育脑右半球那种特性（直觉、女性、接受）。“科学”的发达是一个标志，标示的是左半球的思考方式开始晋为西方人主要的认知模式，而右半球的思考方式则降为地下（地下精神）。这个地下精神一直到弗洛伊德发现“潜意识”以后才重新出头。当然，这个“潜意识”他称之为黑暗、神秘、无理性（因为这是左脑看右脑）。

虽然1927在布鲁塞尔集会的物理学家没有办法想到这一点，可是哥本哈根解释事实上无异于承认脑左半球思考能力有限。此外，哥本哈根解释也是重新承认长久以来在理性的社会饱受忽视的精神面。物理学家毕竟还是人，对这个宇宙毕竟还是会感到惊奇。敬畏是一种非常独特的了解方式——尽管这种了解方式难以言表。“惊奇”这种主观经验对于理性的心灵就是一个信息；这个经验告诉理性的心灵说，除了理性，惊奇的对象还有别的方式可以知觉并理解。

下一次如果再对什么事情感到敬畏，且让这个感觉在你心里自由回荡，不要想去“了解”。这时你就会发现自己其实是“了解”的，只是说不出来罢了。其实，这时你就是用右脑在直觉的知觉事情。我们的右脑并没有因为长久不用而萎缩，只是我们聆听右脑之声的技巧，因为三百年的忽视而迟钝了。

物理师傅两种方式都用；理性与非理性、决断的与接受的、男性的与女性的都用。他们不排斥这个，也不排斥那个。他们就是跳舞。

这就是量子力学。下一个问题是：“量子力学如何操作？”

注解：

[1] 　科孚，希腊西北部的一个海岛——译注

[2] 　El Chungliang Huang，译音——译注

[3] 　譬如按汉字注音符号，一个音有四声——译注

[4] 　“握”正确拼音wò，此处作者拼音有误——编注

[5] 　Alan Watts，1915—1973，英国哲学家、作家、演说家，因以西方人的身份介绍推广东方思想而出名，有25本著作出版，涉猎极广——编注

[6] 　美国职业足球每年1月的“全国足球联盟”冠军赛。

[7] 　可是，实际上有一些色线并没有在吸收光谱上出现，因为这些色线代表的是高能量状态之间的转变状态。

[8] 　大部分情形，一张氢光谱照片只表现十条左右的光线。正确说来，要拍摄氢光谱，每一组氢光谱所需的实验设备都要不一样才可以。理论上每一组原子光谱的线条都是无限的。但是事实上，每一组光谱的线条由于在高周带太过接近，所以都挤在一起了。

[9] 　在1922年——译注

[10] 　因原著是以英文写作，所以就以英文为例——译注

[11] 　已经适应黑暗的眼睛能够察觉个别的光子。除此之外，我们的感官能够察觉的就只有亚原子现象的效应，譬如照相感光板上的痕迹，测量器上面指针的运动等。

[12] 　Richard Bentley，1662—1742，古典学术史上的伟大人物，博学而敏锐——译注

[13] 　in principle，玻尔的原著以斜体字强调——译注

[14] 　括号内为胡因梦小姐的诠释。荣格的话这样解释，读者会比较清楚。谢谢她——译注（注九）

[15] 　但是，严格来说，依照爱因斯坦的广义相对论，质即是能，能即是质。有其一，就有另一。

[16] 　玻尔与爱因斯坦著名的辩论就是在这一次第五届苏威会议（Solvay Congress）发生的。“哥本哈根解释”这个名称反映出玻尔“来自哥本哈根”及其一派思想的影响力。

[17] 　实用主义哲学是美国心理学家威廉·詹姆斯（William James）创立的。最近，斯塔普一直在强调量子力学哥本哈根解释的实用面。斯塔普是加州劳伦斯伯克利国家实验室的理论物理学家。但是，除了实用的部分，哥本哈根解释也说，量子论在某一个意义上已经是完整的；再也没有什么理论能够更详细地说明亚原子现象。哥本哈根解释的一个基本的要点是玻尔的互补原理。实际上已经有一些历史学家认为哥本哈根解释即等于这个“互补”。但是，斯塔普对量子力学的实用解释只是概括地、一般性地讲互补，而哥本哈根解释却是特别强调。

部二
各种形态的有机能
（新旧物理学）

第3章
活的？

有机与无机

当我们说物理就是各种形态的有机能时，我们注意的是“有机”这两个字。有机，意思是“活的”。大部分人都认为物理讲的是死的东西，譬如钟摆、撞球等。这是大家普遍存有的观点，即使物理学家也不例外。其实不然。

为了要探讨这个观点，我们姑且假设有一个人，名叫津得微（Jim de Wit）。这个年轻人永远都是混沌冠军。

“物理讲的是死的东西，”津得微说，“这样讲不对。这一点我们在讨论落体时已经讲得很清楚。有些落体虽然是人，可是在真空里加速度还是一样。所以物理学照样适用于生物。”

“可是这个例子不对，”我们说，“要不要掉下去，石头没得选择。我们丢石头，石头就掉下去；我们不丢石头，石头就不掉。可是人不一样。人能够选择。除非意外，人通常不会有掉下去的动作。为什么？因为人知道掉下去会受伤。所以，换句话说，人会处理‘信息’（掉下去会受伤），然后对这个信息做‘反应’（不要掉下去）。这些事情石头都不会做。”

“好像是这样，”津得微说，“可是事实上不是这样。譬如说，用旷时摄影术拍摄植物，我们就知道植物跟人一样，对刺激有反应。植物也会趋乐避苦；渴望感情而不可得，也会无精打采。唯一不一样的地方只是植物的反应比我们慢，慢到我们一般的知觉感觉不到，所以才认为植物毫无反应。”

“那么，如果植物有反应的话，我们又凭什么那么有把握石头乃至于山没有反应？它们也有可能因为速度实在太慢，所以即使用旷时摄影术来拍，也要几千年曝光一次才拍得出来。当然，这一点无法证明，可是也没办法否定。活和死之间不是那么容易分辨的。”

“说得好，”我们心里想，“可是从实际的观点来看，我们观察不到惯性物质对刺激有反应，然而人有反应却毫无问题。”

“又错了！”津得微好像看得到我们内心一样，他说，“每一个化学家都可以证明大部分的化学物质（这些化学物质都是从岩石这一类地面的东西而来）都对刺激有反应。譬如说，在完整的条件之下，钠会对氯起反应（因而形成氯化钠——盐），铁会对氧起反应（因而形成氧化铁——锈），等等。这就好比人肚子饿的时候会对食物有反应，孤独的时候会对他人的感情有反应一样。”

“好吧，不错，”我们承认，“可是用人的反应来比喻化学反应并不恰当。化学反应要不就是发生，要不就是不发生，没有介乎其中的情况。两种化学物质配得对，就发生反应；配得不对，就不会发生反应。可是人复杂多了。”

“假设有一个人肚子很饿，然后我们拿东西给他吃。这个时候他可能会吃，可是也可能不会吃，看情况而定。如果他吃了，他可能吃饱，也可能不吃饱，看情况而定。假设他虽然很饿，可是约会已经迟到，那他是吃还是不吃？如果他的约会很重要，他可能不吃就走了。设若他虽然肚子很饿，可是摆在他眼前的食物有毒，那么他就是再饿也不可能吃。人的反应与化学反应的差别，就在于人有这个处理信息并对信息起反应的过程。”

“当然，”津得微笑着说，“但是我们又怎么知道我们的反应不是和化学反应一样，事先已经严格决定，只不过比较复杂而已？我们可能并不比石头自由，但是我们却欺骗自己说我们不像石头，我们有自由。”

这场辩论这样就辩不下去了。津得微使我们看到了成见的任性与随意。我们当然愿意认为因为我们是活的，石头是死的，所以我们是活的，石头是死的。但是，我们却没有办法证明自己的看法，也没有办法否定他的看法。我们没有办法清楚地证明我们与无机物不同。在逻辑上，这就表示我们可能必须承认我们不是活的。这当然很荒谬。所以，唯一可行的办法就是承认“无生命的”物体可能是活的。

其实，有机与无机之间的差别本是一种概念的偏见。一旦我们深入探讨量子力学，这种差别更是站不住脚。根据我们的定义，一件东西若是能对信息起反应，那么这件东西就是有机的。可是，随着量子力学的发展所收集的证据，却证明亚原子“粒子”不断地在做决定。这是让物理学的新来者吃惊的发现！还不只这样，亚原子粒子还是根据别处的决定做决定的。亚原子粒子似乎可以“立即”知道别处的决定，而这个别处却可以远如银河那么远！重要的在于“立即”这两个字。这边的一个亚原子粒子为什么能够在那边的一个亚原子粒子做决定的时候，“同时”知道那边的粒子做了什么决定？所有的证据都使人不再相信量子粒子真的是粒子。

（依照传统的定义）从心灵上来想象，粒子是局限于一个空间地区的东西，不会扩展出去，不是在这里就是在那里，不可能在这里同时又在那里。

假设这边有一个粒子与那边的一个粒子在交通（用叫的、挥手、传电视画面等），这是需要时间的。即使是千分之一秒，也是时间。如果这两个粒子分属两个银河，那么交通的时间就要几个世纪。如果这边这个粒子要在那边那个粒子发生事情的时候同时知道发生什么事，它就必须在那边。但是，如果它在那边，它就不可能在这边。如果两地同在，它就不是粒子。

这就表示这个粒子可能完全不是粒子。而且，这个表面上是粒子的粒子还在一种动态而紧密的方式之下，与其他的粒子有关。这一个动态而紧密的方式，正好就符合我们“有机”的定义。

有一些生物学家相信，单个植物细胞内部就带有产生整株植物的能力。同理，量子力学产生的哲学意义，在于宇宙中的一切事物（包括我们自己）看似各自独立存在，其实皆属于一个含摄一切的有机形态的一部分，各个部分彼此既非相离，也不与这个有机形态相离。

普朗克

谈到“粒子”的决定以及做决定的“粒子”，我们要从1900年普朗克（Max Planck）发现的一件事谈起。1900年公认是量子力学诞生的一年。当年的12月，普朗克很勉强地向科学界提出一篇论文，可是这篇论文却使他声名大噪。他自己并不喜欢这篇论文含带的意义。他希望他的同事能够为他做一件他做不到的事，也就是用牛顿物理学来解释他的发现。可是他心里知道，他的同事没有办法，谁都没有办法。他感觉到，他的论文将要改变科学的基础。他的感觉没有错。

普朗克到底发现了什么，使他这么不安？普朗克发现的是，自然界的基本结构是“粒状”的。套用物理学家的话就是，自然界的基本结构是片断式的。

片断式

“片断式的”是什么意思？

譬如说一个城市的人口。一个城市的人口显然只能以整数的人来变动。一个城市的人口不论是增加还是减少，其最低限度是1人。它不可能增加0.7人。它可能增加或减少15人，但不可能增加或减少15.27人。在物理学的辩证里，人口量的改变只能是不连续地增加或减少。这就是片断式的改变。不论是变大还是变小，都是跳跃式的；而最小的跳跃就是一个人。大体上，关于自然界的过程，这就是普朗克所发现的事情。

普朗克是一个保守的德国物理学家。他无意损毁牛顿物理学的基础。可是，他因为想解决一个能量辐射的问题，无意间推动了这一次量子力学革命。

普朗克原先是在追寻东西变热的时候为什么会有那些行为。换句话说，他想知道物体变热的时候为什么比较亮，温度升高或降低的时候颜色为什么会变。

古典物理学统合声学、光学、天文学等诸领域的时候很成功。古典物理学差不多已经喂饱了科学家的胃口。古典物理学解开了宇宙谜题的封口线，可是却又用紧密的包装把它包起来。古典物理学对这个现象无法提出合理的解释。套一句当时的话，这个现象是笼罩在古典物理学地平线的一片“黑云”。

在1900年，物理学家描绘的原子好比李子一般，中间是核子，上面粘着突出的小弹簧（这个模型还在行星模型之前）。每一个弹簧的上端都是一个电子。假设我们“推动”原子，譬如给它加热，就会使电子在弹簧尾端摇摆（振荡）。科学家认为，这时电子就是在释出放射能，这就是热物体发亮的原因（也就是加速的电荷创造了电磁放射线）。（电子带有负电，摇摆的时候就开始加速，起先朝一个方向，然后再转到另一个方向。）

物理学家认为，给金属的原子加热会使原子激动，使其电子上下摇摆。这个过程就会放出光。他们的理论说，推动原子（也就是给原子加热）的时候，它吸收的能量就会由摇摆的电子放射出来。（如果你跟你的朋友讲这个理论，而他对“摇摆的电子”不以为然的话，你就用“原子振荡器”来代替好了。）

这个理论又说，原子吸收的能量会平等地分配给它的振荡器（电子），并且，以高频率振荡（摇摆）的电子放射能量也比较有效率。

不过，不幸的是，这个理论却不成立。这个理论证明了一些事情，然而这些事情却是错误的。第一，它“证明”一切热的物体放出的多是高频光（蓝、紫），低频光（红）比较少。换句话说，根据这个古典理论，即使是中等热度的物体，也会像白热的物体一样，放出强烈的蓝白光，只是总量较少罢了。可是这一点错了，中等热度的物体放射的，主要是红光。第二，这个古典理论“证明”高热物体会无限量放出高频光。这一点也错了。高热物体放出的高频光有一定的量。

不过我们现在别管什么高频光、低频光。我们等一下就会解释这些名词。此处要讲的是，普朗克钻研的是古典物理学最后的几个大问题之一，也就是古典物理学对于能量辐射问题的错误预测。物理学家戏称这个错误是“紫外线之祸”。

“紫外线之祸”听起来好像摇滚乐团的名字，却反映了大家关切的一个事实，那就是，高热的物体并不像这一古典理论预测的一般，以紫外线光（1900年当时所知频率最高的光）的形式放射大量的能量。

普朗克研究的现象叫作黑体辐射。黑体辐射是由无反射的、完全吸收的、平直（非光滑）的黑色物体发出的。由于黑色即是毫无颜色（不吸收光也不反射光），所以黑色物体没有颜色——除非我们给它加热。一个黑色物体如果亮起来，发出一种颜色，我们就知道那不是它自己发出或吸收那种颜色，而是我们加于其上的能量的缘故。

说“黑体”，并不一定是指黑色的固体。假设我们有一个金属盒子，盒子上除了一个小洞，完全密封。现在如果我们从小洞向盒子里面看，我们会看到什么？什么都没有；因为，里面没有光。（小洞会跑进一点光，但是不多。）

现在我们在这个盒子上加热，一直加到变红为止。现在我们再向洞里面看。我们看到了什么？我们看到了红光。（你看，谁说物理很难？）普朗克研究的就是这种现象。

在1900年，所有的物理学家都认为，激动的原子之上的电子开始摇摆以后，就连续不停地释放能量，一直到能量逐渐耗尽之后才开始“下跌”，最后能量完全失散。可是普朗克却发现激动的原子振荡器不是这样的。原子振荡器不论是吸收或释放能量，这个能量的量都是一定的。原子振荡器不会一路连续而顺畅地释放能量，然后像发条一样萎缩下去。原子振荡器发射能量的时候，是一阵一阵“喷”出来的；每喷一次，能量水平就降低一次，一直到最后完全不再振荡为止。简单一句话，普朗克发现自然界的变化是“爆破式的”，而不是连续的、平直的。 [1]

提出“能束”和“量子化振荡器”的物理学家，普朗克是第一人。他感觉到自己的发现非常重大，与牛顿的发现一样重大。他的感觉是对的。“量子力学”从他以后虽然还要经过27年以后才成形，可是物理学的哲学与范式本来就不曾一样过。时至今日，我们已经很难了解普朗克的量子论在当时是多么大胆。哈佛大学的物理学教授吉耶曼（Victor Guillemin）说：

（普朗克）所做的必然是一个激烈的，看似荒谬的假设，因为，依照传统的法则以及常识，大家都认为原子振荡器一旦推动之后，就逐渐地、顺畅地放射能量，然后它的振荡运动才逐渐停止。可是普朗克不得不假定振荡器的放射线是一阵一阵喷出来的，他不得不设想每一个原子振荡器运动的能量既无法推动，也无法逐步减灭。振荡器的能量只能以一次一次跃动的方式改变。能量在振荡器与光波之间来回转换的时候，振荡器必然不只释出放射能，同时也吸收能，方式是不连续的、分立的，一“束”一“束”的……他发明quanta（量子）这个词来称呼这种能束；讲到振荡器的时候，他就说振荡器是“量子化的”。“量子”这个沛然的概念就这样进入了物理科学里面。（注一）

普朗克不但是量子力学之父，也是普朗克常数的发现者。 [2] 普朗克常数恒常不变。物理学家用普朗克常数计算各种光线频率（色彩）之能束（量子）的大小。（一种色彩，其光量子的能量等于这种光的频率乘以普朗克常数。）

个别色彩里面，凡是属于同一色彩的能束，能量都一样大。譬如红光，只要是红光的能束，大小都一样。绿光的能束都一样大，紫光的能束也都一样大。但是，紫光的能束比绿光大，绿光的能束比红光大。

换句话说，普朗克发现，光的能量是一小捆一小捆吸收或放出来的。而且，低频光，譬如红光，的捆比高频光，譬如紫光，小。这就说明了热物体之所以那样放射能量的原因。

现在，假设我们把一个黑色物体放在低热源上面加热。这个黑体最先亮起来的颜色将是红色。因为，在可见光的光谱里面，红光的能束最小。但是，随着热度的增高，能量也跟着增加。这样，这比较高的能量就能够把比较大的能束摇下来。比较大的能束也就制造了频率比较高的光，譬如蓝光、紫光等。

然而，随着温度的增高，为什么热金属亮度的增加在我们看起来是那么稳定？热金属亮度的增加其实是不稳定的。亮度不论是上升或下降都有“步伐”，只是这步伐都小到无可想象，所以眼睛看不出来。所以，自然界的这一面若是大规模的——或者说，以宏观层次来看，就隐晦不彰。然而，在亚原子领域，这一面却是自然界的一个性质。

我们这样讨论能束的放射与吸收，如果使你想起玻尔，那就对了。然而玻尔却还要13年以后，才达到他的“电子有一定的轨道”的理论。这个时候，物理学家已经放弃“李子上有摇摆的电子”的原子模型，改用行星模型。这是电子环绕核子而行的模型。 [3]

1905年的爱因斯坦

可是从1900年普朗克发现量子，到1913年玻尔分析氢光谱之间，物理学界诞生了一位卓越的物理学家。很少有人具有他那种力量，这个人名叫阿尔伯特·爱因斯坦。26岁那一年（1905年），爱因斯坦一连发表了五篇论文，都很重要。其中有三篇成了物理学发展的轴心，在相当大的程度之上，也是西方世界发展的轴心。这三篇论文，第一篇讲光的量子本质，第二篇讲分子运动，第三篇开展狭义相对论。第一篇使他得到1921年诺贝尔奖。第三篇所讲的狭义相对论我们以后再讨论。 [4]

现在先讲他关于光的理论。爱因斯坦说，光是由微粒构成的；一束光就好比一连串子弹。这些“子弹”叫作光子。他的观点与普朗克相似，但事实上是超越了普朗克。普朗克发现能量是以能束来吸收和释出的。他说的是能量吸收与释放的“过程”。爱因斯坦则将能本身的量变理论化。

光电效应

爱因斯坦为了证明自己的理论，提到一种现象，叫作光电效应。光撞击金属表面的时候，会从金属的原子上面撞出电子，电子便向外面飞出去。我们只要有适当的设备，就能够计算这些电子的数目，及其行进的速度。

他的光电效应理论是说，每一次有一颗子弹，或者说光子，撞击到一颗电子的时候，光子就会像撞球撞到另一颗撞球一样把电子撞开。

爱因斯坦依据莱纳德（1905年得诺贝尔奖）的实验建立他的革命性理论。莱纳德的实验显示，在光电效应里，光一撞击到金属，金属里的电子就立刻开始流动。我们一打开光，立刻就产生电子。然而，根据光的波动理论，金属要有光波的撞击，其中的电子才会开始振荡。然后要移动的速度够快，才会脱出金属表面。这就要好几次振荡才行。这就像推秋千一样，要推好几次才可能高过横杆。简单地说，光波动理论预测的是电子延缓式的发射，而莱纳德的实验显示的却是电子立即发射。

爱因斯坦用光粒子理论来解释光电效应里面这种电子立即发射的现象。每次一有光的粒子——也就是光子——撞到一颗电子，就立刻把这颗电子打出它的原子之外。

除此之外，莱纳德还发现，如果我们将撞击光束的强度降低（使光束暗一点），那么弹出的电子数目也就跟着减少，但速度不变。可是，如果改变撞击光束的颜色，速度就变了。

这一点爱因斯坦也用了一个新的理论来说明。根据他的新理论，每一种颜色，譬如绿色，的每一个光子能量都是一定的。降低绿光光束的强度只是减少其中的光子数而已。剩余的光子每一个能量仍然一样。所以，不论是哪一个绿光光子，只要它撞击到一个电子，它就会用绿光光子该有的能量把它撞开。

关于爱因斯坦的理论，普朗克说：

……能的射线减少的时候，光子（能“滴”）并不会跟着变小；它的大小不变，不过彼此相随的间隔较大而已。（注二）

爱因斯坦的理论同时也证明了普朗克革命性的发现。高频光是由高能光子组成的，譬如紫光；但低频光则不然，譬如红光。所以，紫光撞击电子的时候，就会使电子以高速弹出；红光撞击电子的时候，就会使电子以低速弹出。这两种情形不论是哪一种，凡是增加光的强度，弹出的电子数就增加；凡是降低光的强度，电子数就减少。只有改变撞击光的颜色，电子的速度才会改变。

简而言之，爱因斯坦用光电效应告诉我们，光由粒子或说光子构成；并且，高频光的光子能量比低频光的光子多。他这一个发现是一项重大的成就。唯一的问题是，102年前，已经有一个英国人，名唤托马斯·杨（Thomas Young），证明光是由波构成的。包括爱因斯坦在内，没有人能够证明他错。

波，波长，频率，振幅

从这里，我们开始讲到波了。粒子之为物，它的存在只限于一个地方。波之为物，却是会传播出去。下面我们画出几种波：

这几种波里面，我们只关心最右边的一种。下面我们把这种波画详细一点：

◎图1

“波长”指的是两个相邻的波峰之间的距离。无线电波最长的超过6英里（约9.66公里）。X射线大约只有十亿分之一厘米长。可见光的波长大约都在八十万分之一到四十万分之一厘米之间。

◎图2

“振幅”指虚线以上波峰的高度。下图的三种波振幅都不一样。其中中间的一种振幅最大。

“频率”是指一秒钟之内通过某一定点（前图中A）的波峰数。假设波按照箭头的方向前进，每一秒有一个波峰通过A，那么这个波的频率就是每秒一周。假设每秒有10.5个波峰通过A，那么这个波的频率便是每秒10.5周。假设通过A的波峰数是10,000，频率便是每秒10,000周，依此类推。

波长乘以频率即等于波速。譬如说，假设波长是2英尺（约61厘米），频率是每秒1周，那么这个波就是每秒移动一个波长（2英尺），所以它的波速便是每秒2英尺。如果波长是2英尺，频率是每秒3周，因为这个波每秒移动3个波长，所以它的波速便是每秒6英尺（约183厘米）。

◎图3

这一点都不复杂。譬如说，如果我们知道一个人每秒跑几步，每一步多长，我们就能算出他跑得多快。假设他的步伐长2英尺，每秒跑3步，他就是每秒跑6英尺。我们只要把步伐换成波长，这个方法一样可以施之于波。

但是如果说到光，虽然我们也可以将光波长乘以频率，因此得出光波速。可是这样做却没有必要了。因为，物理学家已经发现，在真空里面，光速“永远”都是每秒30万公里。其实，凡是电磁波——包括光在内——莫不皆然。所有光波（蓝、绿、红等）的速度，莫不与无线电波、X射线等一切电磁射线一样。光速是一个常数，在物理学里用字母c来代表。

“c”常数（大约）是每秒30万公里，永远不变（如此才叫“常数”）。光不论是往上照还是往下照，高频还是低频，波长是长还是短，向我们照来还是从我们这边照出去，速度都一样，永远都是每秒30万公里。爱因斯坦就是根据这个事实，建立了他的狭义相对论。这一点我们以后再讨论。

只是，根据这个事实，我们只要知道频率和波长之一，就可以同时知道另一个。因为，频率和波长两者的乘积恒是真空里每秒30万公里。两者之一大，另一个就小。譬如说，假设两数相乘等于12，而其中之一是6，那么我们知道另一个必然是2。如果其一是3，那么另一个必然是4。

同理，光波的频率越高，波长必然越短；频率越低，波长必然越长。换句话说，高频光波长短，低频光波长长。

现在让我们回到普朗克发现的事情。普朗克发现的是，光量子的能量随着频率的增加而增加。频率越高，能量越高。能量与频率成正比。所以，普朗克常数是能量与频率之间的“比例常数”。这一层关系虽然简单，却很重要。普朗克常数在量子力学里面居于中心地位。频率越高能量越高，频率越低能量越低。

现在我们把波动力学和普朗克发现的事情合在一起，于是得出：高频光波长短，能量高，譬如紫光；低频光波长长，能量低，譬如红光。

这样，我们就得以说明光电效应了。紫光的光子将电子从金属表面的原子击出，使它飞走的时候，之所以速度比红光的光子快，是因（高频的）紫光光子能量比（低频的）红光光子的能量高。

但是，以上所说的一切虽然非常合理，然而我们却忽略了一个事实，那就是，我们是用波动的术语（频率）在说粒子（光子），用粒子的术语在说波动。这，当然一点都不合理。

现在，如果以上的几页你都了解，那么，恭喜你！你已经精通本书最难的数学。其实，只要你明白波长与频率之间的关系，与波共舞是很容易的。

绕射

波是爱玩的造物，爱跳自己的舞。譬如说，在某些情况下，波会在转角转弯。这叫作绕射。

现在假想我们乘着直升机在一个海港上空飞行。这个港口可以容纳两艘航空母舰同时通过。海面并不平静，风浪从外海向着港内直吹。这时从直升机上面往下看，就会看到海浪形成这样的图形：

◎图4

除了港口，防波堤显然挡住了所有的波浪。通过港口的浪则继续向港内前进，一直到消失为止。

现在再假想港口很小，只容小艇进出。这时从直升机向下看，看到的情形就大不一样了：现在，波浪不是直直进入港口的，而是进入港口以后，在港口周围扩散出去。情形差不多就像其中是一个池塘，而我们往池塘中央丢了一个石头一样。这就叫作绕射。

为什么会有绕射？为什么港口变小会使港内的波形成半圆形扩散出去？

将港口大小与波浪的波长做个比较就会知道答案。在第一种情况里面，港口比波浪之波峰间的距离大了很多，所以海浪就循着直线向港内直直前进（直线传播）。这是波的一般情况。

◎图5

第二种情形，港口与海浪的波长差不多一样大，甚或比较小。这就会造成图中的情形。这就是波在这种情形下特有的形态（绕射）。

波从一个开口通过的时候，只要这个开口很小，小到比波的波长小，波就会绕射着通过这个开口。

因为（根据光波论）光就是一种波动现象，所以光波应该一如海浪，有上面两种情形。实际情形也是如此。现在假设我们用一张纸，如下图般切一个开口，然后再在纸的后方置一个光源。这样，它就会在墙上照出这样的投影：

◎图6

这种情形与海浪进入港口类似。这个实验里面，开口的宽度比之光的波长大上几百万倍，所以光就直直通过开口，循着直线投射在墙上，照成一个图案，形状与开口一样。请你特别注意，投影上面亮区与暗区的界线非常清楚。

现在再做一个实验。我们在纸上切一道缝，宽度差不多相当于光波的波长。这次实验，光绕射了。这次亮区与暗区的界限模糊了，亮区在边缘地带逐渐溶入暗区。这一次光束不是循直线前进到墙上，而是像扇子一样扩散出去。这就是绕射光。

◎图7

以上先说要点，下面就说故事。

双缝实验

1803年，托马斯·杨（认为自己）一举解决了“光的本质”这个问题。他做了一个实验，非常简单，可是情节起伏甚大。他在光源（他在一张幕上开一个洞，让太阳光通过这个洞作为光源）前面拉起一张幕，上面有两条垂直的细缝。这两条缝都可以用东西遮起来。

◎图8

幕的另一边是一面墙；阳光穿过细缝之后，将照射在这一面墙上。现在，第一个实验是，遮住一条缝，开放光源。这时光照在墙上出现了这样的情形：

◎图9

可是，当托马斯·杨把两条缝全部开放的时候，他创造了历史。原来以为墙上的光将是两条缝的总和，其实不然。墙上照出来的是光带与暗带交替的景象。其中，中间的光带最亮。中间光带的两边是暗带；然后又是光带，可是比中间的光带暗；然后又是暗带，依此类推，如下图：

◎图10

为什么会这样？

答案很简单。然而就是因为答案简单，这个实验才伟大。这种光带与暗带的交替出现，是波动力学里面众所周知的一种现象，叫作干涉。从两条细缝绕射出来的光波彼此互相干涉，就产生干涉现象。这种波有时候彼此重叠，彼此增强，有时候互相抵消。

波峰与波峰重叠的地方，光就增强（这就是光带）。波峰与波谷相遇的地方，由于彼此抵消，所以就没有光照到墙上（这就是暗带）。

这就好比我们把两块石头同时丢到池塘里一样。我们可以从石头入水的地方看到水波扩散的情形。这两个石头制造的水波会互相干扰。彼此的波峰相遇的地方，水波变大；一方的波谷与另一方的波峰相遇的地方，水波消失。

简而言之，托马斯·杨的双缝实验显示的是，光必然像波一样；因为，只有波才会有干涉现象。但是，这样一来就形成一种现象，那就是，爱因斯坦用光电效应“证明”光像粒子一样，托马斯·杨用干涉现象“证明”光像波一样。然而，波不可能是粒子，粒子不可能是波。

事情刚开始！由于爱因斯坦已经“证明”光是由光子组成，所以我们现在就用光子来做托马斯·杨的双缝实验。（这有人做过） [5] 假设我们有一支光枪，一次只能发射一个光子。实验一切如前，唯一的不同是这次只开一条缝。现在我们发射光子，光子穿过细缝，打到墙上。此时我们（用照相图版）同时记下“弹着点”。我们发现，这些弹着点刚好都在如果两条缝同开时的暗区。换句话说，如两条缝同开，暗区里记录不到光子。

为了更加确定起见，我们又做了一次实验。可是这一次是两条缝同开。结果一如我们所料，前一次实验的弹着点地区这一次实验记录不到光子。双缝同开，出现干涉现象时，这个地区正好在暗带之上。

问题是，第一次实验的时候，光子怎么知道另外一条缝没有开？想一想这个问题。双缝同开的时候，墙上照出来的“总是”光带与暗带互相交替。这就是说，有一些地区光子是从来不去的（否则就不会有什么暗带了）。如果只开一条缝，就不会有干涉现象，暗带也消失了。这时整面墙都是亮的，其中包括双缝同开时的暗区。

为什么？我们只开一条缝，然后发射光子穿过这一条缝的时候，光子怎么“知道”自己一定会射到双缝同开时暗带的地方？换句话说，光子怎么知道另外一条缝没有开？

“量子论最大的奥秘，”斯塔普说，“在于‘信息为什么传得这么快’。”粒子怎么会知道有两条缝？不管什么地方发生了什么事，为什么都会有信息收集起来，用以决定此地将要发生的事？（注三）

这个问题没有人能够回答。但是有些物理学家，譬如瓦尔克（E．H．Walker）认为，这可能是因为光子是“有意识”的。

一切量子力学过程可能都与意识有关……因为，凡是事情发生了，每一件都是一次或一次以上量子事件的结果。这个宇宙“住”着无数意识上极为分立、通常是非思考的实体。这些实体数量几近无限，负责宇宙细部的运作。（注四）

瓦尔克这些话不管对不对，只要真有光子（光电效应已经“证明”有光子），那就可见双缝实验里的光子不论如何都“知道”这两条缝是不是开着，并且也依它所知行动。荣格的因果关联律——“同步”——可能是这种“知道”的另一种解释。

讲到这里，我们就回到了起点：一件东西如果有能力处理信息，并据之行动，这件东西就是“有机的”。所以，说到光子，我们别无他途，我们只有承认，光子——是为能量——能够处理信息并据之行动。所以，不管听起来多么奇怪，光子是有机的。这一来，因为我们自己也是有机的，所以，研究光子（以及其他能量量子），就有可能使我们知道一些我们自己的事情。

波粒二象性

波粒二象性是传统因果论的结束。因为，根据因果论，如果我们知道事情的初始状况，我们就可以预测事件未来的情况；因为，我们知道统御事件的法则。但是，在双缝实验里面，我们所知道的只是，对于单个光子，我们虽然知道它的初始状况，但是无法预测它以后会怎样。

譬如说实验一（只开一条缝），光子通过细缝之前，我们已经知道它的起源（灯）、速度（每秒30万公里）、方向。依照牛顿的运动定律，我们可以预测光子落在照相图版上面什么地方。现在姑且假设我们已经计算出来。

然后我们再来看看实验二（双缝都开）。同样地，光子通过细缝之前我们已经知道它的起源、速度、方向。并且初始条件和实验一完全一样。在同一地发射，以同样的速度前进，射到同样的地方，所以方向也与实验一是一样。唯一的不同只是实验二是双缝都开。现在，让我们再用牛顿的运动定律计算光子落在照相图版之处。

因为在这两个实验里，我们使用的数字、公式都一样，所以我们算出来的答案也一样，也就是说实验一光子撞击的地方与实验二一样。但问题就在这里。因为，事实上实验二的光子撞击地方与实验一并不一样。实验一的光子落下的地方在实验二是黑带。换句话说，尽管实验一和实验二的光子的初始条件都一样，并且亦为我们所知，这两个光子却落在不同的地方。

所以，我们无法预先判断个别光子的路径。我们的确能够事先判断墙上的波形。可是现在我们有兴趣的是个别的光子，而非诸光子合起来的波形。换句话说，我们知道一群光子会产生什么波形以及在波形中怎么分布，但是我们没办法知道哪一个光子会落在什么地方。关于个别光子，我们充其量只能说在某一地发现它的可能性（或然率）多大。

波粒二象性是量子力学里最棘手的问题。物理学家喜欢用有条有理的理论来说明事物，如果办不到，他们也喜欢用有条有理的理论来解释为什么办不到。波粒二象性正好不是有条有理的情况，所以事实上正是由于这种情况没有条理，才逼迫物理学家发现崭新的方法来知觉自然界。这些新的认知架构，比起旧的来说，与人的切身经验符合多了。

对于我们大部分人而言，生活很少是黑白兼具的。但是波粒二象性是一个标志，标示的是传统上“只能是其中之一”这种看待世界的方法已经告终。物理学家已经不再能够接受“光只是粒子或者只是波”这种命题。因为，物理学家已经“证明”光两者皆是，视我们如何看它而定。

爱因斯坦当然知道自己的光子论与托马斯·杨的波动说矛盾，而且自己也没有办法证明波动说错误。他认为有“阴影波”在引导光子。“阴影波”只是一种数学的存有，实际上并没有这种东西。现在有一些物理学家依然用这种观点看待光的波粒二象性。可是在大部分物理学家看来，这个解释太牵强了。这个解释看似合理，事实上不曾说明什么事情。

概率波

由于波粒二象性，才促成我们对于新发现的量子论有了初步的了解。1942年，玻尔和克拉默斯（H.A.Kramers）以及斯莱特（John Slater）提出了一个看法，认为波粒二象性里面的波是一种“概率波”。概率波是一种数学的存有。物理学家可以利用概率波预测事件发生或不发生的或然率。后来，他们三人的数学经过证明是错误的，可是这个观念的本身却很合理。这个观念和前人提出的观念都不一样。后来，“概率波”这个观念以不同的形式（数学结构）发展成量子力学特有的质素。

按照玻尔他们设想的来看，概率波是一个全新的观念。概率（或然率）并不新，可是概率波却是新的。概率波说的是不论如何已经在发生，可是还没有成真的事物。概率波说的是事物发生的“倾向”。这种“倾向”即使从未成为真实事件，它的存在仍然自然天成，其存在的方式则未能阐明。概率波是这些倾向的数学目录。

概率波与传统的或然率完全不同。在赌桌上掷骰子的时候，从传统的或然率，我们知道掷到我们要的数字的机会是六分之一。可是，玻尔、克拉默斯、斯莱特的概率波绝不只是这样。

海森伯说：

概率波意指事物的倾向。以往亚里士多德的哲学里有一个“潜能”（potentia）的概念；概率波即是这个概念一种量的讲法。它引介了一种位于事件之观念与事件之间的东西。这种奇异的自然实在正是介乎可能与实在之间。（注五）

1924年，普朗克发现量子引发了物理学的地震效应。量子使爱因斯坦发现光子，光子造成波粒二象性，波粒二象性又导向概率波。牛顿物理学顿成昔日之物。

物理学家发现，他们处理的能不知如何总是在处理信息（这使它变成有机），然后又难以言说地用一定的形态（波）呈现自己。简而言之，物理学家发现他们处理的是物理——也就是种种形态的有机能量。

第4章
事情是这样的

量子力学的程序

量子力学是一种程序，一种看待实相特定部分的特定方法。量子力学只有物理学家才用。依循量子力学这个程序的好处在于，只要我们按照一定的方法做实验，我们就能预测事物产生某些结果的“或然率”。量子力学的目标不在于预测会发生什么事，而在于预测发生各种结果的可能性。物理学家当然也希望自己也能够比较准确地预测亚原子事件；可是，到目前为止，在他们的能力建构范围之内，量子力学是亚原子现象唯一成立的理论。

但是，或然率和宏观事件一样，仍然有一定的规律可循。道理完全一样。我们只要对一个实验的初始条件够了解，就可以用严格的发展规律，计算发生某一结果的可能性多大。

譬如说，在双缝实验里，我们没有办法计算单个光子将撞击在照相图版的什么地方。但是，只要我们有适当的准备，最后又能做适当的测量，那么我们确实能够精确地计算光子落于某处的或然率有多大。

现在，假设我们算出这个光子落在A区的或然率是60%。那么这是不是说这个光子还是可能落在它处？不错，这个可能性的或然率是40%。

（问一问津得微）在这种情况之中，到底是什么东西在决定光子落于何处？量子论的答案是，纯粹的偶然。

关于量子力学，这个纯粹的偶然正是爱因斯坦反对的项目之一。他之所以从来就不认为量子力学是基本的物理理论，这只是其中一个理由。“量子力学令人感受深刻，”他在给玻恩（Max Born）的信中说，“……可是我相信上帝不掷骰子。”（注一）

40年后，贝尔（J.S.Bell）证明他应该是对的。可这是另一个故事，后面再说。

预备区

量子力学程序的第一步是，依照一定的规则预备一个物理系统（实验仪器）。这个系统叫作预备区。

第二步是，预备另一套物理系统，用以测量实验的结果。这一套系统叫作测量区。理想上来说，测量区应该远离预备区。当然，对一个亚原子粒子而言，稍微宏观一点距离就已经是很远了。

现在我们就依循这个程序来做双缝实验。首先，我们在桌上放置一个光源，再放一张幕，上面有两条垂直细缝。两者稍微隔开一点距离。这些仪器所在的地方就是预备区。接下来我们在幕的另一边放一张照相图版。这里是测量区。

第三步是将预备区的仪器（光和幕）以及我们知道的事情翻译成数学术语。测量区的仪器（照相图版）亦然。

要做这一步工作，我们必先有一些置放仪器的规则。这就表示在实际操作上我们必须给设置仪器的技师精确的指示。譬如说，我们必须告诉他光和幕之间确切的距离、光的频率与强度、幕上两条缝的尺寸、两者的相对位置、相对于光源的位置等。测量区的仪器亦然。譬如说照相图版要放在哪里、要用哪一种底片，如何冲洗等。

这一切实验设计的规则全部翻译成量子论的数学语言之后，我们再把这些数字全部输入一个方程式里面。这个方程式表达的是一个自然因果发展的形式。请注意，这一句话只说有一个发展的形式，并没有说什么在发展，因为，从来没有人知道是什么在发展。量子力学哥本哈根解释之所以说量子论是完整的理论，其原因在于量子论在每一个可能的实验情况里都有效（亦即可以组织经验，建立其间的关系），而不是说它可以详细地说明事情怎样进行。 [6]

（爱因斯坦不满的就是量子论不能充分解释事物。因为，量子论只处理群体行为，而非个别事件。）

量子论预测群体事件的时候，确实如物理学家所说的一样有效。譬如说双缝实验，量子论在双缝实验里就准确地预测了光子记录在A区或B区或C区的或然率。

量子力学程序的最后一步，当然就是做实验得出结果。

被观察系统与观察系统

要应用量子论，物理世界必须分为两个部分。一个是被观察系统，一个是观察系统。被观察系统和观察系统与预备区和测量区不一样。“预备区”和“测量区”这种术语讲的是实验仪器的物理组织。“被观察区”和“观察区”则与物理学家分析实验的方式有关。（顺便一提，“被观察”系统也只有与观察系统互动的时候才能观察。并且，就算是这样，我们能够观察的也只限于测量仪器上显示的事情。）

在双缝实验里，光子就是被观察系统。我们在这个实验里捕捉到光子从预备区进行到测量区。凡是量子力学的实验，被观察系统四周的环境就是观察系统——这个环境包括研究这项实验的物理学家。被观察系统若是行进的时候不受打扰（“独自传播”），就会按照一个自然的因果律发展。这个因果发展律叫作薛定谔波方程式。薛定谔波方程式里面所放的数据，就是将实验仪器显示的数据，翻译成量子论数学语言之后的数据。

这些已经翻译成量子论数学语言的实验规则，每一组都相当于物理学家所说的一个“可观测对象”。只要我们所翻译的实验规则得到满足，那么可观测对象就是实验的要点，并且物理学家也认为这是一种固定的，已经决定的性质。对于一个测量区，我们翻译成数学语言的实验规则可以有好几组。每一组相应于一种可能的结果（也就是光子落于A区的可能性、落于B区的可能性、落于C区的可能性等）。

测量区与预备区里面每一组可能的状况，其实验规则在数学里都相当于一个可观测象。 [7] 一个可观测象，在经验的世界里，则是实验规则可能（在我们的经验中）发生的事件。

作为关联物的光子

换句话说，预备区与测量区之间的被观察系统所发生的事，要用数学来表达成两个可观测对象（生产与检测）之间的关联。然而，我们知道双缝实验里的被观察系统是一个粒子——光子。用另外一种说法来说就是，这两个可观测对象之间的关系竟然是一个光子。这和“基本粒子”这种积木观差太多了。几百年来，科学家一直想把实在界化约成再也无法分解的实体。可是，当他们已经这么接近目标的时候（光子的确非常“基本”），却发现基本粒子没有自己的存在。想一想这多么令人惊讶！

斯塔普在为原子能委员会写的论文里说：

……基本粒子不是一种独立存在的、无可分析的实体。本质上，基本粒子是一组向外探触他物的关系。（注二）

不只这样，物理学家为这样的“一组关系”构筑出来的数学图像，反过来竟然与真正的（物理的），会运动的粒子的图像很相像。 [8] 统御这样的一组关系运动的方程式，正是统御真实粒子运动的方程式。

斯塔普说：

可观测对象之间的长程关联拥有很有意思的性质。统御（长程关联）这一种效应的传播之运动方程式，即是自由运动粒子的方程式。（注三）

其实自然界里事物并没有什么“关联”。在自然界里，事物就是事物，没有别的，不过是周期罢了。“关联”只是我们用来描述我们所“知觉”的事物的概念。只有人才会有“关联”这个概念，只有人才会有“关联”这两个字。因为，只有人才会用概念和文字。

“关联”是一种概念。亚原子粒子即是种种关联。如果我们不创造概念，就不会有什么概念——其中当然包括“关联”这个概念。一句话，如果我们不在这里创造粒子，根本不会有粒子！ [9] 独自发展的被观察系统是量子力学的基础。“独自发展”这句话所说的“独自”指的是我们将预备区与测量区分隔之后所创造的那种“孤立”。我们说这种状态是“孤立”的，但是，事实上又有哪一样东西是孤立的呢？或许只有宇宙整体例外。（它能孤立于什么东西之外呢？）

事实上我们所创造的“独自”只是一种理想。有的人有一种观点，认为只有量子力学才能使我们从根本无可分割的整体里面，将光子理想化出来，然后我们才能研究光子。然而，事实上却是因为我们研究光子，才使光子与根本无可分割的整体孤立了。

光子不曾独自存在。真正独自存在的只有种种关系的网络（各行各色的形态）形成的一个无可分割的整体。个别的实体不过是一种理想，是我们创造的一种关联。

简而言之，依照量子力学所说，物理的世界：

……不是由独立存在的、无可分割的实体筑起的结构，而是各个要素之间的关系形成的网络。其中各个要素的意义整个来自它自身对于全体的关系。（注四）

这样的新物理学听起来像极了古老的东方神秘主义。

动态地（亦即随着时间而变化地）显示可能性即是预备区和测量区之间发生的事情。这种事情是根据薛定谔波动方程式产生的。只要是在这种种可能性发展的过程当中，不管是什么时候，我们都可以判定其中一个发生的或然率。

光子落在A区是一个可能性，光子落在B区是另一个可能性。然而，一个光子却不可能落在A区的同时又落在B区。诸种可能性之一成真，其他可能性成真的或然率就降为零。

一个可能性怎么样才会成真？一个可能性之所以成真，是因为“我们去测量”的关系。因为，测量干涉了可能性发展的过程。换句话说，测量干涉了被观察系统在孤立状态中发展的过程。被观察系统里面有种种潜势。这种种潜势都是孤立状态的被观察系统的一部分。我们一干涉（由薛定谔波动方程式统御的）被观察系统，就会使其中一种成真。譬如说，只要我们在A区检测光子，光子落在B区等其他地方的可能性就没了。

波函数

预测区和测量区之间种种可能性发展的过程，必须用一种特别的数学实体来表示，这种数学实体物理学家叫作“波函数”。因为，这种函数在数学里看起来一如波动，不断变化而又增生。要言之，薛定谔波动方程式统御了（预备区和测量区之间的）被观察系统（这里的例子里是一个光子）在孤立中发展的过程。这个过程以数学的波函数来表示。

波函数是数学上虚构的东西，用来表示被观察系统一旦与观察系统（测量仪器）互动之后，被观察系统的种种可能性。被观察系统从离开预备区一直到与观察系统互动之间，不论什么时候，其波函数的形式都可以经由薛定谔波动方程式来计算。

概率函数

波函数计算出来以后，我们可以再做一个简单的数学运算（将其振幅平方），得出另一个数学实体，叫作概率函数（专业一点，就叫作概率密度函数）。这个概率函数告诉我们的是某一个时候各个可能性发生的概率。这种可能性以波函数表示。波函数用薛定谔波动方程式来计算，处理的对象是可能性；概率函数以波函数为基础，处理的对象是或然率。

可能与或然不一样，譬如夏天下雪，事情可能，但不怎么或然。若是在南极，那么夏天下雪不但可能，而且甚为或然。

波函数与概率函数的差别在于，一个被观察系统的波函数就是一份数学式的目录。这一份数学式的目录亦即一种物理描述，说明我们测量一个被观察系统的时候，这个被观察系统可能发生什么事。概率函数则告诉我们这些事件真正发生的概率多大。概率函数说，“这件事（或那件事）有发生的机会”。

本来，被观察系统一直快快乐乐地依照薛定谔波动方程式在产生各种可能性，可是等到我们一进行测量，也就是想看看有什么事发生的时候，我们就干涉了被观察系统独自发展的过程。这时，所有的可能性——除了一个——的或然率便变成零。然后，这个可能性——也就是除掉的这一个——的或然率就变为一，这意思就是说这个可能性成真了。

波函数的发展过程有一定的准则，这个发展过程我们用薛定谔波动方程式来计算。由于概率函数以波函数为基础，所以，可能发生的事情的概率必然也是依据薛定谔波动方程式按一定的过程发展的。

因为这样，我们才能够准确地预测事件的或然率。但是我们无法预测事件的本身。我们想要什么结果，我们可以算出这个结果的或然率。可是，我们一旦做了测量，真正的结果就可能是我们要的那一个，也可能不是我们要的那一个。光子可能落在A区，也可能落在B区。根据量子论，哪一个可能性成真纯属偶然。

讲到这里，我们再回到前面的双缝实验。在这一个实验里，我们无法预测光子会落在什么地方。我们只能计算光子最可能落在何处，第二可能落在何处，依此类推。 [10]

现在假设我们在第一条缝和第二条缝都放一个光子检测器，然后再从光源发射光子。发射以后，第一条缝或第二条缝早晚总会有一个光子通过。这时这个光子有两个可能：一个是通过第一条缝，第一个检测器启动；另一个是通过第二条缝，第二个检测器启动。这两个可能性不论是哪一个，每一个都已经包含在这个光子的波函数里面了。

姑且让我们说我们检查检测器以后，发现第二个检测器启动了。我们一知道光子在第二条缝通过，也就同时知道它不在第一条缝通过。换句话说，那个可能性已经不再存在。这样，这个光子的波函数也就变了。

测量之前，这个光子的波函数的图标有两个隆起：一个表示光子通过第一条缝，第一个检测器启动；另一个表示光子通过第二条缝，第二个检测器启动。

我们一检测到光子通过第二条缝，光子通过第一条缝的可能性即不再存在。这时，图示里面表示这个可能性的隆起遂变为直线。这种现象叫作波函数崩塌。

量子跃迁

照物理学家这么说，波方程式似乎表现了两种发展模式，很不一样。一种是顺畅的、动态的。我们可以预测这种发展，是因为这种发展符合薛定谔波动方程式。另一种是突兀的、中断的（又来了，这三个字）。这种发展模式就是波函数崩塌。波函数的哪一个部分会崩塌纯属偶然。从第一种模式转移到第二种模式叫作量子跃迁。

量子跃迁不是舞蹈。量子跃迁是，除了实现的那一个，波函数其余的发展对象全部崩塌。情形如此，被观察系统数学上的表示，遂如实地从一种情况跳到另一种情况。此时我们看不到介乎这两种情况之间的发展过程。

在量子力学实验里，被观察系统从预备区进行到测量区而完全不受干扰的时候，是依照薛定谔波动方程式发展的。这期间，凡是其中可能发生的事都会显示为发展中的波函数。但是，被观察系统一旦与测量仪器（观察系统）互动，这种种可能性之一便实现为真，其余的则完全消失，不再存在。从这种多面的潜势转为单单只有一个实现，就是量子跃迁。

量子跃迁也可以说是从一个理论上无限维度的实在，跃向一个三个维度的实在。因为，被观察系统在受到观察以前，事实上它的波函数一直向着许多数学维度增生。

以双缝实验里的光子的波函数来说好了。这个光子有两个可能性：一个是通过第一条缝，第一部检测器启动；另一个是通过第二条缝，第二部检测器启动。这些可能性，每一个都要用一个存在于3个维度与1个时间的波函数来表示。这是因为我们的实在界本来就有3个维度——长、宽、高——和1个时间的缘故。描述物理事件而想要准确，我们就必须说明它在何时何地发生。

要说明一件事情何处发生需要3个“坐标”。假设有1间空房子，里面飘浮着1个隐形气球。现在，如果我们想指出这个气球的所在，我们就必须说：“从某一个角落，沿着某一面墙走5米（第一维度），接着背墙向外走4米（第二维度），那个地方向上3米（第三维度），气球就在那里。”每一个可能性都存在于3个维度和1个时间里。

所以，如果一个波函数说的是2个粒子的可能性，1个粒子3个维度，那么这个波函数便存在于6个维度里。如果一个波函数说的是12个粒子的可能性，那么这个波函数便是存在于36个维度里！ [11]

但是，36维空间我们的眼睛是看不到的，因为我们的经验仅限于三维空间。不过，36个维度是这种情况的数学表达。

此处我们思考的要点在于，在量子力学实验里，我们一旦做了测量——也就是，被观察系统一旦与观察系统互动——我们就会将多维度的实在化约成3个维度的实在，以便与我们的经验兼容。

譬如说，假设我们计算一个从4个点检测光子的波函数，这个波函数便是一个4件事同时存在于12个维度的数学实在。原则上，就算是表示无限事件同时存在于无限维度的波函数都是可以计算的。但是，一个波函数不论多么复杂，只要我们一做测量，我们立刻就会把这个波函数化约成一种与三维实在兼容的形式。这种形式也就是经验实在的唯一形式，瞬间不离，随时可见。

现在，我们就要问问题了：“波函数到底是什么时候崩塌的？所有为被观察系统而发展的可能性，除了一个，其余的到底是什么时候消失的？”

到目前为止，我们都说波函数是有人看着被观察系统的时候崩塌的。不过这只是种种看法之一（只要讨论到这个问题，任何主张都是一种看法）。有人说，波函数是在“我”看着被观察系统的时候崩塌的。还有人说，波函数是在我们做测量（即使是用仪器）的时候崩塌的。照这个说法，我们在不在现场观看都不要紧。

设若实验的当时没有人牵涉其中，整个实验完全自动进行。光源发射光子以后，这个光子的波函数包含光子通过第一条缝，第一部检测器启动的可能性，也包括通过第二条缝，第二部检测器启动的可能性。

现在姑且假设第二部检测器记录到光子。

若是根据古典物理学，光源发射的光子确实是一个粒子。这个光子从光源行进到第二部检测器检测到它的那一条缝。我们虽然不知道这个光子转移时的位置，可是只要我们知道方法，我们自可断定。

然而根据量子力学，事情却并非如此。光源和幕之间并没有一种叫作光子的真实粒子在行进。光子要到第二条缝实现了一个光子才有所谓光子。那个时候之前，有的只是一个波函数。换句话说，在这之前，有的只是光子在第一条缝实现或者在第二条缝实现的可能性。

依照古典的观点，光源和幕之间确实是有一个粒子行进，通过第一条缝的可能性是50/50，通过第二条缝的可能性也是50/50。但是依照量子力学，检测器启动以前没有光子，有的只是一个潜势在发展。光子在这个潜势里面会走向第一条缝，也会走向第二条缝。这就是海森伯听说的“介乎可能与实在之间的一种奇异的物理实在”。（注五）

这样说已经是最清楚的了。将数学翻译成白话的确不再那么精确，可这不是问题。把数学学好一点，依循薛定谔波动方程式，我们看这个现象会比较清楚。不过，不幸的是，看清楚以后反而伤脑筋了。

问题在于我们已经习惯于简单地看世界。我们习惯于认为一件东西要不就是在那里，要不就不在。不管我们看着或者没看着都一样。我们的经验告诉我们物理的世界是坚固的、真实的，与我们相互独立。不过，量子力学却（轻描淡写地）说不是这样。

假设有一个实验师，他完全不知道实验是全自动的。他走进屋子里想看看哪一部检测器记录了光子。他看着观察系统（检测器）的时候可能看到两件事情。一个是他可能看到第一部检测器检测到光子。另一个是他可能看到第二部检测器检测到光子。所以，观察系统（现在的观察系统是实验师）的波函数有两个隆起，分别属于两个可能性。

若从量子力学上来说，这两种情况在实验师观看检测器之前都是存在的。但是一旦他看到第二部检测器启动，第一部启动的可能性就消失了。这时，测量系统的波函数上面的这一个部分也就跟着消失。于是，对实验师而言，第二部检测器记录了光子就是他的实在。换句话说，原来的观察系统因为实验师的关系变成了被观察系统。

现在，假设主控实验的物理学家进来核对实验师的观察所得。他想知道实验师在检测器上面看到什么东西。对于实验师，这时就有两种可能性。一个是实验师看到第一部检测器记录了光子，一个是实验师看到第二部检测器记录了光子。依此类推。 [12]

到了这一地步，波函数分裂为两个隆起（每个各代表一个可能性）的情形，已经从光子发展到检测器、实验师、主控者身上。这种可能性的增生便是薛定谔波动方程式统御的发展过程。

若是没有人的知觉，这个宇宙便循着薛定谔波动方程式不断发生极多的可能性。然而，有了人的知觉，这知觉的效应就立即而且巨大。有了人的知觉，代表被观察系统的一切可能性，除了一个，立刻全部塌缩。而这例外的一个便实现为实在。没有人知道为什么所有的可能性会有一个成真而其余的消失。这种现象只有一个规律，而这个规律却是统计的规律。换句话说，这个现象纯属偶然。

测量理论

光子、检测器、实验师、主控者等的波函数分裂为两部的情形，叫作“测量问题”，有时候又叫作“测量理论”。 [13] 假设光子的波函数有25个可能性，那么，测量系统、实验师、主控者的波函数也就都有25个隆起。这以后我们才有一个知觉，然后波函数才崩塌。从光子到检测器，到实验师，到主控者……我们可以一直这样持续下去，到最后就是整个宇宙。又是谁在看着宇宙呢？换句话说，宇宙是如何实现的呢？

这个问题的答案不过是在绕圈子。谁在实现这个宇宙？答案是：我们在实现这个宇宙。因为我们是宇宙的一部分，所以宇宙（和我们）都在自我实现。

这样的思想方向与佛教心理学的某些层面实在很接近。物理学对未来的意识模式必然会有重大的贡献，这就是其中之一。

量子力学的形而上学

量子力学哥本哈根解释也说了，只要量子力学在所有可能的实验状况里成立（正确的组织经验，建立其间的关系），我们就不必“躲在后面偷窥到底发生什么事”。我们没有必要知道光是如何显示为粒子又显示为波。我们只要知道光是这样的，利用这种现象预测或然率就够了。换句话说，量子力学已经统一了光之为粒子与波的这两种特性。可这是有代价的，那就是，量子力学不描述实在。

凡是想描述“实相”，这种努力到最后都会转移到形而上学思维的领域。 [14] 这并不是说物理学家不做形上思维。很多物理学家都做形而上学思维，譬如斯塔普就是。

他们是这样推论的，波函数是量子力学基本的理论量。波函数对可能发生什么事做一种动态的（波函数会随着时间改变的）描述。不过，波函数到底描述了什么东西？

根据西方思想，这个世界基本上分为两面，一是物质，一是观念。物质面与外在世界有关。外在世界大部分皆视为由坚硬而无反应的材料构成，譬如岩石、金属等。观念面则是我们主观的经验。历史上，调和两者便是宗教的一个课题。主张这种种看法的哲学有唯物论（这是说，尽管我们有一些别的什么印象，可是这个世界是物质的世界）、唯心论（虽有种种表象，可是这个世界是观念的世界）。问题是，波函数呈现的是哪一面？

依照斯塔普阐释的正统量子力学观，答案是，波函数呈现的东西既有观念的特性，也有物质的特性。 [15]

譬如说，波函数所代表的被观察系统在预备区和测量区之间独自传导的时候，会依照一定的规律（薛定谔波动方程式）发展。符合因果律的时间性发展都是物质特性。所以不论波方程式代表的是什么东西，这个东西就有物质相。

然而，波函数代表的被观察系统一旦（在我们做测量的时候）与观察系统互动，就会顿然跳到一种新的情况。这种“量子跃迁”式的转移都是观念特性。观念（譬如事物的知识）的变化可以是中断式的，并且实际上也是中断式的。所以不论波动方程式代表的是什么东西，这个东西就有个观念相。

严格说来，波函数代表的是量子力学实验里的被观察系统。用普通的话来说就是，波函数所描述的，已经是物理学家所能探索的最根本层次（亚原子）的物理实相了。依据量子力学，波函数已经是那个层次的物理实相“完整”的描述。大部分物理学家都认为，除了波函数，想对经验之下的次结构有更完整的描述已经不可能了。

“等一下！”津得微说（他是从哪里冒出来的？），“波函数的描述由坐标（3、6、9等）和时间构成。这怎么会是实相的完整描述？我的女朋友跟一个吉卜赛人跑去墨西哥，想想看我心里的滋味如何？这种事波函数要怎么说？”

这种事波函数什么都不说。量子论所谓的波函数是“完整的描述”指的是物理实相的描述。不论我们怎么看、怎么想，感觉又如何，波函数只有尽可能完整地描述我们是何时何地做这件事的。

由于我们认为波函数是物理实相的完整描述，又由于波函数描述的东西既近似物质，又近似观念，所以物质实相必然又近似物质，又近似观念。换句话说，这个世界必然不是表面上看起来的模样。不论听起来多么不可置信，正统量子力学的观点得到的正是这个结论。物理世界“看起来”是完全的实存（substantive，意即由“材料”构成）。但是，就“实存”这两个字通常的意义（百分之百物质，百分之零观念）而言，物质世界既然有观念相，就不是实存的。斯塔普说：

量子力学坚决地认为，对于经验之下的次结构，要有比量子力学更完整的描述是不可能的。如果这个态度是对的，那么就实存这一个词通常的意义而言，实存的物理世界是没有的。这里的结论并不是一个保守的结论，说什么“可能”没有实存的物理世界；这里的结论是，根本没有实存的世界。（注六）

可是这意思也不是说这个世界完全都是观念。量子力学哥本哈根解释并没有走到“幕后才是实相”的地步。不过哥本哈根解释的确是说这个世界不是表面所见的模样。哥本哈根解释说，我们所知觉而认为是物理实相的，实际上是我们对它的认知构造。这个认知构造看起来或许是实存，但是讲到物理世界的本身，量子力学哥本哈根解释则直截了当地下结论说“不是”实存。

这个说法乍看之下实在违背常理，偏离经验，于是我们便想斥之为象牙塔知识分子的产物。但是，我们实在不应该这么鲁莽。理由如下：

第一，量子力学是一个合乎逻辑，前后一致的体系。它不但内部一致，而且也与一切已知的实验一致。

第二，我们平常对于实相的观念与实验证据不合。

第三，这样看世界的不只物理学家，很多人都有这种看法，物理学家不过是初来乍到。印度教和佛教徒大部分看法近似。

所以，就是排斥形而上学的物理学家显然也难以规避。讲到这里，我们与最先下海描述“实相”的物理学家接头了。

到目前为止，我们的讨论都是根据量子力学哥本哈根解释进行的。但是，无可避免地，这个解释也有瑕疵。它的瑕疵在于测量问题。一个观察系统进行的那种检测，必须先使被观察系统的波函数崩塌，变成物理的实相之后，才能进行。否则“被观察系统”就只是一大堆不断繁殖的、依照薛定谔波动方程式所产生的可能性，而不会有物理的存在。

但是，埃弗莱特（Hugh Everett）、惠勒（John Wheeler）、格雷厄姆（Neill Graham）提出一个理论，用最简单的方法解决了这个问题（注七）。他们说，波函数是真正的东西。波函数所代表的可能性全都是真的，“全部都会发生”。但是，依照量子力学正统的解释，一个被观察系统的波函数所含的可能性只有一个会实现，其余的则全部消失。但是埃惠格（埃弗莱特、惠勒、格雷厄姆）理论说，这些可能性其实“全部”都实现了，只不过是在与我们并存的其他世界实现的罢了！

讲到这里，让我们再回到双缝实验。光源发射光子，光子可能通过第一条缝，可能通过第二条缝。第一条缝和第二条缝各置一个检测器。不过我们这次再加一个实验程序，这个程序是：如果光子通过第一条缝，我就上楼；如果光子通过第二条缝，我就下楼。这一来就有两个可能，一个是光子通过第一条缝，第一部检测器启动，我上楼；另一个是光子通过第二条缝，第二部检测器启动，我下楼。

根据哥本哈根解释，这两个可能性是互相排斥的。因为，我不可能同时上楼又下楼。

但是，根据埃惠格理论，波函数“崩塌”的时候，宇宙便分裂为二。我在其中一个上楼，在另外一个下楼。我有两个版本，各干各的事，不知彼此。他们（也就是我们）的路途不会交会，因为这两个世界从原来的世界分裂为二之后，就永远各成实相的一个分支了。

量子力学的多重世界解释

换句话说，若是根据量子力学哥本哈根解释，薛定谔波动方程式的发展，产生了无数不断繁殖的可能性。但是，若是根据埃惠格理论，那么薛定谔波动方程式的发展则产生了无数不断繁殖的“实相的分支”。这个理论要说得恰当的话，就叫作“量子力学多重世界解释”。

理论上，多重世界解释的好处是它不需要一个“外在的观察者”来使波函数其中所含的一个可能性“崩塌”成物理的实相。根据多重世界理论，波函数是不会崩塌的。波函数只是根据薛定谔波动方程式发展，不断分裂而已。在这样的一次分裂里面，如果有一个意识在场，那么这个意识也就跟着分裂。它的一部分与实相的一支产生关系，另一个（或者说，其他的）部分与另一支（或者说其他的）实相产生关系。在经验上，其中每一支实相对另一支实相而言，都是不可接近的。所以其中的意识也就认为自己所在的实相是实相的整体。所以，意识的作用（设若与测量行为有关的话）虽然在哥本哈根解释里面居于核心的地位，可是在多重世界理论里面，却是次要的。

然而，对于物理实相各分支之间关系的结构，“多重世界”这种描述听起来有若一种神秘统一观的可测量版。一个集成的系统里面，每一个次系统的状态与其他的次系统的状态都有一个独特的关联。（在这种情形之下，所谓“集成的系统”意指观察系统与被观察系统两者的一种结合。换句话说，被观察系统的每一个系统的状态都与观察系统的某一个状态有关联。）

这种情形换一种说法就是，不管是实相的哪一个分支，只要是作为观察系统与被观察系统互动的结果而可能向我们“实现”，在多重世界理论都只界定为“将代表观察系统与被观察系统的波函数解组的一个途径”。根据这个理论，除了实现的这一个，其他“可能”由同一个互动产生的状态事实上都“真的发生”了，不过只是在其他实相的分支发生罢了。这些实相的分支每一个都是“真的”。我们将全体的波函数解组的一切途径都是由这些分支组成的。

既然如此，测量问题就不再是问题了。总而言之，测量问题就是“谁在看这个世界”，不过多重世界理论却说，要使宇宙实现，并不需要先使波函数崩塌。被观察系统的波函数所含的一切互相排斥的可能性，在波函数崩塌的时候，（根据哥本哈根解释）虽说只有一个实现，但事实上都实现了，不过不在宇宙的这个分支罢了。譬如说，在我们的实验里，波函数所含的一个可能性在宇宙的这个分支实现（我上楼），另一个可能性（我下楼）则在另一个分支实现。我在这一个分支里上楼，在另一个分支里下楼。两边的“我”都不知道对方。两边的“我”都认为他的分支就是全体宇宙。

多重世界理论说，宇宙是有的；凡是能够将自己解组为可能实在的途径，这个宇宙的波函数都已经呈现。我们全部已经在一个大箱子里面，不必再从外面看这个箱子来使它实现。

在这一点上面，多重世界理论实在耐人寻味。因为，爱因斯坦的广义相对论也说我们的宇宙就像一个大箱子。而且，如果真是如此，我们永远不可能来到“外面”。 [16]

薛定谔的猫

“薛定谔的猫”（Schrödinger’s Cat）总结了古典物理学、量子力学哥本哈根解释、量子力学多重世界解释三者的差异。“薛定谔的猫”是很久以前那个发现薛定谔波动方程式的名人设下的困境：

有一个箱子，里面关了一只猫。里面还有一部仪器，可以放出瓦斯，立即将猫杀死。决定这部仪器会不会放瓦斯的是一个随机事件（一个原子的衰减）。除了向箱子里面看，我们无从知道里面发生什么事。箱子现在封起来，实验开始。一会儿之后，我们知道仪器要么就是已经放出瓦斯，要么就是没有放出瓦斯。问题是，如果不看里面，我们无法确定里面到底会发生什么事。（这使人想起爱因斯坦那打不开的手表。）

若是根据古典物理学，猫要么死了，要么没死。我们只要打开箱子看看就知道了。可是根据量子力学，事情就没有那么简单。量子力学哥本哈根解释说，此时猫的情况是一种过渡状态。呈现这种状态的波函数包含猫死的可能性，也包含猫不死的可能性。 [17] 我们看箱子以后，这两个可能性就一个成真，一个消失。这就叫作波函数的崩塌，因为，波函数里面代表那个未发生的可能性的隆起崩塌了。我们必须向箱子里面看，才会有一个可能性发生。这之前有的只是一个波函数。当然这样说其实毫无意义，因为，经验告诉我们，我们放进去的是猫，实验之后，里面还是猫，不是波函数。唯一的问题是猫是死的还是活的。但是，不论我们有没有看箱子里面，里面都是猫。我们就算跑去度假以后再回来看箱子，对猫而言并没有差别，它的命运早在实验开始的时候就决定了。

这是一种常识观。这种常识观也是古典物理学的观点。根据古典物理学，我们观看一件东西因而得知一件东西。但是根据量子力学，我们观看一件东西，因而才“有”一件东西！所以，猫的命运是我们向箱子里面看时才决定的。

量子力学哥本哈根解释和量子力学多重世界解释都说，对我们而言，猫的命运要到我们向箱子里面看时才决定。可是看箱子以后会怎样，两者的说法却不一样，这要看我们遵循哪一个解释而定。

若是根据哥本哈根解释，就在我们向箱子里面看的那一刻，代表猫的那个波函数所含的可能性之一实现，其余的消失。猫不是死就是活。若是根据多重世界解释，就在原子衰减（或者根本就不衰减，看我们说的是实相的哪一个分支而定）的那一刻，这个世界便分裂为两个，每一个各有一个猫的版本。代表猫的波函数并不崩塌，因为猫既死又活。除了这个，就在我们看箱子的那一刻，我们的波函数也分裂为二。一个与猫死的实相分支相连，一个与猫活的实相分支相连。两者的意识都不知道对方。

要言之，古典物理学认为世界是有的，看起来是什么样子就是什么样子。量子力学则容许我们保留一个可能性，说这个世界不是这样。量子力学哥本哈根解释规避了“这个世界真正是什么样子”，不做描述，但是下结论说，这个世界不论真正是什么样子，总不是实存的（一般所说的意思）就是了。量子力学多重世界解释则说，我们有许多版本的自己同时活在许多个世界，数量无算，全部都是真的。

除了以上这些，关于量子学还有种种解释，不过都过于乖违。

量子物理学实在比科幻小说还要诡异。

量子力学是一种理论，也是处理亚原子现象的一种程序。一般来说，除了有机会使用精密（而又昂贵）设备的人，其他人绝无可能接触到亚原子现象。但是，即使是用最昂贵、最精密的设备，我们看到的也只是亚原子现象的效应而已。亚原子领域超越感官知觉的限度之外（眼睛适应黑暗之后，可以察觉到个别的光子。除此之外，其他的亚原子粒子都只能用间接的方法检测），也超越理性了解的限度之外。当然，关于亚原子粒子我们已经建立了理性的理论，不过这个“理性”已经延伸，把以前认为无理或者（至少）是非难解的理论包括在内了。

我们生活的世界，我们这个高速公路、浴室……各种人的世界，看起来离所谓波函数、干涉的确甚为遥远。简言之，量子力学的形而上学是从微观跳跃到宏观的，不过这个跳跃却没有证据支持。那么，这样的亚原子研究的内涵可以应用到宏观世界吗？

答案是，不可以。只要每一个案例我们都必须提出数学证明就不可以。因为，证明又是什么？证明只证明我们照规矩在玩（规矩到底还是我们定的）。就此处我们讨论的事情而言，我们提出的物理实相的性质在逻辑上前后一致，符合经验，就是规矩。这些规矩并没有说我们提出的必须有像“实相”的东西。物理学是对经验做自我一致的解释。因为要满足物理学这种自我一致的要求，证明才变得那么重要。

多疑的托马斯

《圣经·新约》的观点不一样。基督复活之后，给托马斯（后来便是俗语所说的“Doubting Thomas”，即“多疑的托马斯”）看他的伤痕，证明他就是“祂”，已经从死里复活。但是基督随即将他的宠爱加在“不看证据”就信他的人身上。 [18]

没有证据就接受是西方宗教的基本特性。没有证据就排斥是西方科学的基本特性。换句话说，西方将宗教归于心灵，科学归于心智。但是这个令人遗憾的情形并没有反映一个事实，那就是，在生理上，心灵与心智缺乏对方都无法存在，两者人都需要。心灵与心智不过是我们的不同面相而已。

这样说来，谁对呢？耶稣的门徒应该没有证据就信吗？科学家还要坚持要证据吗？这个世界是没有实质的吗？这个世界是真的，只不过一直在分裂为无数的分支吗？

物理师傅知道，“宗教”和“科学”只是舞蹈，不论人相信宗教还是相信科学，都只是舞者。舞者可以说他在追求“真理”，也可以说他在追求“实相”。不过物理师傅比较清楚，他知道，跳舞才是所有舞者的真爱。

注解：

[1] 　“……量子假说已经导向一种观念，那就是，自然界有的变化不是连续式的，而是爆破式的。”——《物理学知识的新途径》（Neue Bahnen der physikalischen Erkenntnis ），马克斯·普朗克，1913年。F.d’Albe译，《哲学》杂志，1914年，28卷。

[2] 　h=6.63×1027 尔格秒，尔格，计算功的单位。以1达因之力，作用于物体，使其作用点移动1厘米之功，谓之1达因厘米，以此为计功之绝对单位，称为尔格——译注

[3] 　玻尔认为，自然界安排的电子轨道与核子的距离都是一定的。并且，电子吸收能量的时候，会从最接近核子的轨道（原子的“基态”）向外面跳，最后又回到最里面的轨道；在这个回返的过程当中，电子释出的能束与向外跳时所吸收的能束相等。玻尔认为，供给电子的能量小（低热），它所吸收的能束就小。譬如红光就是。供给电子的能量大（高热），电子吸收的能束就大，就跳得远。回返最低能量状态的时候，释出的能束也就大，譬如蓝光、紫光。所以，金属在低热状态发红光，在高热状态发蓝白光。

[4] 　这三篇论文各篇都处理一个基本的物理学常数。其一，h，普朗克常数（光子假说）；其二，k，玻尔兹曼常数（布朗运动分析）；其三，c，光速（狭义相对论）。

[5] 　我们这样在双缝实验里假设粒子相的时候，如果不同时假设无定点性，那么我们将违反其中的不确定关系。

[6] 　哥本哈根解释的核心是互补论。根据互补论，当就各个可能的波函数做选择的时候，其选择的自由度相当于（至少是包括）一组各种可能的实验布置的自由度。此所以量子论才能够涵盖每一种可能的实验情况或安排。

[7] 　设若A和B各是一组实验规则，A和B皆可以翻译成一个相应的理论描述A或B，分别对应于一个可观测象。可观测象在数学里是A或B。在我们经验世界里，则是符合一定规则的情形下可能（在我们的经验里）发生的事情。

[8] 　这时的粒子用波函数来表示。波函数（经过正确的平方，得到一个概率函数之后）几乎已经具备概率密度函数所有的性质；独缺一样，那就是正性质。

[9] 　从实用的观点看，除非借用概念，否则我们无法说明世界。然而，就算在概念的世界里面，粒子也不见得有独立的存在。粒子只是在理论里用波函数表示出来的东西。而波函数只有在粒子与（宏观的）他物的关联中才有意义。
　　“桌子”“椅子”等宏观物体的确有某种直接经验意义。这就是说，我们直接按其条件组织我们的感官经验。这种经验因为是这样，所以我们相信这些物体有其持续性的存在，在时空中有明确的位置。此一位置合乎逻辑地独立于其他物体。然而，一旦深入粒子这一层次，这个“独立存在”的概念就化为乌有了。从实用的观点来看，“粒子层次上的独立实体”这个概念有其限度。此一限度重点在于，即便是桌子、椅子这些工具，对我们而言也只是关联性的经验而已。

[10] 　符合规则——只要是可以规划为密度函数的规则——的或然率我们都可以预测。不过，严格说来，我们并不能完全地预测或然率。我们只能预测两个状况（一开始的预备状况和最后的检测状况）之间的转移或然率。这两个状况都用一个连续函数X及P（位置与动量）来表示。

[11] 　“一个系统包含n个粒子”这种状态每次都用一个3n维度空间的波函数表示。个别观察这n个粒子的每一个，它的波函数便化约成一种特殊形式——亦即n个波方程式的产物；这n个波方程式每一个都是三维空间。所以，波函数里面维度的数量是由系统里面的粒子决定的！

[12] 　若要看数学上对这种情况简明的表达，在测量理论里，从光子（系统，S）到检测器（测量仪器，M）到实验师（观察者，O）这整个过程可以用一个数学的“句子”表达如下：。

[13] 　这里提出的测量理论主要是纽曼（John von Neumann）1932年所讨论的测量理论。

[14] 　其实，波函数就是物理学家对于实在界的描述。唯一的问题在于如何解释波函数，以及波函数是否是所有可能的描述里面最好的（或者只是唯一适合物理学家用语的一种）。

[15] 　波函数既然是我们了解自然界的工具，当然就是我们思想里的东西。波函数代表物理系统的某些规则。就科学家与实验师所同意者言，规则是客观的，然而规则却离不开思想。再说，一个物理系统可以符合许多组规则；一组规则亦有多个物理系统符合。这些特性都是观念的特性。这时，波函数虽说是客观的，可是也以同样的程度表现了观念。
　　可是，这些规则翻译成波函数之后，波函数却是依循一定的规律（薛定谔波方程式）发展的。这就是物质面了。那发展的东西所描述的只是或然率而已。你可以认为或然率描述的是存在于思想之外的事物，也可以认为是只存在于思想之内的事物。因为这样，所以波函数呈现的就兼具观念与物质的特性了。

[16] 　“我们如何将传统的量子力学公式用在时空（这是指相对论所说的四维空间，不是各指时间与空间）几何学之上？这个问题在封闭的宇宙这个情形下特别尖锐。封闭的宇宙这个系统之外没有一个地方可以让我们站着来看它。”——埃弗莱特（Reviews of Modern Phvsics，29，3，1957，455）

[17] 　事实上，由于热力学不可逆转过程的强大力量，猫这么大的宏观物体能不能由波函数呈现是一个问题。不过长久以来“薛定谔的猫”一直都是用来向物理专业学生说明量子力学那令人心智动摇的一面的。

[18] 　“耶稣对他说……那没有看见就信的，有福了。”（《新约·约翰福音》第二十章）——译注

部三
吾理
（量子力学）

第5章
“我”的角色

心与物的幻象

哥白尼发现地球绕日以前，一般人都认为是太阳——连带整个宇宙——绕地球而行，地球是一切事物的中心。在这之前，印度人也说人是中心；也就是说，就心理上而言，每个人都是宇宙的中心。听起来这好像是自我中心，但其实不然。因为，印度的说法认为“每个人”都是神圣的显化。

印度神话有一幅美丽的图画，画的是克里希那王（Lord Krishna）在亚穆纳河岸跳舞。月光下，他在中间，一群普罗遮的美好女子在他身边围成一圈。她们与克里希那共舞，都爱着他。他在与世界上所有的灵魂共舞——也就是说，人在与自己共舞。与神共舞，与万事万物的创造者共舞就是与我们自己共舞。这是东方文学不断出现的主题，也是新物理学——量子学与相对论——趋进的方向。

相对论的概念是革命性的，量子力学的诡谲则对逻辑构成挑战，但一个古老的典范就在两者之间再度现身。我们开始瞥见一个概念的架构。这个架构的形式虽然还很模糊，可是我们每个人都在这个架构里，对物理实相的创造享有一份生身父母的身份。我们以往那个无能的旁观者，那个只能看不能做的形象逐渐在消失。

我们现在看到的可能是历史上最吸引人的一项行动。以往，（旧）科学曾经给了我们这么多东西，其中包括在种种“庞大”事物那看不见的力量之前感到的无力感。可是，在粒子加速器有力的低鸣当中，在计算机打印机的嘎嘎作响当中，在仪器的移转跳动当中，旧科学的根基逐渐在塌缩。

我们曾经赋予科学高度的权威，可是现在科学却用这个权威告诉我们说，我们的信仰事实上是被误导了。我们把自己的权威让渡给科学家了。关于造物、事物的变化、死亡的奥秘，我们把探索的责任全部推给科学家了。至于我们自己，我们给自己的是单调的，不用心的日常生活。我们一直想要否认我们在宇宙中所占的角色，可这是不可能的。

科学家做好了他们的工作，我们也做好了我们的工作。我们的工作就是在日益复杂的“现代科学”之前，在现代科技越来越蔓延的“专业”之前扮演无能的角色。

可是，经过了三百年以后的今天，科学家带着他们发现的东西回头了。他们现在跟我们（这些想过到底是怎么一回事的人）一样疑惑。

“我们不确定，”他们说，“但是我们已经累积了一些证据，知道了解宇宙的关键就是‘你’。”

这个说法和我们三百年来看这个世界的方式不只不一样，而且是完全相反。科学建立在“心”和“物”的区别之上。可是这种区别现在模糊了。科学家利用“心”和“物”的区别发现“心”和“物”这种区别是不存在的。这真令人迷惑！不但是在哲学指向，而且也在严格的数学指向之上，“物”的事情显然要依靠我们“心”的决定来进行。

新物理学告诉我们，观察者不可能看到事物而不改变事物，“观察者与被观察者相关”是真实而且根本的。这种相关的本质到底如何并不清楚，不过有越来越多的证据显示，“心”与“物”的区别是一种假象。

量子力学的概念架构有大量的实验资料支持。这样的概念架构使现代物理学家讲起话来好像在说神秘论语言，即便是对物理学毫无所知的人听起来还是有这种感觉。

互补假说

接触物理世界的途径是经验。一切经验的总支配者是“我”。经验事物的就是这个“我”，简单地说，我们经验的不是外在的实相，而是我们与外在实相的“互动”。这就是基本的“互补”假说。

互补是玻尔发展出来的概念，用以说明光的波粒二象性。到目前为止还没有人想出比他更好的概念。互补论说，波性与粒子性是互相排斥的，或者说，是光的互补相。两者虽然总是互相排斥，可是要了解光却缺一不可。两者之所以总是互相排斥，是因为光一如其他任何东西，不可能是波同时又是粒子。 [1]

为什么同样一个光，却兼具波行为和粒子行为两种互相排斥的属性呢？这是因为，这两种属性就是我们与光互动的属性。看我们做的是哪一种实验，我们便使光显现哪一种属性。如果我们想使光显示波性，我们就做产生干涉的双缝实验。如果我们想使光显示粒子性，我们就做产生光电效应的实验。我们如果想使光同时显示波属性和粒子属性，我们可以做亚瑟·康普顿（Arthur Compton）的实验。

康普顿散射

1923年，康普顿玩了全世界第一次亚原子粒子撞球游戏。他在这个过程中证明了爱因斯坦建立17年之久的光粒子论。他的实验在概念上不难，只要对电子发射X射线就可以。我们都知道X射线是一种波，可是令人惊奇的是，它却像粒子一样敲击出电子。换句话说，它的行为就像粒子一样。譬如说X射线射出去以后，若是与电子只是擦撞，那么这个X射线就只是稍微偏离路径而已；可是若是与电子正面相撞，那么就会偏离很严重。这时的X射线就要丧失大量的动能。

康普顿只要测量X射线碰撞前和碰撞后的频率，就可以告诉我们X射线丧失多少能量。差不多正面相撞的射线撞击后的频率比之撞击前低到令人吃惊的程度。这就表示射线撞击后的能量比撞击前少。所以，康普顿的射线撞击电子就好比撞球互撞一样。

◎图11

康普顿的发现与量子论有密切的关系。如果普朗克未曾发现频率越高能量越高的基本规律，康普顿就无法揭露X射线的粒子行为。这个规律使康普顿得以证明X射线在粒子式的撞击下失去了一些能量（因为，X射线的频率撞击后比撞击前低）。

康普顿实验概念上的疑难，使我们知道波粒二象性是如何地深入量子力学里面的。他测量电磁放射线，譬如X射线，的频率之后，证明电磁射线具有粒子特性。当然，“粒子”是没有频率的，波才有频率。为了纪念X射线所发生的这些事，康普顿发现的现象就叫作康普顿散射。

简单地说，我们可以用光电效应显示光是粒子，可以用双缝实验显示光是波，也可以用康普顿散射显示光既是粒子又是波。这两者是光的互补相，要了解光，缺一不可。如果你只问光是粒子还是波是没有意义的。光的行为是粒子还是波，要看我们做的是哪一种实验而定。

把粒子的光和波的光结合起来的是做实验的“我们”。我们在双缝实验里所见光的波的行为并不是光的属性，而是我们与光互动的属性。同理，我们在光电效应里看到的粒子特性也不是光的属性，而是我们与光互动的属性。不论是波行为还是粒子行为，都是“互动”的属性。

既然粒子行为和波行为只是我们赋予光的属性，又既然我们认识到，（如果光的互补性正确的话）这些属性并不属于光，而是属于我们与光的互动，那么事情就变成独立于我们之外的属性是没有的。这一来，因为通常我们说一件东西没有属性，就等于说它不存在，所以接下来下一个逻辑就无法避免，那就是，没有我们，光就不存在。

把我们通常归之于光的属性转移到我们与光的互动，这就剥夺了光的独立存在。没有我们，或者在某种意义上说，若不与事物互动，光就不存在。不过这只是事情的一半，故事还没有说完。故事的另外一半是，同理，如果没有光，或者在某种意义上说，若不与事物互动，我们就不存在。

玻尔说：

……一般物理意义之下的独立实相既不能赋予现象，亦不能赋予观察者。（注一）

所谓“观察者”，他指的可能是仪器，而不是人。但是从哲学上来说，互补性将导向一个结论，那就是，这个世界不是由事物组成的，而是由种种互动组成的。属性属于互动，不属于独立自存的事物，譬如“光”。玻尔以这样的方法解决了光的波粒二象性问题。等到波粒二象性发现是一切事物的特性之后，这种互补性的哲学意义就更加彰显了。

从我们一开始讲量子力学的故事以来，故事是这样进行的：1913年，普朗克研究黑体辐射线之后，发现能量的吸收和释放都是成捆的。这成捆的能量，他称之为量子。在这之前，科学家一直认为放射能是波，譬如光。那是因为，托马斯·杨1803年的实验（双缝实验）显示光产生干涉，而只有波才会产生干涉。

爱因斯坦受到普朗克发现量子的激励，便运用光电效应阐明了他的理论，也就是，不但能量吸收和释放的过程是量子化的，就是能的本身也是以某种大小的包装出现的。这一来，物理学家便是面临了两组互相排斥的实验（可以一再重复的经验），似乎彼此证明对方错误。这就是量子力学基本的波粒二象性，非常有名。

德布罗意与物质波

可是当物理学家还在想办法解释为什么波会是粒子的时候，一个年轻的法国王子德布罗意（Louis de Broglie）丢下了一个炸弹，一举扫平了古典观点的残余。他说，不但波是粒子，而且粒子也是波！

德布罗意（包含在他的博士论文里）的观念是说，凡是物质皆有与之“对应”的波。这个观念不只是哲学的思维，而且已经是数学的思维。德布罗意运用简单的普朗克方程式和爱因斯坦方程式，构成了他自己的方程式。 [2] 这个方程式决定“对应”于物质的“物质波”的波长。这个方程式说的事情很简单，粒子的动量越大，其对应波的波长就越短。

这个方程式说明了宏观世界之所以看不到物质波的原因。以我们眼睛所能见的最小物质为准，这样的物质虽然那么小，可是其相应的物质波与它相较之下还是小到难以想象，所以其物质波的效应可以不计。可是，话说回来，我们一旦深入亚原子，譬如电子，这么小的东西的时候，它的大小比起它的对应波的波长仍然还是小了很多！

在这种种情况之下，物质的波行为应该会很清楚，物质的行为与我们习惯上所想的“物质”的行为应该也不一样才对。事实也是如此。

德布罗意提出这个假说才不过两年，实验者戴维森（Clinton Davisson）与他的助手格默（Lester Germer）就在贝尔电话实验室以实验证明了这个假说。戴维森和德布罗意双双荣获诺贝尔奖，不过物理学家仍然不仅要解释为什么波是粒子，而且还得解释为什么粒子是波。

戴维森-格默实验很有名，不过却是事出偶然。这个实验显示电子由晶体表面反射回来的一种情形。这种情形只有在电子是波的情况下才能解释。不过，电子当然是粒子。

电子绕射从字面上看显然矛盾，不过在今天已经是一个平常的现象。一束电子从小孔，譬如金属箔片上面原子之间的空隙，射过的时候，会像光束一样产生绕射。这些空间都和电子的波长一样大，或者比较小。（说来荒谬，“粒子”本来是没有波长的）若是按照传统的说法，电子不可能产生绕射，可是实情却是产生绕射了。下面就是电子绕射的照片。 [3]

由波组成的光开始像粒子的时候，我们已经够手足无措了，等到本来是粒子的电子开始像波的时候，事情就无法忍受了。

不过，量子力学对这件事情所做的揭示仍然是一出高度悬疑的戏；以前是，现在还是。海森伯说：

我还记得我与玻尔（1927年）讨论的情形。我们讨论了好几个小时，一直到深夜才在几近绝望中结束。我一个人在公园里散步，心里一直在想一个问题，那就是，自然界于我们还有比这些原子实验更荒谬的吗？（注二）

然而后来的实验却显示不只亚原子粒子有对应的物质波，连原子和分子都有。唐纳·休斯（Donald Hughes）有一本开拓性的著作，叫作《中子光学》（Neutron Optics ）。他先为粒子与波的合并提出有力的宣言，然后德布罗意王子的论文才使它诞生。其实，理论上，每一种东西——棒球、汽车、人等——都有一种波长，只不过因为这些波长太小，看不见而已。

◎图12

德布罗意自己也没办法详细说明自己的理论。他先预言物质，譬如电子，有波的一象，尔后戴维森-格默实验才证实他的预言。他的方程式甚至还预言这些物质波的波长。可是，这些波到底是什么东西，没有人知道（现在还是没有人知道）。他说这些波是与物质“对应”的波，可是到底何谓“对应”，他也没说。

这样说来，一个物理学家预言了一件事情，并且还建立了一个方程式来说明这件事情，可是不知道自己说的是什么东西，这样行得通吗？

行得通。罗素（Bertrand Russell）说：

数学可以界定为不知道在说什么，也不知道说得对不对的学科。（注三）

因为这个道理，所以量子力学虽然不曾说明世界“到底”是什么样子，而且只预测或然率而不预测真实事件，可是哥本哈根的物理学家还是接受了量子力学，认为它是完整的理论。他们之所以接受量子力学，认为它是完整的理论，是因为量子力学能够将经验组织起来，建立正确的关系。量子力学是经验关联之学。甚至，依照实用主义的看法，一切科学莫不如是。这其中，德布罗意的方程式正是把经验组织起来，建立了正确的关系。

德布罗意借托马斯·杨（双缝实验）和爱因斯坦（光子论）两位天才合并波和粒子，使“波粒二象”这个难题见光（嘘！），换句话说，他整合了能的量子本质与波粒二象性这两个最具革命性的物理现象。

德布罗意是在1924年提出物质波理论的。量子力学就在此后的三年之内具体发展为今天的样子。牛顿物理学、单纯的想象、常识，这样的世界消失了。一个新的物理学已经成形，它的原创性与强大，使得人心震撼。

有了德布罗意的物质波，接下来就是薛定谔波动方程式。

薛定谔的波动方程

薛定谔是维也纳的物理学家。他觉得，同样是看待原子现象的方式，德布罗意的物质波比起玻尔的行星模型要自然得多了。玻尔的模型比较僵硬，球形的电子在几个一定的层次上绕着核子旋转，由一个层次跳到另一个层次时便发射光子。玻尔的模型可以解释很简单的原子的色彩光谱，可是为什么每一层壳所包含的电子数都是一定的，不多也不少，他却不着一言一语。除了这一点，他也未曾说明电子是如何跳跃的（譬如说，电子在壳与壳之间是什么样子的）。 [4]

德布罗意的发现激励了薛定谔，于是他便假设电子并非球形物体，而是种种形态的驻波。

玩过晒衣绳的人都知道驻波。把绳子的一端绑在柱子上面，另一端拿在手上，拉紧这条绳子，这时绳子就不再有任何波动，不论行波还是驻波都没有（见下页图）。现在，我们的手飞快地抖一下，这时绳子上便出现一个向下的隆起向绳子的另一端传去，到达另一端的柱子以后便倒转过来，变成向上，再传回来。这个行走的隆起就是行波（图A）。把几种隆起陆续加在绳子上面，我们便能够建立驻波的种种形态。图示所见只是其中几种。

最简单的驻波是图B的一种。这种驻波是由两个行波重叠而成。这两个行波一个是直接的，一个是反射的，两者进行的方向相反。绳子会动，可是驻波的型不会。驻波最宽之处的两点是“固定”的，两端的点亦然。这两端的点叫作波节。最简单的驻波有两个波节，一个在我们手上，一个在绳子所绑的柱子上面。这些固定的形态——也就是行波的种种重叠方式——就是驻波。

绳子不论是长是短，它的驻波数量一定是整数的。这就是说，绳子的驻波形会是1个驻波，会是2个驻波，会是3个、4个、5个……可是不会是1.5个或者214个。驻波必然将绳子分成等长的几段。换句话说，如果我们想增减绳子的驻波数，只能以整数为之。这意思就是说，绳子的驻波数只能片断式（又来了！）地增减。

◎图13

甚而，驻波的大小也不是随随便便的。驻波的大小很严格，只限于把绳子等分的长度。驻波的实际大小当然要看绳子多长而定。但是，不论绳子多长，能把它等分的长度还是那几个。

不过这些都是1925年的故事了。拨吉他弦会在弦上产生驻波，向风管里面吹气会在风管里面产生驻波，这些都是老生常谈了。新的故事是薛定谔发现驻波和原子现象一样，都是“量子化”的。事实上薛定谔在说电子就是驻波。

这种话乍听之下很神奇，细心想来却不然。不过在当时的确是天才手笔。这里请先想象一个电子循轨绕核子而行。电子每绕一周，就前进（离开核子）一段距离。这个距离的长度是一定的，正如绳子的长度是一定的一样。同样的道理，这个距离长度之上形成的驻波的数量一定是整数，不会是分数。（至于这个距离是什么东西的距离，则依然无解。）

薛定谔认为，这些驻波每一个都是电子！换句话说，他认为，电子就是一段一段的振荡，两头由波节拘住。

但是，到目前为止，我们所说的驻波只是直线上的驻波，譬如晒衣绳、吉他弦等。可是，事实上，驻波也会发生在他种媒介上面，譬如水。现在假设有一个水池，这个水池是圆的。我们将一个石头投到水池中央。这时从石头入水的地方就会有波放射出来，水池的边再把这些波反射回去（有时不上一次）。这时这些反射的行波就会互相干扰，造成一种很复杂的驻波形，这就是我们的老朋友——干涉。

◎图14

一个波的波峰和另一个波的波谷相遇的时候，两者会互相抵消，因此互交线上的水面也就很平静。这些平静的地带就是分隔驻波的波节，在双缝实验里，光带与暗带交替出现的图形当中，暗带就是波节，光带就是驻波的波峰。

薛定谔用水盆做模型来解释原子的性质。水盆里的水干涉现象错综复杂。他说，若有一个原子相当于水盆大小，这个水盆便是这个原子里面电子波的“模拟”。

（玻尔的原子模型）这个富于天才而又有点人为的假设由德布罗意波现象的一个比较自然的假设取代了。波现象构成了原子真正的“体”。在玻尔的模型里，电子拥簇在原子核四周，德布罗意的波现象则取代了这些点状的电子。（注四）

晒衣绳的驻波有长和宽两个维度。水或者，譬如康加鼓这种媒介有长、宽、高三个维度。氢是最简单的原子，只有一个原子，可是当薛定谔用他的方程式分析氢原子时，单单氢原子他就计算出一大堆可能发生的、各种形状的驻波。绳子上所有的驻波形状都一样，可是原子的驻波不然。原子的驻波都是三个维度，形状都不一样。有的像几个同心圆放在一起，有的像蝴蝶，有的像曼陀罗 [5] 。见下图。 [6]

◎图15
取材自Modern College Physics ，Harvey White，N Y，Van Nostrand，1972

泡利不相容原理

薛定谔发现这些之前不久，另外一个奥地利物理学家泡利已经发现原子里的电子都不一样。一个原子之内，一个电子若带有某一组属性（量子数），这个电子便排除其他带有相同一组属性（量子数）的电子的存在。因为这个道理，泡利的发现就叫作泡利不相容原理。用薛定谔驻波论的话来说，泡利不相容原理意思就是，一个原子里面一旦形成一种驻波形，其他的驻波形便悉数排除。

用泡利的发现修正之后，薛定谔波方程式告诉我们，玻尔的能量层（能阶）或外壳上面，最低的一层只会有两种波形，所以也只会有两个电子。第二能阶会有八种驻波形，所以第二能阶只会有八个电子，依此类推。

这些电子数与玻尔的模型赋予能阶的电子数完全一样。在这一点上，玻尔的模型与薛定谔的完全一致。然而，除此之外，两者却有一个重大的差异。

玻尔的理论完全是经验的。这就是说，他依据实验上观察到的事实建立理论来解释这些事实。薛定谔不一样，他依据德布罗意的物质波假说建立他的理论。他的理论不只提出一些数学值，后来都经实验证实，而且还为这些数学值提出了前后一致的解释。

譬如说，因为每一个能阶的驻波形（种类）数量都是一定的，所以每一个能阶的电子数也都是一定的。一个原子的能阶只会从一定的值跳到另一个一定的值，因为只有具有某些一定维度的驻波会在这个原子形成，其他的不会。

不过，薛定谔虽然确定电子就是驻波，却不知道是什么东西在波动。不过他确信是有东西在波动。这个东西，他以希腊字母“Ψ”代称。（所以，“波函数”和“Ψ函数”是一样的东西。） [7]

使用薛定谔波方程式的时候，只要将我们所研究的原子的性质输入其中，我们就会知道这个原子的驻波形在时间中演化的情形。假使我们依照初始状态准备一个原子，然后让它独自传导。这时，这个初始状态就会在时间中发展成种种驻波形。这些驻波形发展的秩序是可以计算的。物理学家计算驻波形的秩序的时候，使用的工具就是薛定谔波方程式。换句话说，一个原子里面驻波形的发展过程都是一定的。有什么初始状态，就有什么驻波形依照薛定谔波方程式一个接一个出现。 [8]

薛定谔波方程式对于氢原子的大小也有前后一致的解释。依照薛定谔波方程式，一个具有一个电子和一个质子的系统，我们所说的氢就是这样，在其最低能量状态时，它的波形只有在一个与最小玻尔轨道的直径相等的球形上，才会有一个可知道的量。换句话说，这一个波形的大小正好与氢原子的基态相等！

但是，薛定谔波动力学尽管已经成为当今量子力学的支柱，可是，当波理论无法产生恰当的结果的时候，物理学家仍然还是要利用玻尔亚原子现象模型几个有用的层面。一有这种情形，物理学家就重新用“粒子”思考，不再用“驻波”思考。在这件事（波）上面，没有人可以说物理学家不随“波”逐流。

薛定谔相信他的方程式说到了真正的事情，而不只是数学的抽象。他认为电子是随着波形向外散播为稀薄云状的。不过，这种景象如果仅限于一个电子的氢原子还容易想象，因为氢原子的驻波只有3个维度（长、宽、高）。可是，如果是2个电子的原子，它的驻波就存在于6个数学维度。如果是4个电子的原子，它的驻波便存在于12个维度，依此类推。这样的图像想象起来就伤脑筋了。亚原子现象这个新的解释有这样的困难。

玻恩概率波

就在这个时候，德国物理学家玻恩（Max Born）为这个解释补上了最后一笔。根据他的看法，这种波我们必须用想象，也有可能想象。因为，这种波不是真正的东西，而是“概率波”。

玻恩说：

……事件的整个过程都由概率律决定。在那样的空间状态上有一个明确的概率对应着。这个概率是与这个状态相关的德布罗意波赋予这个状态的。（注五）

要获得一个状态的或然率（概率），我们应该将与这个状态相关的物质波的振幅平方。

至于德布罗意方程式和薛定谔方程式到底是真的表示了真实事物，还是只表现了抽象，对玻恩而言都很清楚。对他而言，想到一件真实事物而却认为它存在三维以上的空间，实在毫无意义。

玻恩说：

我们只有两个可能性，一个是采用三维空间的波……一个是留在三维空间，但是放弃“作为正常物理量的振幅”这个简单的图像，代之以纯粹抽象的数学概念……而这个概念我们是进不去的。（注六）

他其实正是这么做的。他说：

物理其本质是不定的，所以亦就是统计学的。（注七）

其实，玻尔、克拉玛、斯莱特以前所想的正是同样的观念（概率波）。但是，这一次，用德布罗意和薛定谔的数学，算出来的数字就对了。

玻恩对于薛定谔理论的贡献在于，他使量子力学能够预测或然率。由于将关于一个状态的物质波的振幅平方便得以建立该状态的或然率，又由于只要知道初始条件，用薛定谔方程式便得以预测这些物质波的演化过程，所以，两者相合便可以断定或然率的演化过程。只要设定初始状态，不论这个状态是什么，物理学家都可以据此预测我们在某一时间与某一地方观察到一个被观察系统的或然率，不论这个“某一时间”“某一地方”是什么时间、什么地方皆然。不过，虽然如此，我们会不会在这个状态观察到被观察系统仍然纯属偶然——就算这个状态是当时最可能的状态亦复如是。换句话说，量子力学的“或然率”是在一种初始状态（而非他种初始状态），在一时一地（而非他时他地）观察到一个被观察系统的或然率。 [9]

量子力学的波象（波的一面）就是这样发展的。波有类粒子特性（普朗克、爱因斯坦），同理，粒子也有类波特性（德布罗意）。事实上粒子确实可以用“驻波”来理解。只要知道初始条件，用薛定谔波方程式就可以计算各种形态的驻波的演化过程。将物质波（波函数）的振幅平方，就可以得出对应于这个物质波的那个状态的或然率（玻恩）。所以，只要运用薛定谔波方程式和玻恩的很简单的公式，我们就可以由初始条件计算出一连串的或然率。

讲到这里，从伽利略的落体实验出来，我们已经走了一段很长的路。在这条路上，每一步都使我们走到更为抽象的层次。起先是创造没有人见过的东西（譬如电子），到最后是根本放弃一切希望想象我们的抽象的企图。

然而，问题是，就人性而言，我们不会不想象抽象。我们会一直问：“这些抽象讲的是什么？”然后，不论这些抽象是什么，我们便开始用视觉来想象。

原子的量子模型

前面，我们摒弃了玻尔用以描述原子的行星模型，答应说后面会来看看“当今的物理学家怎么想原子”。好的，是时候了。可是这个工作实在棘手。因为，我们之所以轻易地放弃原子的旧图样，是因为我们认为代替这个旧图样的，会是一个同样清晰，但比较有意义的图样。可是，事情发展至今，我们的新图样已经完全没个样子。我们的新图样是一个无法可视化的抽象。这就叫人难过了。因为，这提醒我们，原子决计不是“真实的”事物。从来就没有人——没有任何人——看过原子，原子是假设的实体。物理学家构造这个实体为的是要能够理解实验的观察所得。然而，我们已经习惯于“原子是一种东西”这种观念，所以我们已经忘记原子只是一种观念。不过现在物理学家告诉我们，原子不只是一个观念，而且还是一个无法想象（成书面）的观念。

但是，物理学家用英文（或德文、丹麦文）讲数学实体的时候，对不懂数学的行外人而言，他们的话总是因为有限度，因而使人心里产生图像。所以，这样唠叨的说明为什么原子无法想象之后，我们终究还是要来说明今天的物理学家如何描绘原子了。

原子包含核子和电子。核子位于原子的中央，体积只占原子的一小部分，可是质量几乎占原子的全部。这样的核子与行星模型的核子没有两样。至于电子，电子一般都在核子的总区域里面运动，这一点与行星模型也一样。不过，在今天物理学家的模型里，电子却可能在“电子云”的任何地方。电子云是核子四周种种驻波做成的。这些驻波并不是物质，而是“能”的种种形态。物理学家由构成电子云的驻波的形状，就知道在电子云里某一处发现电子的或然率。

简而言之，现在的物理学家一样认为原子是中间有核子，核子四周有电子环绕。不过情形已经不再像一个“小太阳系”那么简单。电子云是一种数学的概念。物理学家建造这个概念为的是组织经验，使经验产生关系。原子里面可能存有电子云，可能没有，这一点谁都不知道。可是我们确实知道从电子云的概念可以产出在核子各处发现电子的或然率，并且，这些或然率也由经验断定为正确。

就这一点而言，电子云好比波函数。波函数也是一种数学的概念。物理学家建造这个概念为的是要组织经验，使经验产生关系。波函数可能“真的存在”，也可能不“真的存在”。（这种说法是假设思想与物质之间有一种“质”的差别来说的，这种假设不见得好。）可是波函数的概念无可否认地产出了以一种状态预备一个系统之后，在某一时间，于某一状态观察到该系统的或然率。

电子云和波函数一样无法想象。因为，一个电子云若是含有一个电子（譬如氢原子的电子），这个电子云便存在3个维度。但是，除了氢原子，其他的电子云都不止一个电子，所以也不只存在3个维度。譬如说，碳原子是很简单的，只不过6个电子。可是，环绕其核子的电子云便存在18个维度。铀有92个电子，所以铀的电子云存在276个维度。（同理，一个波函数就其代表的每一个粒子而言皆有3个维度。）这种情形若要用心来想象，显然想不清楚。

这种纷乱是想用有限的概念（语言）描述没有局限的状态的结果。此外，这种纷乱也表示“我们实在不知道”隐形的亚原子领域到底有什么事在进行。用爱因斯坦的话来说就是，这些模型都是“人类心灵自由创造出来的”。我们创造这些模型为的是要满足我们内心理性的组织经验的要求。这些模型无非都是在猜测那打不开的手表里面“到底”有什么事在进行。如果我们真认为这些模型说出了什么事实，那就误人了。

事实上，年轻的德国物理学家海森伯早就认定我们“绝对”不可能知道隐形的亚原子领域到底有什么事在进行，所以，我们应该“放弃所有的念头，不要想再建立什么模型来认知原子的过程”了（注八），根据他的理论，只有能够直接观察的事物处理起来才会正确。一个实验，我们只知道它的开头和结尾。至于这两个状况——这两个可观测象——之间到底发生什么事，则纯属思维。

海森伯的矩阵力学

1925年，25岁的海森伯开始发展一套将实验数据组织成表列式的方法。他和德布罗意以及薛定谔差不多同时各自发展了这种方法。他很幸运。因为，早在66年以前，爱尔兰数学家哈密顿（W．R．Hamilton）就已经发展了一套将实验数据组织成列阵的方法。这种方法叫作矩阵。当时大家认为他的矩阵不过属于纯数学的边缘。可是又有谁知道，他的矩阵会像预铸的模板一样，在20世纪一举契入一个革命性物理学的结构当中呢？

使用海森伯这些数学表的时候，只要查阅或者由其中计算，就能够知道相关于什么初始状态会有什么或然率。

这个方法海森伯称之为矩阵力学。不过，我们只用这个方法来处理物理的可观测象。可观测象指的是一个实验上我们所知的开头与结果的事情，至于开头与结果之间有什么事我们则不臆测。

这样，25年来物理学家一直努力在追求一个新的理论，以代替牛顿的物理学，可是这时候却突然发现自己面对了两个截然不同的理论。两者处理的事物一样，可是各自都是一种独特的方法。其一是薛定谔波动力学，以德布罗意的物质波为基础；另一个是海森伯的矩阵力学，以亚原子现象的不可分析为基础。

海森伯发展了矩阵力学之后不到一年，薛定谔就发现矩阵力学在数学上其实等价于他的波动力学。由于这两个理论都是研究亚原子很有价值的工具，所以物理学家便将两者结合，成为一支新的物理学，是为量子力学。

海森伯后来将矩阵力学用在高能粒子物理学的粒子碰撞实验上。由于这种碰撞的结果总是产生粒子的散射，所以物理学家又称之为散射矩阵，简称S矩阵。

今天的物理学家在做量子力学实验的时候，可以有两种方法来计算实验的开头与结果之间的转移或然率。第一个是薛定谔的波动方程式，第二个是S矩阵。薛定谔波动方程式描述或然率在时间上的发展。在一个量子力学实验中，我们一旦做了测量，这种种或然率里面的一个便突然实现，这是薛定谔波动方程式。至于S矩阵，S矩阵是直接指出实验的两个可观测象之间的转移或然率，不说时间上的发展，也不说没有时间的发展等，什么都不说。这两个方法都有效。 [10]

但是，海森伯将矩阵力学引进新物理学固然重要，可是他的第二个发现却是动摇了“精准的科学”的基础。他证明，在亚原子领域里，所谓“精准的科学”这种东西是没有的。

不确定原理

海森伯这个重大的发现是，我们人有一些限制，无法在同一时刻测量自然的过程而都很准确。这种限制并不是我们的测量仪器本质上很笨拙，或者我们所欲测量的实体太小而产生的，而是自然界呈现的方式所导致的。换句话说，我们一旦跨过那样一个暧昧不明的障碍，就只有进入不确定的领域。因为这个道理，海森伯的发现后来就叫作“不确定原理”。

不确定原理告诉我们，我们只要一步一步地深入亚原子领域，最后必然会到达一个点，在这个点上，我们对于自然界所建立的景象其中一部便开始混乱；想把这一部弄清楚，就必然把另一部弄混乱。这种情形绝对无法避免。这就好比调整一张动来动去、稍微逸出焦点之外的照片一样。我们以为调整好了，却发现照片右边虽然清楚了，左边却模糊了。把左边调清楚，右边又模糊了。想在两边取一个平衡，结果是两边都看不出是什么东西，原先的模糊不清就是除不掉。

我们就用这个例子来说明不确定原理。在不确定原理原始的构造里，照片的右边就相当于一个运动粒子的空间位置，左边就相当于这个粒子的动量。这样，根据不确定原理，我们没有办法同一时间准确地测量这个粒子的位置与动量。这两个属性我们越是准确断定其中之一，另外一个就越不清楚。如果我们准确地断定了粒子的位置，我们对它的动量便“一无所知”；如果我们断定了它的动量，我们便无法断定它的位置。这话听起来真奇怪，可确实如此。

为了要说明这种奇怪的情形，海森伯建议我们假设我们有一部超解像力的显微镜，这一部显微镜的解像力好到可以看到电子在循轨运动。由于电子实在太小了，所以我们的显微镜不能使用普通的光线照明。因为，普通光线的波长太长，所以“看”不到电子。这就好比插在水中的一根细柱子影响不了很长的海浪一样。

譬如说，我们抓着一根头发在灯光下对着墙壁照的时候，墙上不会有清楚的黑影。这是因为相对于这个光的波长而言，头发实在太细了，所以光便不受头发的阻碍，绕过去了。所以，如果我们想看见一个东西，我们就必须挡住我们用来看这个东西的光。换句话说，我们必须用波长比这个东西小的光来照这个东西。因为这个道理，所以在我们想象的显微镜里，海森伯便用伽马射线来代替普通的可见光。伽马射线是已知光线里面波长最短的，用来看电子最好。与伽马射线那么短的波长相比，电子就变得很大。这样电子就能够挡住一些伽马射线，于是（我们假想它）在墙上形成一个影子。以上，我们找到了电子的位置。

问题在于，根据普朗克的发现，伽马射线既然波长比可见光小很多，那么所含的能量必然也比可见光大很多。我们用伽马射线撞击这个想象的电子的时候，固然是将电子照出来了，可是不幸的是，照出了电子也就将它撞出轨道之外了。撞出轨道之外，也就改变了它的方向与速度（两者总和就是动量），而改变的情形无可预料也无可控制。（一个是粒子，一个是波，两者彼此弹射的角度是没办法计算的。）简而言之，我们只要是用波长短到可以照出电子的光来照出电子的位置，也就同时改变了它的动量，而它改变的情形是无法判断的。量子物理学就在这种情形下进场了。

唯一的方法可能是使用低能光。可是，低能光却使我们回到了原来的问题。凡是光的能量低到不会打搅粒子动量的，波长也都长到无法照出电子的位置。所以说，对于一个运动的粒子，我们无法“同时”知道它的位置与动量。凡是想观察电子，这种举动都会改变电子。

在亚原子领域，我们无法观察一件东西而不改变这件东西，这就是不确定原理的根本意义。所谓独立的观察者站在旁边看着自然界按着过程走过去而不影响它，这种事情是没有的。

就一种意义而言，这种话无足惊奇。要一个人回头看我们，盯着他的背后看就得了。这没什么好惊奇的，我们都知道，这是一个好方法。可是往往我们虽然知道一件事，可是如果别人告诉我们有一件事可能与这件事相抵触，我们常常就开始不相信自己知道的这件事。古典物理学是以这样的假设为基础的，那就是，实相独立于我们之外，在时间与空间之内，严格地依照因果律走着它的过程。我们不只能够悄悄地观察实相，而且还可以应用因果律从初始条件预测实相的未来。就这一点而言，海森伯的不确定原理很令人讶异。

如果没有初始位置与动量，我们便不能把牛顿的运动定律用在个别的粒子上面。但是，不确定原理告诉我们的，正好就是我们无法断定粒子的位置与动量。换句话说，牛顿的运动定律三百年来一直是物理学的基础，可是，在亚原子领域里，我们对粒子永远没有办法了解到可以运用牛顿的运动定律，连在原则上都没办法。牛顿的运动定律不适用于亚原子领域（连他的概念都不适用）。 [11] 假设现在有一束电子，那么，量子论可以预测这些电子在某一个时候，在某一空间可能的分布情形。但是量子论没有办法预测其中单个电子的方向，连在原则上都没有办法。因此，“因果的宇宙”这个观念遂在不确定原理之下整个塌缩。

在相关的文字里面，玻尔曾说，由于其本质的关系，量子力学使我们：

……最后不得不放弃古典的因果理想，大幅度地修正我们对于物理实相问题的态度。（注九）

然而，不确定原理还有一个令人惊讶的意义。因为，位置、动量这些概念都与我们所谓的“运动粒子”这个观念有密切的关系。我们一直以为我们能够断定运动粒子的位置与动量，但如今知道我们事实上没有办法。这时候我们便不得不承认，所谓的运动粒子，不论事实上是什么东西，都不会是我们心目中的“运动粒子”。因为，如果真是运动粒子，就会有位置与动量。

玻恩说：

……设若这两个属性（拥有明确的位置与明确的动量）我们永远只能决定一个，又假若我们决定了一个以后，对另一个却毫无主张（我们目前为止的实验都是如此），那么我们就没有道理下结论说，我们所检视的“东西”可以按“粒子”这个名词通常的意义说它是粒子。（注十）

不论我们是在观察什么东西，这个东西都可以是动量可以断定，或者位置可以断定。但不论是前者还是后者，我们要在某一时要哪一个清楚显示，都必须经由我们选择。这意思就是，说到“运动粒子”，我们永远看不到它们“真正”的样子，我们只能看到我们选择的样子！

海森伯说：

我们观察的不是真正的自然界，而是显现在我们问问题的方法之下的自然界。（注十一）

不确定原理冷酷地使我们明白与我们周遭的世界隔离的“吾理”是没有的，不确定原理质疑“客观”实相的存在，同时也在质疑“互为关联的诸粒子”的概念以及互补性等。

桌子翻了

桌子现在翻了。“精确的科学”原本研究的是客观的实相，这个客观的实相放着我们尽人事，听天命，不管我们关心不关心，一概照着既定的方向走去。可是现在不行了，科学，在亚原子层次上，不再“精确”。主观与客观的区别已经消失。我们自始就知道，展示宇宙的窗口事实上就是这些弱小的、被动的“我”。譬如我们——无足轻重的我们——就是。我们是证人，看着宇宙显现。“大机器的齿轮”现在变成了“宇宙的创造者”。

如果要说新物理学会把我们带到什么地方，那就是会把我们带回到我们自己身上。这也是当然，因为，我们只有这个地方能去。

注解：

[1] 　若看个别事件，光一直都是粒子。至于波的行为，我们检测到的总是统计型，也就是干涉。但是，用狄拉克的话来说，即使是单个亚原子粒子也会“与自己互相干涉”，譬如电子。为何会“与自己互相干涉”，这是量子的一个基本难题。

[2] 　普朗克方程式：E=hv，爱因斯坦方程式：E=mc2 ，德布罗意方程式：λ=h/mv。

[3] 　把这张照片（图12）拿在你的正前方，你所看到的，就是一股电子束（这是一股“透视束”）从中间的亮处直直朝着你射来。绕射物质就在亮处这个地方。（这张照片的电子束是经由微小的黄金颗粒射出来的；也就是说，电子束是由一片很薄的金箔射过来。）照片上的光环是电子束撞击到底片的地方。底片位于金箔的一边，电子的来源位于另一边。照片中间的亮处是没有绕射的电子造成的。这些未绕射的电子在透射束里通过金箔直接撞击在底片上面。

[4] 　不过，正确一点说，薛定谔的理论也没有说明电子跳跃的情形。事实上他并不喜欢“跳跃”这个观念。

[5] 　mandala，梵语，意为平坦，表平等，周遍十法界之意。此处指画成图画的曼陀罗——译注

[6] 　这些照片都是氢原子各种电子状态的概率密度分布的机械拟样。换句话说，这些机械拟样表示的是，当电子在其中一种状态（这里列出的只是一小部分）时，假若想寻找点状的电子，我们最可能在什么地方找到。其实一开始的时候，薛定谔根本认为电子是假装成这种种形态的核成子云。
　　“量子跃迁”可以说就是由其中一种图像转移到另一种，而没有任何介乎其间的东西。

[7] 　薛定谔起初将电子解释为驻波时未能经得起检验，最后只好放弃。然而，没过多久，“以波函数代表被观察系统（并按照薛定谔波方程式发展），再以这个波函数为基础建立或然率”的概念却变成研究原子的基本工具，他的波方程式也成为量子论不可或缺的一部分。但是，由于薛定谔波方程式不是相对论性的，所以对高能状态无效。因此，高能粒子物理学家都用S矩阵计算转移或然率。（S矩阵理论将在后面讨论）

[8] 　这个过程要到这个传导系统遭遇到测量工具，与之互动之后才会停止。这种互动会使这个传导系统突然地、预料之外地转移到另一个状态（这就是量子跃迁）。

[9] 　假设我们在Ψ（t）状态准备一个初始状态，那么，我们在φ（t）状态观察到它的或然率是|＜Ψ（t）|（t）＞|2 。在△区于时间t观察到它的或然率是△ ×Ψ* （x，t）×Ψ（x，t）。

[10] 　不过，由于薛定谔波动方程式是非相对论的，所以在高能无效，在低能有效。所以，大部分粒子物理学家有时候会将S矩阵与局部相对论性量子场并用，以了解夸克与粒子。

[11] 　其实严格说来，他的运动定律在亚原子领域里面并没有完全消失，作为运算方程式用的时候还是有效的。另外，在某些亚原子粒子的实验里，要描述其中所发生的情况时，他的运动定律亦可以视为相当接近。

部四
无理
（相对论）

第6章
初心

无理

无理的重要性再怎么说都不夸张。我们经验的事情越是“无理”，我们就越清楚地体验到我们自设的认知结构的界限。我们对实相总是施加种种预定的模式，凡是不符合这些模式的，我们就认为“无理”。但是，事实上除了这个说“无理”无理的心智，实在别无“无理”之物了。

真正的艺术家和物理学家都知道，所谓无理只不过是事物从现在的观点看起来无可捉摸罢了。无理之所以无理，只不过是因为我们还没有找到使事物有理的观点而已。

一般而言，物理学家不会无理地处理事情。他们过的职业生活是以精心建立的思路思考事物的。不过，他们一方面精心建立思考途径，一方面并不惧于闯入无理，闯入连傻瓜都会说是有理的事物。这就是创造的心灵的记号。可是，事实上这根本就是创造的过程。创造的过程，特征在于一种坚定不移的信心，相信总有一个观点可以看到“无理”事实上完全不无理——观诸事实还真是如此。

在物理学界——其他领域亦然——对创造过程感到最快活的，就是彻底挣脱已知事物限制的人。他们挣脱已知事物的限制，越过已知事物的障碍，深入尚未探索的领域。这种人有两个特征，其中一个是拥有小孩子一般如实的看世界的能力。他不照我们对世界所知的来看世界。童话故事“国王的新衣”讲的就是这个。故事里面，国王裸体骑马从街上走过的时候，只有一个小孩子说他没有穿衣服，其他的大臣因为别人告诉他们国王穿着新衣，所以就一定要自己认为国王穿着一件上好的新衣。

我们心中的这个小孩子永远都很天真，感觉很单纯。日本明治时代的南院师父有一次泡茶招待一位教授。这位教授来问师父禅宗的问题。他往教授的杯子倒茶，满了还一直倒。教授在旁边看着，终于按捺不住。

“满了，不要倒了！”

“你就像这个杯子一样，”师父说，“装满了自己的看法和理论。如果你不先倒光你的杯子，我又怎么让你懂禅呢？”

我们的杯子往往都装满了“常识”“明确的”，所谓“自明的”东西，一直装到杯沿。

禅者的初心

美国的第一所禅学中心是铃木老师创立的（当然，他毫不刻意，这一点很禅宗）。他告诉门徒说，悟道不难，维持初心才难。“初学者心里有很多可能性，”他说，“专家心里的可能性就少了。”他死后，他的门徒出版了他的言论集，书名就叫作《禅者的初心》（海南出版社出版）。美国的禅师贝克老师在引论中说：

初学者的心是空的，没有专家的种种习惯，随时都可以接受、怀疑，随时向一切可能性开放……（注一）

在科学上，爱因斯坦和他的相对论最能够说明初心。本章的主题即是相对论，以上是创造心灵的第一个特征。

真正的艺术家和科学家第二个特征是对自己的信心坚定不移。这种信心是一种内心力量的表现，这种内心力量使他们把话说出来，使他们确信自己“是世人搞不清楚，不是他们搞不清楚”的认识没错。最先把人类怀抱了几百年错觉看穿的人当然是孤独的。从洞察的一刻开始，他——只有他——就看到了那个明确无疑的事物；而那个明确的事物在不解者（除了他的世人）看来，依然是无理，疯狂，或者竟是异端邪说。他这种信心不是傻蛋的固执。他肯定自己知道的东西，也知道自己可以用一种有意义的方式把这个东西传达给别人。

作家亨利·米勒（Henry Miller）说：

我就是随着我的本能和直觉走，事先什么都不知道。事情我要是不懂，我就放着。我知道不久我就会了解，我会明白其中的意义。我相信的是那个写的人，那个作者，那个我自己。（注二）

民歌手鲍勃·迪伦（Bob Dylon）有一次在记者招待会上说：

我连自己要说什么都不知道。但是我就是把歌写出来了，心里知道不会错。（注三）

这种“信”，在物理学界，光量子理论就是一个例子。1905年的时候，光是一种波现象是公认的光理论。尽管如此，爱因斯坦仍然提出论文说光是一种粒子现象。海森伯这样描述当时这一个令人迷惑的情形：

（1905年的时候）光既可以依照麦克斯韦的理论解释为由电磁波组成，也可以（依照爱因斯坦）解释为由光量子——高速通过空间的能束——组成。可是，如果说两者都成立，可能吗？爱因斯坦当然知道众所皆知的绕射现象和干涉现象只有用波才能解释。这种波与“光量子”观念之间完全矛盾他无从争论，他连这一个解释的前后不一都不想消除。他就是认为这个矛盾过一些时候就能够了解了。（注四）

后来事情果然是这样。爱因斯坦的论文最后导出波粒二象性，然后从波粒二象性才出现量子力学。就是因为量子力学——我们已经知道——才出现一种看待实相和我们自己的方法，与我们习惯的大大不同。爱因斯坦以相对论著称，不过得诺贝尔奖却是因为讨论光的量子性质的论文。这就是相信无理的好例子。

狭义相对论

这样的话，有理无理或许只是透视的问题吧！

“且慢，”津得微打断我的话说，“我叔叔魏乔治老是认为自己是足球。我们当然知道这没道理。不过他却说我们疯了，他很肯定自己是足球，一直在说。换句话说，他对自己的无理很有信心。这样他会成为大科学家吗？”

不会。魏乔治有两个问题，首先，只有他自己有这种透视；其次，他的透视别无其他观察与之相关。而只有这个与其他观察者相关的透视，才能使我们探触到爱因斯坦狭义相对论的核心。（爱因斯坦创造了两个相对论，一个是狭义相对论，一个是广义相对论。广义相对论是后来者。本章和下一章讨论的是狭义相对论。）

与其说狭义相对论讨论的是相对事物，不如说狭义相对论讨论的是非相对事物。（译者按：读者诸君可能会被以下这一大堆“相对”“非相对”等弄糊涂了。不过只要保持耐性看完这一段和下两段，就会豁然开朗，同时也会明白所谓“狭义相对论”为什么叫“狭义”，为什么讨论的是“非相对”——也就是“绝对”事物。）狭义相对论描述的是，物理实相的相对面如何因为不同观察者观点的不同（事实上是不同观察者彼此相对的运动状态）而变动。这个描述同时也界定了物理实在界非变化的绝对面。

狭义相对论并不是说一切事物都是相对的，它说的是“外观”相对。一支尺（物理学家说是“杆”）在我们而言是1尺长，在（很快）从我们面前通过的观测者而言却只有1寸长。一个小时对我们而言是一个小时，对（很快）从我们面前通过的观测者而言却是两个小时。我们只要知道我们相对于这个观测者的运动。就可以用狭义相对论判断我们的杆和时钟对他而言是怎样的。同理，这个观测者只要知道他相对于我们的运动，就可以用狭义相对论判断我们的尺和时钟对我们而言是怎样。

假若我们在这个观测者通过我们面前的时候做实验，那么，我们和他都会看到这个实验。不过，因为我们用我们的杆和时钟，他用他的杆和时钟，所以我们和他记录的时间和距离都不一样。然而，我们可以运用狭义相对论将这些实验数据置换到对方的参考架构当中去。这样，我们得到的数字最后就都一样。所以，在本质上，狭义相对论说的不是相对事物，而是绝对事物。

不过，狭义相对论的确告诉我们事物的外观如何要视观测者的运动状态而定。狭义相对论告诉我们：（一）一个运动体在它的运动方向上，速度越高，量起来就越短；到达光速时，就完全消失。（二）一个运动物体速度越高，它的质量称起来就越大；到达光速时，它的质量就变为无限。（三）一个时钟运动的速度越快，就走得越慢；到达光速时，就完全不再走动。

不过这一切都是对一个在他而言这物体是运动的观测者而说的。若是对一个随着这个物体运动的观测者而言，那么这个时钟就走得很准，1分钟嘀嗒60秒；没有什么东西变短，什么质量变高。除了这些，狭义相对论还告诉我们，时间和空间并不是有所分别的两件东西。时间和空间两者合成时空。质量和能量实际上也不是不同的东西。质量和能量是质能这种东西不同的形式。

“这是不可能的！”我们叫了，“说什么物体的速度增加，它的质量就会增加，长度变短，它的时间就慢下来。这是胡说八道。”

我们的杯子满出来了。

事实上这些现象在日常生活里面是看不出来的。因为，要看见这些现象，速度必须接近光速。所以，这些效应在宏观世界的缓慢速度当中实际上检测不到。假如检测得到的话，那么我们就会发现高速公路的汽车走的时候比停止的时候短，比停止的时候重，车上的时钟比停止的时候慢。事实上，如果是一个熨斗，我们还会发现这个熨斗热的时候比冷的时候重（因为能量有质量，而热就是能）。

至于这一切爱因斯坦是怎么发现的，这是另一个“国王的新衣”了。

面对当时的两大疑难，只有爱因斯坦用初心来看，其结果就是狭义相对论。这两个疑难，一个是光速的恒定，一个是不论在物理还是在哲学上，我们都不确定所谓移动或不移动是什么意思。 [1]

“等一下，”我们说，“这有什么不好确定的？假设我坐在椅子上，一个人从我面前走过。那么，这个人在运动，我不在运动，这有什么不好确定的？”

“不错，”津得微脱口而出，说，“可是事情没有那么简单。假设你是坐在飞机上面，从你面前走过的是空中小姐。又假设我在地上看着你们两个。在你看来，你是静止的，空中小姐是运动的。可是在我看来，我才是静止的，你们两个都在运动，事情要看你的参考架构而定。你的参考架构是飞机，我的参考架构是地球。”

不错，津得微找问题还是很准。不过，遗憾的是他还是没有解决问题。因为，地球根本就不是静止的。地球不但像陀螺一样依轴心自转，而且地球和月亮还沿着一个重力中心，以每秒30公里的速度绕日而行。

“当然，这样说没错，”我们说，“不过这不公平。因为，对我们住在地球上的人而言，地球并没有在动。地球只有在我们把参考架构改到太阳的时候，才是在运动的。如果我们要玩这个游戏，那么整个宇宙就找不到‘静止’的东西。从银河的观点看，太阳在动。从另一个银河的观点看，我们的银河在动。再从另一个银河的观点看，这两个银河都在动。事实上从以上任何一个的观点看，其他几个都在动。”

“说得好，”津得微笑着说，“说到要点了。绝对静止，丝毫不动的东西是没有的。运动或不运动总是相对于别的东西来说的。我们是不是在运动要看我们用什么参考架构而定。”

伽利略相对论原理

但是，我们现在讨论的并不是狭义相对论，我们现在讨论的是伽利略相对论原理的一部分。伽利略相对论原理已经有三百年以上的历史。不管什么物理理论，只要和津得微一样承认检测绝对运动与绝对非运动有困难，就是相对论。相对论认为，相对于他物的运动或不运动是我们唯一能够判断的运动。除此之外，伽利略的相对论原理还说，力学定律在所有一致相对的参考架构（物理学家说是“坐标系”）之上都成立。伽利略的相对论原理认为，在宇宙另一处，存有一个力学原理完全成立的参考架构；也就是说，存有一个实验与理论完全相符的参考架构。这一个参考架构叫作“惯性”参考架构。所谓惯性参考架构，意思只是其中力学定律完全成立的参考架构。然而，相对于一个惯性参考架构而一致运动的其他参考架构，也都是惯性参考架构。那么，既然力学定律在所有的参考架构都成立，这就表示我们没有办法用力学实验分别出一个参考架构与另一个参考架构。

彼此相对而一致运动的参考架构就是以恒定的速率和方向运动的坐标系；换句话说就是以一个恒定的速度运动的参考架构。譬如说，假设我们不小心在书架上掉下一本书，这本书依照牛顿重力定律直直往下掉，掉在它的正下方。这时我们的参考架构就是地球，而地球以一个神奇的速率在它绕日而行的旅行中运动着，但这个速率是恒定的。 [2]

再假设我们是在一列走得相当平滑的火车上掉了一本书，这列火车以恒速前进。这样的话，书本掉落的情况完全一样。这本书依照牛顿的重力定律直直落下来，落在它的正下方。当然，这一次我们的参考架构是火车。因为这一列火车在与地球的关系上速率前后一致，既不增加也不减少；又因为地球在与火车的关系上运动情况亦然，所以这两个参考架构相对于对方都是一致运动的，所以力学定律在这两个参考架构里面都成立。在这种情况下，哪一个参考架构在“运动”就没有关系了。一个人不管在哪一个架构里，他可以认为自己在动，另一个架构静止（火车在动，地球静止），也可以认为自己静止，另一个架构在动（火车静止，地球在动）。就物理学的观点而言，两者没有差别。

可是，如果我们做实验的时候，火车突然加速，那会怎样？这样的话，当然一切都变了。书本还是会掉在地板上，可是落点会在稍微后面的地方。因为，就在书本还在空中的时候，火车已经在它下方向前运动了，这是由于火车在对地球的关系上并非一致运动的。既然火车在对地球关系上并非一致运动，所以就不适用伽利略的相对论原理。

假设所有牵涉到的运动都一致相对，那么我们便可以把一个参考架构里知觉到的运动，换算为另外一个参考架构的运动。譬如说，假设我们站在海岸边，有一艘船以30英里（48公里）的时速从海上驶过。这个时候，这艘船是一个相对于我们的、一致运动的参考架构。现在假设这艘船上有一个乘客站在甲板上，由于他是站在甲板上不动的，所以他的速度跟船一样，也是时速30英里。（从他的观点看，我们亦是以30英里的时速从他身前经过。）

现在假设这个人以3英里（4.8公里）的时速向船头走去，这样的话，相对于我们而言，他的速度就变成每小时33英里（53公里）。因为，船以每小时30英里的速度载着他向前走，他自己走路时速3英里，加起来就是33英里。（我们生活中实际的例子就是，在商场坐电梯的时候一边同时向上走，上楼上得比较快。）

伽利略转换

现在反过来假设这个人在甲板上向船尾走，他的时速相对于船而言还是3英里，这样的话，他的时速相对于海岸而言就变成27英里（43.45公里）。换句话说，要计算这个人相对于我们的速度多少，方法就是，如果他在船上与船同方向前进，我们就把他的速度加在他的坐标系（船）的速度上面。如果是反方向，我们就从他的坐标系的速度减去他的速度。这种计算法叫作古典转换（伽利略转换）。我们只要知道我们的两个参考架构的一致相对运动，就可以把这个乘客在他的坐标系的速度（时速3英里），转换成他在我们的坐标系的速度（时速33英里）。

这种参考架构对参考架构的伽利略转换，高速公路上面实例很多。假设我们从高速公路上开着车子以75英里（120公里）的时速前进，另外一部卡车以相同的速度从对面开过来。这时来做一个伽利略转换的话，我们就可以说，相对于我们，这部卡车是以150英里（240公里）的时速向我们接近。正面相撞的车祸往往很惨烈就是这个道理。

现在假设有一部汽车追过我们，与我们同方向前进，时速111英里（179公里，这是一部法拉利）。那么，做个伽利略转换的话，我们就可以说，相对于我们，这部法拉利正以35英里（56公里）的时速离开我们。

古典力学的转换规则是一种常识。这样的转换规则说，我们即使无法断定一个参考架构是不是绝对静止的，但只要参考架构之间相对于对方是一致运动的，我们就可以把一个参考架构的速度（和位置）换算为另一个参考架构的速度（和位置）。除此之外，伽利略相对论原理（伽利略转换是由这里产生的）还说，力学定律只要在一个参考架构成立，那么在任何一个相对于它一致运动的参考架构也就成立。

不过，此中有诈。因为，很不幸的是，到目前为止，还没有人发现力学定律在哪一个坐标系成立。 [3]

“什么啊！没有道理！不可能！”我们叫了，“那地球呢？”

不错，最先研究力学定律的，伽利略是第一人。他无意识地用了地球做参考架构。（“坐标系”观念一直到笛卡儿才出现。）然而，我们现在的测量仪器比起伽利略当时准确多了。当时的伽利略有时候还用脉搏做测量呢！（这就表示，如果测量的时候他很兴奋，他的测量就不准了。）我们重做伽利略的落体实验的时候，不管什么时候，我们总是发现实际结果与理论上应有之结果有出入。这种出入是由地球的转动而起的。坐标系只要是紧紧粘贴在这个地球上的，力学定律在它就不成立。这是冷冰冰的真理。地球不是惯性参考架构，从来没有人发现古典力学定律完整彰显的坐标系。开端如此，贫乏的古典力学定律遂无家可归了。（就这么说吧！）

就物理学家的观点而言，这种情况使我们乱成一团。一方面，古典力学定律在物理学是不可少的；可是在另一方面，这些定律却是依据一个有可能不存在的坐标系测定的。

这个问题与“相对”有关。“相对”就是如何以精密的方法断定绝对非运动（absolute non-motion）。如果我们能够检测到绝对非运动这种东西，那么，紧搭于其上的坐标系就是我们寻觅已久的惯性参考架构。力学定律在这个坐标系里面将完全成立。这样的话，那一团乱麻就全部梳理清了。因为，既然有一个参考架构古典力学定律成立，那么不管这个参考架构是哪一个，古典力学定律终究有了一个永久地址。物理学家不喜欢没有最后肯定的理论。在爱因斯坦之前，检测绝对运动（或绝对非运动——先发现哪一个，就会发现另外一个），以及寻找惯性坐标系的问题，至少可以说是无法最后肯定。古典力学的结构整个是以这一个事实为基础的，那就是，“在某处”“总会”有一个参考架构古典力学定律成立。由于物理学家找不到这一个参考架构，所以古典力学一直就像沙滩上的城堡。

包括爱因斯坦在内，都没有人找到绝对非运动，但是找不到绝对非运动确实是当时的物理学家关注的一个大事项。当时另外一个大问题（普朗克发现量子姑且不论）是光那种难以理解的、不合逻辑的特性。

光速恒定原理

物理学家在光速实验的过程中发现一件很奇怪的事情。那就是，光速完全不受古典力学转换定律的影响。当然，这毫不合理。可是，一次又一次的实验却证明是这样没错。光速是物理学家遭遇过的最无理的事情。因为，光的速度从来不变。

“光速永远以相同的速度前进，”于是我们问了，“这有什么好奇怪的？”

“天啊，天啊，”一个忧愤的物理学家大约在1887年说了，“你们就是不了解。问题在于，不管是什么测量条件，观测者怎样运动，光的速度永远是每秒30万公里。” [4]

“这有什么不好吗？”我们开始感觉事情奇怪了。

“不只不好，”物理学家说，“因为这根本不可理喻。你看……”他让自己镇静下来说话，“假设我们站着不动，我们前方有一盏灯，也不移动。这盏灯一次一次地亮起来。然后我们测量这个光的速度。你认为我们测到的光速是多少？”

“每秒，”我们说，“30万公里。”

“没错！”物理学家说，他那看穿一切的表情让人不安，“现在假设这盏灯还是静止不动，但是我们以每秒16万公里的速度向这盏灯走去。这样，我们测出来的光速会变多少？”

“每秒46万公里，”我们回答，“那是光速再加上我们的速度。”（这就是典型的伽利略转换。）

“错了！”物理学家喊道，“问题就在这里。事实上这一次光速还是每秒16万公里。”

“等一下，”我们说，“这不可能。你是说如果这盏灯静止，我们向这盏灯走去，这时候我们测到的光的速度跟两者都静止的时候一样？这不成立啊！光发射的时候，速度是每秒30万公里。如果我们向这盏灯走去，它的速度量起来应该更快。换句话说就是它发射的速度加上我们的速度，也就是30万加16万，等于每秒46万公里。”

“不错，”我们的朋友说，“可是没有。光的速度量起来还是每秒30万公里，就好像我们还是静止不动一样。”

沉静了一会儿以后，他说：“现在假设一种相反的情况。假设这盏灯还是静止不动，但我们反方向以每秒16万公里的速度离开这盏灯，这时光的速度量起来是多少？”

“每秒14万公里？”我们心里抱着希望说，“也就是光的速率减去我们离开光的速率？”

“又错了！”我们的朋友说，“应该是，可是没有。光的速度量起来还是每秒30万公里。”

“这叫人无法相信。你的意思是，不论灯和我们都静止的时候，或是灯不动而我们向灯走去，还是灯不动我们反方向走开，灯发射出来的光的速度量起来都一样？”

“没错！”物理学家说，“都是每秒30万公里。” [5]

“你有证据吗？”我们问他。

“真不幸，”他说，“我有。美国物理学家阿尔伯特·迈克耳孙（Albert Michelson）和爱德华·莫雷（Edward Morley）刚刚完成了一次实验，证明光速恒定，完全不受观测者运动状态的影响。”

“不能发生这种事，”他叹口气说，“可是发生这种事。完全不合理。”

以太

迈克耳孙-莫雷实验汇合了绝对非运动和光速恒定这两个问题。迈克耳孙-莫雷实验（1887年）是一个残酷的实验。所谓残酷的实验，意思是说，这个实验决定了一个科学理论的生死。当时，这个实验验证的是以太理论。

以太理论是说，整个宇宙充满了一种看不见的，无臭无味、没有任何属性的物质；这种东西之所以存在，纯粹只是为了让光有东西可以传导。这个理论说，既然光像波一样进行，那么必然就有一样东西波动，这种东西就是以太。以太理论是人类最后一次企图用解释一种“东西”来解释宇宙。用东西（譬如“大机器”）来解释宇宙是机械观的特性。我们说机械观，指的就是牛顿以降，一直到19世纪中叶全部的物理学。

照以太理论所说，以太四处皆有，物物皆有。我们在以太之海生活，也在以太之海做实验。对于以太而言，即使是最坚硬的物质也像海绵一样；海绵多孔质而易于吸水，而即使是最坚硬的物质也像海绵一样易于吸收以太。但是我们找不到什么门路进入以太。我们在以太海中运动，可是以太海自己并不运动。以太的不运动是绝对的、毫不含糊的。

所以，以太之所以必须存在，主要的理由固然是要让光有一样东西在其中传导，但是这样的存在也就解决了原始坐标系的问题。力学定律在这个原始坐标系里面将完全成立。如果以太真的存在（但以太必须存在），那么我们就可以用搭附在上面的坐标系来对比所有其他的坐标系，看这些坐标系是运动或是不运动。

迈克耳孙-莫雷实验

迈克耳孙和莫雷的发现判了以太理论的死刑。 [6] 不过同样重要的是，他们的实验导出了爱因斯坦革命性新理论的数学基础。

迈克耳孙-莫雷实验的想法在于断定地球通过以太海的运动情形。不过问题在于怎么做？如果是两艘船在海上航行，两者都可以断定彼此的相对运动。可是，如果只是一艘船在平静的海上航行，那么这艘船就没有参考点来测定自己前进的情形。若是以前，水手会从船边放一个测速仪在海面上，然后再测船相对于测速仪的运动。迈克耳孙和莫雷的方法一样，只是他们丢在船边的不是测速仪，而是一束光线罢了。

他们的实验在概念上实在很简单，不需要什么天才。他们说，如果是地球动而以太海静止，那么地球在以太海中的运动必然会造成以太风。这样的话，如果有一束光在以太风中逆向前进，那么这束光的速度必然比横向穿越以太海的光束慢。迈克耳孙-莫雷实验的要旨就在这里。

每一个飞行员都知道，如果来回飞行的行程里面有一趟逆风，那么（即使另一趟是顺风）如果要飞行一样远的距离，这趟飞行耗费的时间会比横越同样的风久。同理，如果以太海理论正确，那么一束光先在以太风中逆流而上，然后再折回顺流而下，回到起点，所耗费的时间必然比横向来回穿越以太风的光束多。

迈克耳孙和莫雷制造了一部仪器来检测这种速度的差异。这种仪器叫作干涉仪。这部仪器可以在这两个光束回到同一个地方时，检测两者的干涉型。

这种干涉仪工作的情形是这样的，一个光源对着一面半反射镜（和那种从外面看像镜子，从里面看是透明的太阳眼镜很像）射出一束光。半反射镜把这一束分为透射光与反射光。两者互成正角行进一段相同的距离然后折回。折回之后，经由同一面半反射镜再恢复为原来的光，然后射进干涉仪里面。我们只要观察这两股光聚合之后在干涉仪里面产生的干涉型，就可以断定两者速度的差值。

但是，做完这个实验之后，我们却测不到两者的速度有何不同。将干涉仪方位调整90度，使原来逆以太风的光变为横越以太风，原来横越以太风的光转为逆以太风，然后再测量两者的速度，结果发现两者速度依然一样。

换句话说，迈克耳孙-莫雷实验没有办法证明以太的存在。这样，物理学家若无法找到合理的解释，便不得不面对两种令人不安的选择，一个是，地球不动（而哥白尼错误），再一个是，以太不存在。但是两者都令人难以接受。

◎图16

迈克耳孙和莫雷认为，既然地球通过太空时上面带着一层大气层，那么通过以太海时，或许也带着一层以太，所以地表一带也就测不到以太风。不过这只是或许。这种无解一直要到1892年，一个爱尔兰人名唤菲茨杰拉德（Georg Francis Fitzgerald）者提出一个惊人的解释之后，才算有了一个比较好的假说。

菲茨杰拉德收缩

菲茨杰拉德说，也许以太风的压力会压缩物质，好比有弹性的物体在水中前进会在前进的方向上变短一样。果真如此的话，那么干涉仪上正对以太风的指针，必然比不正对的指针短了一些。所以光在以太风中进行而后再折回，如果速度减慢，干涉仪也就测不出来，因为这个时候光行走的距离也缩短了。事实上，干涉仪上面指向以太风的指针变短的量，如果与光速减慢以后通过这支指针的量相当，那么实验中的两束光将同时回到干涉仪。因为，速度快的光束走了比较长的距离，速度慢的光束走了比较短的距离。

菲茨杰拉德的假说比起其他假说有一个很有利的地方，那就是，他的假说不可能反证（亦即证明为假）。他只说到运动方向上一种单维度的收缩，这种收缩随速度的增加而增加。不过要点在于所有的东西都会收缩。如果有一个物体以接近光速的速度运动，而我们想测量这个物体的长度，这时我们必须先赶上这个物体。但是，根据菲茨杰拉德的理论，这个时候带在我们身上的仪器的指针也缩短了。这一来，假设这个物体静止时是17英寸，那么现在量起来也还是17英寸。这个时候反正没有一样东西看起来会是缩短的，因为，这时我们的眼睛的眼球等也缩短了，于是把每一件东西都扭曲到看起来很正常。

洛伦兹变换

菲茨杰拉德提出这个假说之后，隔一年荷兰物理学家洛伦兹（Hendrik Antoon Lorentz）在处理另外一个问题的时候，证明了菲茨杰拉德的假说。不过，洛伦兹却是用严格的数学语言来表达他的发现的，这当然就把菲茨杰拉德的假说提升到值得尊敬的地步。这个假说于是开始为人接受。这种接受的程度，如果我们想想这个假说当初的幻想气质，是要觉得惊讶的。关于菲茨杰拉德-洛伦兹收缩，洛伦兹定出来的公式后来就叫作洛伦兹变换。

讲到这里，舞台已经布置好了，布景全部就绪。检测以太失败，迈克耳孙-莫雷实验，光速恒定，菲茨杰拉德-洛伦兹收缩，洛伦兹变换。凡此一切事实，20世纪初一直困扰着物理学家，不过爱因斯坦除外。看到这些布景，他的初心看到了狭义相对论。 [7]

第7章
狭义无理

狭义相对论

检视过诸般事实之后，爱因斯坦的第一个专业行动等于是说：“国王什么衣服都没穿！”他的言外之意就是，“以太不存在”（注一）。狭义相对论的第一个信息是，既然以太检测不到，而且也没有什么用处，我们就没有什么道理再找它。以太之所以检测不到，是因为我们每一次检测以太及判断其性质的努力，都彻底失败。这种努力以迈克尔逊-莫雷实验为最，但还是找不到以太的存在；其次，以太之所以没有用，是因为如果光的传导可以看作以太介质的骚动，那么同样也就可以看作是能量依照麦克斯韦场方程式在真空中传导。在麦克斯韦还只是暗含的事情，到了爱因斯坦就说得很清楚了。（发现电磁场的就是麦克斯韦。）“电磁场，”爱因斯坦说，“并不是一种介质（以太）的状态，也不隶属于什么承载者。电磁场是独立的实在，无法再化约成任何东西……”（注二）这种主张因为物理学家无能检测到以太而受到支持。

爱因斯坦以这样的主张结束了力学虚幻的历史。力学一向以为物理事件可以用“东西”的说法来说明。古典力学就是物体以及物体之间力的故事。然而，在20世纪那么早的时候就突破这个三百年的传统，大胆宣称电磁场与任何物体无涉，不是以太介质的状态，是“最后的，不可化约的实在”（注三），实在非比寻常。物理学理论自此而后就再也没有具体的形象，量子力学即是如此。

相对论和量子论宣告了一种前所未有的距离，一种与向来的物理理论特有的经验遥望的距离。不过，事实上这股趋势目前依然持续不断。现在的物理学好像受到一个断然不移的规律统御，涵盖的经验面越来越广，可是也越来越抽象。如今只有时间才能告诉我们这个趋势会不会倒转。

由于爱因斯坦看不到“国王的新衣”而产生的第二个受害者是绝对非运动。因为，我们凭什么单单由于说一个参考架构绝对不运动，就使它比其他参考架构“优先”（注四）？这种架构在理论上也许要得；但是，因为这种参考架构并非我们经验的一部分，所以应该排除不计。在理论结构里面摆上一个特质，而我们的经验体系里面却没有一个特质与之对应，这是“不可忍受的”。（注五）

爱因斯坦一举推倒了这两块物理学与哲学的大积木（以太与绝对非运动），创造了一种崭新的方法来知觉实在界。现在，没有了以太和绝对运动来混淆视听，情况就单纯多了。

这样，爱因斯坦的下一步就是面对一个在迈克耳孙-莫雷实验之下见光（非双关语）的问题。这个问题就是光速的恒定。光的速度，不管观测者的运动状态如何，永远都是每秒30万公里，为什么？

爱因斯坦灵机一动，就把这个问题转变为一项命题。一开始，他暂时就光速为何恒定不提出疑问。光速恒定既是实验上无法反驳的事实，他就接受。清楚地认识清楚的事实乃是一个逻辑程序的第一步。这个逻辑程序既然已经开始，那么它说明的就不只是光速恒定，而且还涉及其他许多东西。

光速恒定的难题在爱因斯坦手下变成了光速恒定原理，而光速恒定原理便是狭义相对论的第一个基石。

光速恒定的原理是说，不管什么时候，不管我们相对于光源是运动还是静止，只要我们测量光速，结果都完全一样。光速每秒30万公里，一概不变。 [8]

从古典力学而言，光速恒定原理毫无意义。因为，事实上光速恒定完全违背常识。在爱因斯坦之前，“常识”的垄断总是把光速恒定划归为“谜题”。只有爱因斯坦那样纯洁的初心才能认识到，既然光速恒定的确没错，那么错的就是常识。

爱因斯坦的初心最大的受害者就是古典（伽利略）转换的整个结构。这个结构是常识粘贴在宏观维度与速度之上的一颗甜蜜的水果。这颗水果是虚幻的。但是，要丢弃常识是很不容易的，做到这一点的，爱因斯坦是第一人。他的方式是“全盘”放弃，所以他对时间与空间之性质的知觉也就非常不一样。并且，该说该做的都说都做了以后，他的时间观与空间观最后证明是比常识有用。以上，我们讨论了狭义相对论的第一个基石，亦即光速恒定。

狭义相对论的第二个基石，是相对论原理。爱因斯坦一旦排除了“绝对非运动”这个观念，ipso facto（就这个事实而言），他的理论自然就成为相对论。因为，既然除了伽利略的相对论原理没有更好的相对论原理，爱因斯坦就直截了当地借过来。不过，当然，他把它变成了现代的东西。

伽利略的相对论原理是说，凡是在一个参考架构成立的力学定律，在其他与之相对一致运动的参考架构中也都成立。换上另一种讲法就是，我们没有办法用力学定律的实验，来断定我们的参考架构相对于力学定律亦是成立的其他参考架构，是运动还是静止。

爱因斯坦把伽利略相对论原理扩大，使它不只包含古典力学定律，而是包含一切物理定律。其中尤其重要的是统御电磁辐射的定律。在伽利略的时代，电磁辐射还没有人知道。

爱因斯坦的新相对论原理是说，所有的自然定律在一切相对一致运动的参考架构中完全一样；所以，我们无从分辨绝对一致运动（或非运动）。

简而言之，狭义相对论有两个基石，一个是光速恒定原理（迈克耳孙-莫雷实验），一个是相对论原理（伽利略）。简单来说的话，狭义相对论是建立在这两个命题上面的：

（1）凡是相对于彼此是一致运动的参考架构，光在其间的真空中速度都一样。

（2）凡是相对于彼此是一致运动的参考架构，所有的自然定律都一样。

可是，第一个命题简直就是在找麻烦。因为，这个命题或是古典转换律都不可能为真。根据古典转换律（以及常识），光速等于光从光源射出的速度加上或减去观测者运动的速度。但是，根据实验，光速不管观测者运动状态如何，永远都一样。常识与实验结果完全不一样。

爱因斯坦的初心告诉他，既然我们无法和事实（实验证据）争辩，那么必然是我们的常识错了。他决定丢弃常识。他只看到国王以前穿的那件衣服（光速恒定和相对论原理），因此决心把他的新理论建立在这件旧衣服上。这样，他一脚跨进了未知的领域——但事实上是不可想象的领域。他在新的领域里面探索从来没有人来过的土地。

不论观测者的运动状态如何，光速永远一样。为什么会这样？测量光速要一个时钟和一把尺（一根杆子）。如果相对于光源是静止的观测者测出来的光速与相对于光源是运动的观测者测出来的光速一样，那么，不论如何，这必然是因为观测者使用的测量仪器，从一个参考架构转变到另一个参考架构的时候，它转变的方式使光速量起来完全一样。

光速量起来之所以恒定，是因为测量用的杆和时钟依照自己的运动转换了参考架构。简而言之，对静止的观测者而言，移动的杆长度会变，移动的时钟节拍会变；但同时，对一个随着移动的杆和时钟一起运动的观测者而言，杆的长度和时钟的节拍都不会有什么变化。所以这两个观测者量出来的光速都一样，两者在测量过程和测量仪器上都检测不到任何不寻常的事物。

这种情形跟迈克耳孙-莫雷实验很接近。根据菲茨杰拉德和洛伦兹的说法，干涉仪的指针正对以太风时，会因为以太风的压力而变短。所以，从正对以太风的指针通过的光，比起从另一支指针通过的光，走的距离就比较短，花的时间也比较少。所以，两者测出来的光速都一样。洛伦兹变换说的就是这一回事。想一想，洛伦兹变换既然可以说明虚构的以太风造成的收缩，也就可以用来说明运动造成的收缩。

在菲茨杰拉德和洛伦兹的想象里，杆是在以太风的压力下收缩的。可是依照爱因斯坦的看法，造成收缩——以及时间膨胀——的却是运动的本身。

这里要讲的是看待物体收缩的一种方式。如果一把运动的量杆变短了，一个运动的时钟跑得比较慢了，那么“光速恒定”就是必然的结果。因为，观测者如果是运动的，那么比起静止的观测者，他的量杆比较短，他的时钟比较慢，所以他量起来的结果还是一样。这两个观测者量出来的光速都是每秒30万公里。但是，不论是运动还是静止，他们都不会认为自己的量杆和时钟不准。如果他们还执着古典转换律，他们只会惊讶光速都一样而已。

爱因斯坦的基本设定（光速恒定原理和相对论原理）初步结出了两个果实：第一，一个运动的物体会随着运动速度的增加而逐渐变短，到达光速以后便完全消失；第二，一个运动的时钟会随着运动速度的增加而越走越慢，到达光速以后便完全停止。

“本征”与“相对”的长度与时间

不过，这种情形只发生在“固定”的观测者身上，也就是相对于运动的杆和时钟是静止的观测者身上。观测者如果是随着这些杆和时钟一起运动的，就不会发生这种情形。爱因斯坦为了要说明这一点，特别引用了“本征”（proper，意为“本身的”）和“相对”这两个讲法。他说，如果我们本身是固定的，这时观察我们那根固定的量杆和时钟，我们所看到的长度和时钟便是“本征”长度和“本征”时间。本征长度和本征时间看起来永远都很正常。如果我们固定，而量杆和时钟相对于我们是快速运动，这时这根量杆的长度便是“相对”长度，这个时钟的时间便是“相对”时间。相对长度永远比本征长度短，相对时间永远比本征时间慢和久。

你在自己的手表上看到的时间是本征时间，一个人在你面前经过，你在他手表上看到的时间是相对时间。你在自己的量杆上看的长度是本征长度，一个人从你面前经过，你在他的量杆上看到的长度是相对长度。他的相对时间在你看来比较慢，他的相对长度在你看来比较短。不过，若是从他的观点看，则他是静止的，你是运动的，于是整个情况便倒转过来。

现在假设我们在一艘太空船上面，我们规定每15分钟按一次钮把一种信号传回地球。我们的速度逐渐加快，这时地球上的人员发现，我们的信号不再每15分钟到达一次，而是17分钟，然后是20分钟。几天以后，我们的信号每两天才到达一次，弄得他们很沮丧。我们的速度依然在增加，于是我们的信号变成几年才到达一次。最后，在两次信号之间，地球上已经过了好几代。

但是，在这同时，太空船上的我们对地球上的这种情况却毫无所知。就我们所知，虽然每15分钟按一次钮变得很无聊，但是一切都照计划进行。不过几年（我们的本征时间）待我们回到地球才发现，依照地球时间，我们已经去了好几个世纪。至于到底多久，要看我们的太空船飞得多快。

上面说的并不是科幻小说，这是有根据的。这个根据就是物理学家都知道的一种疑难现象，叫作“狭义相对论的双胞胎”。这一对双胞胎一个留在地球上，一个上了太空船去太空航行。等到他回来的时候却发现他比他的兄弟年轻。

本征时间和相对时间的实例多的是。假设我们在太空站上观察一艘宇宙飞船，以相对于我们每秒26万公里的速度在太空中前进，这时我们会发现太空船里面的太空人动作有点呆滞。那种呆滞好比我们平常所见的那种慢动作。除此之外，太空船里面所有的东西，动作也都没有不缓慢的。譬如说，他的雪茄燃烧的时间就有我们的两倍之久。

当然，他的呆滞有一部分是因为他正在迅速地拉长他和我们的距离，所以随着逝去的每一刻，他船上的光要到达我们的眼睛也越来越慢。但是，把这一切额外的因素扣除之后，我们发现太空人动作的速度依然比平常慢。

可是，对这个航天员而言，却是我们以每秒26万公里的速度从他面前飞过。等到他扣除额外的因素之后，他发现我们的动作很呆滞，我们的雪茄燃烧的时间有他的两倍之久。

青草总是另外一边比较绿，这大概就是最后的原因吧！每个人的雪茄都比我的燃烧得久。（不幸的是，如果要去看牙医也要走两倍远。）

我们自己经验和测量的时间是我们的本征时间，我们的雪茄燃烧的时间就是我们正常的时间，但我们测量到的太空人的时间为相对时间。因为他的时间走起来慢一半，所以他的雪茄燃烧起来有我们的两倍之久，这是就时间而言。至于本征长度和相对长度也是一样。从我们的观点看，太空人的雪茄如果是正对太空船前进的方向，那么他的雪茄就比我们的雪茄短。

换到钱币的另一面看，那么就是太空人看他自己是固定的，他的雪茄很正常。但他看我们一样，也是以相对于他每秒26万公里的速度前进，我们的雪茄也比他的短，燃烧得慢。

爱因斯坦的理论已经通过各方面的证实，结果总是非常正确。

关于时间的膨胀，最普通的证明是高能粒子物理学。μ介子是一种很轻的元素粒子。这种粒子是在大气层上空因为质子（一种“宇宙射线”）与空气分子的撞击而产生的。若是用加速器制造μ介子，这样的μ介子的生命很短。它们的生命短到无法从大气层上飞到地球。它们等不及穿越这一段行程，早就衰变为别种粒子。但是，情形又好像不是这样。因为，我们在地球表面就检测到很多μ介子。

为什么宇宙射线制造的μ介子生命比较长？宇宙射线制造的μ介子生命比加速器制造的长7倍，为什么？答案在于，宇宙射线与空气分子撞击之后所产生的μ介子，比用实验技术制造出来的μ介子速度快了很多。宇宙射线制造的μ介子速度大约是光速的99%，时间的膨胀在这样的速度已经非常明显。对这些μ介子自己而言，它们的生命不曾有一瞬间延长。不过就我们的观点而言，它们的生命却比慢速的时候延长了7倍。

这种情形不只μ介子是这样，别的亚原子粒子差不多也都是这样。譬如π介子。π介子的速度约为光速的80%。所以它的生命平均为慢速π介子的1.67倍。狭义相对论告诉我们，这些高速粒子本有的生命其实并没有延长，不过是时间的相对流动率慢下来罢了。

这种现象在当时仅止于可能。狭义相对论对这些现象只能做一些数学计算。我们是一直到晚近才有技术上的能力创造这种现象。1972年，科学家把四座当时最准确的原子钟放在飞机上环绕地球飞行。行前这四座钟已经和另外四座留在地面的原子钟对过时。结果飞行回来以后发现，飞机上的四座钟都比地面的四座钟慢了一些。 [9] 下一次再坐飞机，记得你的手表会走慢一些，你的身体会有比较多的质量，如果你坐的是正前方，你会瘦一点。根据狭义相对论，一个运动的物体会随着速度的增加而在运动的方向上收缩。物理学家特雷尔（James Terrell）曾经以数学显示这种现象很像一种视觉上的错觉，跟真实世界投射在柏拉图洞穴墙壁上的影子一样。（注六）

柏拉图这个很有名的比喻是说，一个洞穴里有一群人被铁链锁着，他们只能看到墙壁上的影子。这些人知道的世界就是这些影子。有一天，有一个人逃到了外面的世界，耀眼的阳光使他睁不开眼睛。等到他习惯了以后，他也明白了这才是真正的世界，以前他所知的世界只是真实世界的投影。（不幸的是，等到他回到洞里以后，其他人都认为他疯了。）

◎图17

图A画的是从头顶和球形上方俯视下来的情形，虚线连接球形两侧的两点和我们的眼睛。

特雷尔对相对论收缩的解释

特雷尔说明的第一个步骤就是从球形侧边两点对着球形正下方的一张幕画线。换句话说，假设这个球是在你的正前方，这两条线就好比从球的侧边两点垂直挂下来一样。把这本书拿在你的正前方看图B就是这种情形，这时你的眼睛就相当于图A人物眼睛的位置。

现在假设这个球以相对于光速算是很快的速度，从右边向左边运动。因为这个速度够快了，所以便发生了很有意思的事情。譬如说，本来球会挡住球左后侧的光线，使我们看不到。右边的情形刚好相反，发出光信号的地方通常是在球的“后面”。球就在这些点和我们之间由右向左运动。但是，因为球现在是向左运动，所以来自球的前面点的光信号都被球挡住了。这样，由球“后面”发出的光信号我们便全部看见了。这种情况造成的结果就是一种视觉的错觉。那就是，我们看到的这个球好像有人顺着轴心在转它一样。

现在我们再来看看球两侧的点投射在幕上面的距离。从图C我们可以看到，这两点投射在幕上的距离比球刚开始运动的时候短了很多。狭义相对论里面的方程式说到由运动产生的收缩，也就是在说这些投影。

球因为快速运动，所以一方面跑进自己的一部分光信号里面，一方面又同时跑出自己的另一部分光信号之外，这种事使球看起来像在旋转。这就是使球上面任何与运动方向成直线排列的两点的投影距离变短，情形好比有人在旋转这个球一样。球的运动速度越快，看起来越像是在“转动”，幕上投射的两点也就越短。所以，收缩的其实是投影。现在，只要把“幕”代换成“从我们的参考架构看到的球”，我们就得到了特雷尔对相对论收缩的解释。

但是，运动的时钟产生的时间膨胀，以及运动的物体产生的质量的增加，迄今还未有相关的解释。相比之下，这方面的努力还很稚嫩。

相对质量的增加

狭义相对论说，一个运动的物体，其质量随着运动速度的增加而增加。牛顿对这一点会毫不犹豫地斥为胡说。可是牛顿的经验其实很有限，仅限于和光速比较起来很慢的速度。

古典物理学告诉我们说，一个运动的物体若要增加速度，譬如每秒1英尺，必须施加某一个量的力。我们只要知道这个量是多少，那么不论什么时候，只要我们想使这个物体增加每秒1英尺（0.3米）的速度，我们只要将这么多量的力施加在上面就可以了。如果物体现在的速度是每秒100英尺（30.48米），那么这个量就会使它的速度增加为每秒101英尺（30.78米）。根据牛顿物理学，如果这个量可以使物体速度由每秒100英尺增加到101英尺，也就可以使同一物体的速度由每秒8000英尺（2438.4米）增加到8001英尺（2438.7米）。

但是，事实上牛顿物理学错了。要使一个运动速度每秒8000英尺的物体速度增加每秒1英尺，所需要的力比从100英尺增加每秒1英尺多。

这是因为物体运动越快，动能越多，这些多出来的能量使物体仿佛多了一些质量。这个道理就好比对一部卡车在一段时间之内施加一个量的力，这部卡车增加的速度比对一列火车在同样时间之内施加同量的力增加的速度多，这当然是因为火车的质量比卡车多的缘故。

因为这个道理，所以粒子在高速运动的时候，它的动能仿佛使它比慢速的时候有比较多的质量。实际上，狭义相对论已经告诉我们，一个运动的物体，其实际质量并不会随速度的增加而增加。

大部分亚原子粒运动速度并不一定，所以各自皆有多个相对质量。因此，物理学家计算的粒子质量是“静止质量”。静止质量就是粒子不运动时的质量。当然，亚原子粒子从来不曾真正静止过，但是这些计算数字提供了一个统一比较粒子质量的方法。这种统一的方法是必要的；因为，粒子的速度一旦差不多达到光速时，它的相对质量就要看它的速度多快而定。

同时性

爱因斯坦发现运动的时钟节拍会改变，这个发现使我们看世界的方式做了重大的修正。我们自此知道，宇宙并没有“宇宙时间”，有的只是各个观察者自己的本征时间。观察者的本征时间每一个都不一样，除非有两个观察者相对于彼此都是静止的。如果宇宙有心脏的话，它心跳的速度要看听的人而定。

狭义相对论告诉我们，在一个参考架构看来是同时发生的两件事。从另外一个参考架构看来可能就不是同时发生。爱因斯坦用他很有名的思想实验来解说这一点。

思想实验就是不用仪器只用思考的实验，这种实验的好处在于不受实验设备的限制。大部分物理学家只要知道思想实验的结果会和真正实验的结果一样，都能接受思想实验，认为思想实验确是有效的理论工具。

爱因斯坦的思想实验是这样的。假设人在一个房间之内，而这个房间是运动的。房间的正中央有一盏灯泡，定时发出亮光。房间四壁是玻璃的，所以外面的观察者可以看到房间里面的事情。

现在假设，房间内的灯泡就在房间外面的观察者通过的时候亮了。我们的问题是，我们在房间内所见和外面的观察者所见有没有不同？根据狭义相对论，答案非比寻常，打破概念的“有”——两地所见差别甚大。

在房间里面，我们看到灯亮，光以同速向四面八方散布。由于四面墙皆与灯泡等距，所以我们看见的是光同时打在前壁和后墙。

外面的观察者呢？外面的观察者同样也看到灯亮，也看到光以同速向四面八方传播。但是，跟我们不一样的是，他除了看到这些，还看到房间运动。所以，从他的观点看，房间前壁一直在逃开光的接近，后墙则一直在赶上去迎接光。因此，在他看来，光是先到后墙，后到前壁。如果和光速相比房间运动的速度算慢的，那么光到达前后墙的时间差别也就不大。但不论如何总有先有后，不是同时。这就是爱因斯坦关于狭义相对论的思想实验。

由这个实验我们知道，我们和外面的观察者虽然都看到了同样的两件事——也就是光打在前壁和光打在后墙，可是我们说出来的故事却不一样。对我们来说，这两件事是同时发生的。但是对外面的观察者而言，这两件事却是一前一后发生的。

在这里，爱因斯坦的革命性发现就是，对一个观察者而言同时发生的事情，在另外一个观察者看来却不是同时发生；其差别看各人的相对运动而定。换一种讲法，从一个观察者的参考架构看来一前一后发生的两件事，在另一个观察者的参考架构看来却是同时发生的。两个观察者说的虽然是同样的两件事，可是一个会说“前”“后”，另一个观察者会说“同时”。

换句话说，“前”“后”“同时”都是局部用语，没有宇宙全体的意义。在一个参考架构“前”的事，在另一个参考架构可能是“后”，在第三个参考架构可能是“同时”。 [10]

将一个观察者在一个参考架构所见转译成另一个观察者在另一个参考架构所见的数学，是为洛伦兹变换。洛伦兹变换是一组方程式，爱因斯坦对这一组方程式是照单全收。

在爱因斯坦之前，从来没有人从思想实验这么简单的理论工具得出这么惊人的结果。这是因为没有人像他一样，胆子大到敢提出。之所以没有人敢提出光速恒定原理这么惊世骇俗的东西，是因为光速恒定原理完全违背常识，尤其违背以古典转换律为代表的常识。由于古典转换律这样地深入我们生活的经验，所以没有人会怀疑。

即使到了迈克耳孙-莫雷实验做出的结果不符合古典转换律，也只有爱因斯坦的初心才会认为可能是古典转换律错误。所有的人里面，只有爱因斯坦想到古典转换律可能在极高速度的时候不成立。这并不是说古典转换律不正确，而是说，在（相对于每秒30万公里）低速时，我们没有办法透过感官检测到物体的收缩和时间的膨胀。在低速这种有限的情况下，古典转换律确实是生活经验很好的指南。没错，搭电梯时，边搭边走上去确实到楼上比较快。

如果前面那个思想实验我们用声音（不用光）来做，我们就不会得到狭义相对论的结果。我们反而会证实古典转换律。声音的速度不是恒定，所以声音没有声速恒定原理。声速会依照观测者的运动状态而改变，而观测者是受常识主宰的。在这里，重要的是“主宰”这两个字。

声音的速度虽然好像很快（时速700英里，即时速1126.5公里），可是我们的确生活在慢速的有限世界里。我们的常识是依据这个有限环境的经验建立的。如果我们想超越这个有限的环境，拓展我们对事物的理解，那么我们就必须彻底重组我们的概念结构。爱因斯坦做的就是这一回事，是他最先知道，我们必须重组我们的概念结构，才能使每一个测量光速的人，不论运动状态如何，都能在光速恒定这种难以理喻的实验发现中看出意义。

他就是因为这样，所以能够将光速不变的疑难转变为光速恒定原理。这一来又使他得到一个结论，那就是，如果光速真的在每一个观测者检测之下恒定的话，那么不同运动状态的观测者，其测量仪器必然也有不同的变化，这样他们测出来的结果才会一样。爱因斯坦运气很好，他发现荷兰物理学家洛伦兹建立的一些方程式也表达了这种变化，所以他就整个借用。最后，运动的时钟会改变节拍这个事实使他无可避免地得到一个结论，那就是，所谓“现在”“前”“后”“同时”等说法都是相对的，全部要看观测者的运动状态而定。

这个结论正好与牛顿物理学的假设完全相反。牛顿认为（我们也都认为），宇宙有一个时钟，分秒嘀嗒过去，整个宇宙也就跟着逐渐老去。宇宙的这个地方过去一秒，其他的地方也就过去一秒。

但是根据爱因斯坦的看法，其实不然。什么时候才是整个宇宙的“现在”，有谁讲得出来呢？如果我用两件事同时发生（譬如我到了诊所，这时我的手表指着3点）来讲“现在”，我们发现另一个参考架构的人看这两件事却是一前一后。牛顿说，绝对时间“稳定地流动着”（注七）。可是他错了，这个宇宙并没有一个稳定流动的时间以待每一个观测者。这个宇宙没有绝对时间。

我们原来都默认这个宇宙存有一个终极的时间之流，不过这个终极的时间之流到最后却证明并不存在。国王从来不曾穿过这件衣服。

不过牛顿的错误不止于此。他说，时间和空间是分开的。可是，爱因斯坦说，时间和空间是在一起的。一件东西存在于一个地方而不同时存在于一个时间之内是不可能的。

我们大部分人之所以认为时间和空间分开，是因为我们认为我们经验的就是这样。譬如说，我们能够控制我们在空间里的位置，而时间里的位置就不行。对于时间的流动，我们无法改变它一丝一毫。我们可以在空间里站着静止不动，位置决不改变，可是却没有办法在时间中静止不动。

不过，虽然如此，“空间”，尤其是“时间”，还是有一种十分诡异的东西，一种“想把我们的理由建立在上面还言之过早”的东西。从主观上看起来，时间很像溪流，有一种流动性质。有时候湍急不已，有时候无声无息。到了水深的地方，又缓慢得近乎停滞。空间也一样。空间有一种无所不在的性质，一般人以为空间只不过是隔离事物而已，但是空间无所不在的性质证明大家的观念是错误的。

威廉·布莱克（William Blake）有一首诗论及这种难以理解的性质：

To see a world in a Grain of Sand

And a Heaven in a wild Flower，

Hold Infinity in the palm of your hand

And Eternity in an hour

一沙一世界，

一花一乾坤。

掌中是无限，

刹那即永恒。

〔这首诗叫作《原真之兆》（ Auguries of Innocence ）。这绝非巧合。〕

时空连续体

狭义相对论是一个物理学理论，关切的是可以用数学计算的自然实相。这个理论不是一个主观理论。这个理论虽然告诉我们物理实相表象会随参考架构的改变而改变，可是事实上这个理论探讨的是物理实相不变的一面。不过，话说回来，狭义相对论探讨的领域在以前根本是属于诗人掌管；而狭义相对论是第一个用严格数学探索这个领域的物理学理。凡是扼要而深刻地呈现实相的，于数学家和物理学家而言无非皆是诗。狭义相对论亦然。然而，爱因斯坦之所以那么有名，一部分原因可能却是因为大家都感觉到他有一件和时间、空间关系重大的事情要说。

爱因斯坦到底想说什么？关于时间和空间，他说的是时间“或”空间这种东西是没有的，有的只是时空。时空是一个连续体。所谓连续体，指的是一件东西，其中各个部分非常接近，各个部分之间的间隔是“极小的”，所以其间毫无插足的余地。连续体天衣无缝，因为连续流动，所以叫作连续体。

譬如说墙壁上画了一条线，这条线就是一个一维度连续体（一维连续体）。也许理论上我们可以说线是由一连串的点构成。可是，这些点彼此却是无限的接近，因此结果就是线由一端连续地流向尾端。

墙面是二维连续体。墙面有两个维度，一个是长，一个是宽。同理，墙面上所有的点全部都紧密相连，所以是一个连续的面。

至于三维连续体，我们平常所说的“空间”就是三维连续体。飞行员驾驶飞机就必须在三维连续体中导航。譬如说，要报告位置的时候，他不只要说出他在向北和向东多远的一点，还要说出自己的高度。除了这种导航，飞机本身与所有的自然事物一样，都有长、宽、高，所以也是三维的，所以数学家才说我们的实相是三维的。

本来，根据牛顿的物理学，我们的三维实相与一维的时间是分开的；然后空间在时间中前进。可是不然——狭义相对论如是说。狭义相对论说，我们的实相是四维的；时间即是第四个维度。我们是在一个四维时空连续体中生活、呼吸、存在。

牛顿的时间观与空间观是一种动态的景象。事情会随着时间的通过而发展。时间是一维的，并且（会向前）动。过去、现在、未来按着秩序发生。然而，狭义相对论却说，把时间和空间想成静态的、非运动的景象比较好，也比较有用。这就是时空连续体，在时空连续体这个静态景象里，事情就是事情，不会有什么发展。如果我们能够用四维的方式来看我们的实在界，我们就会发现，我们一向以为事情是随着时间的进行而一件一件揭露，其实并不是如此。一切事情事实上从“小宝宝”时期就已经存在；好比图画一般，早就画在时空的布匹上了。这个时候，我们会看到所有的事情。过去、现在、未来我们将一览无余。当然，到目前为止，这只是一个数学命题。（是吗？）

如果你没办法用视觉想象四维的世界，别烦恼，因为物理学家也没有办法。目前，因为所有的证据都显示爱因斯坦是对的，所以我们暂时只要认为他对就可以了。他给我们的信息是时间和空间有紧密的关系，这一层关系由于没有更好的方法来讲，所以他只好称之为四维空间。

所谓“四维空间”事实上是从一种语言翻译出来的话。这一种语言是数学，然后翻译成英语，才有所谓的“四维空间”。问题在于，数学所说的东西用另一种语言不论如何就是没办法准确表达。是故，“第四维空间的时间”只不过是一个标签，一个我们加给这一层关系的标签。而这一层关系就是相对论里面用数学表达的时间与空间的关系。

时空间隔

爱因斯坦发现的时间与空间的关系与毕达哥拉斯（与孔子同代）发现的直角三角形诸边线的关系很像。

直角三角形是含有一个直角的三角形。两条互相垂直的线相交即成直角。正对直角的边线叫斜边。斜边一定是直角三角形最长的边。

毕达哥拉斯发现，我们只要知道直角三角形两腰（亦即比较短的两边）的长度，就可以算出最长一边（亦即斜边）的长度。这一层关系用数学表达出来，就是毕氏定理。毕氏定理说，一个腰的平方加另一个腰的平方等于斜边长的平方。

◎图18

这两个比较短的腰的任何组合都可以算出斜边的长度。换句话说，这两个腰线的长度可以有许多许多组合，但是算出来的斜边长度永远一样，如图（左）。

譬如说，一个直角三角形可能一边腰线很短，一边腰线很长，如图。

或者任何一种情形如上图（右）。

现在，我们用“空间”代替直角三角形的一个腰边，用“时间”代替另一个腰边，再用“（事情的）时空间隔”代替斜边。这样，我们得到的一个关系就和狭义相对论所说的时间、空间以及时空间隔很相像。 [11] 两件事情的时空间隔是一种绝对，从来不变。它可以是观测者运动状态不同看起来就不一样，但它本身绝对不变。狭义相对论告诉我们的就是观测者对同样的两件事在不同的参考架构看起来如何不一样，以及如何计算两者之间的时空间隔。每一个观测者在这种计算中都会得到相同的答案。 [12]

◎图19

就一个观测者而言，他的运动状态可能使他看两件事有一个距离和一个时间。但是，对这两件事，另外一个观测者的运动状态可能使他的测量仪器告诉他另一个距离，另一个时间。可是不论如何这两件事之间的时空间隔绝对不变。譬如说两个爆炸的星球好了。这两个星球的时空间隔——也就是绝对间隔——不论是从缓慢如行星那样的参考架构看，还是从快如火箭那样的参考架构看，完全一样。

如果回到前面的思想实验，我们就知道，虽然我们在房间内看到的是光同时到达前壁和后墙，而外面的观测者看到的是光先到达后墙再到前壁，可是，我们只要将我们的时间和距离数字输入一个类毕氏方程式，我们就会得到相同的时空间隔。

闵可夫斯基空间

事实上，这一层类毕氏关系是爱因斯坦的数学老师闵可夫斯基（Hermann Minkowski）发现的。爱因斯坦是他最有名的学生。他的灵感来自这个学生的狭义相对论。1908年闵可夫斯基说：

从今以后，单单的时间，以及单单的空间，都已经注定要化为纯然的影子。唯有两者结合才能维系一个独立的实相。（注八）

闵可夫斯基对时间和空间所做的数学探讨既充满革命性而又奇妙。这里面出现了一个简单的时空图像，图像里表现了过去、现在、未来三者的数学关系。这个图像充满了太多的信息。可是，其中最令人惊奇的就是，所有过去的一切，以及所有未来的一切，对每一个个体而言，都在一个点上相会并且是永远相会——这个点就是“现在”。除此之外，每个个体的“现在”都有一定的地方（不论观测者身在何方）。除了“这里”，他处寻觅不着。

闵可夫斯基证明，在物理实相里，我们对事物根本无从选择。不过，不幸的是，对物理学家而言，理解并非即是经验。但是，正是由于闵可夫斯基受到狭义相对论的启发，产生了灵感，因而以严格的数学证明了“当下”是成立的，才使西方科学接受了“当下”。可是“当下”作为禅定的第一步，在东方宗教却已经实行了2000年。闵可夫斯基以后的63年，拉姆·达斯（Ram Dass）以名著《活在当下》（Be Here Now ）创造了一个觉醒运动的口号。

质能关系

不过，狭义相对论最有名的一点，是因为它向我们揭示质量是能量的一种形式，而能量拥有质量。用爱因斯坦的话来说就是，“能量拥有质量，质量代表能量”。（注九）

就一种意义而言，这种话听起来令人惊异；因为，我们向来都认为物质与能量之不同，正如身体不同于心灵。可是就另一种意义而言则又自然得叫人惊讶。因为，质能的二分至少可以追溯到旧约时代。《创世记》说人是由泥土做出来的，上帝抓了一把泥土（质量），吹一口气（生命，能）就成了人。此外，《旧约》也是西方世界的产物，物理学也是西方的产物。

在东方，宗教和哲学（这两者在西方是分开的）对于质和能不会有什么混淆。在东方，物质的世界是相对的世界，亦是虚幻的世界。之所以虚幻，并不是说这个世界不存在，而是说找不到这个世界的真相。这个世界的真相不可说，但是因为还是想说，所以东方经典经常说到跃动的能量，即起即灭无常的种种形式（色相）。这一切都和高能物理学里面出现的情景相像到令人惊讶。佛经从来不说我们对实相可以学到什么新东西。佛经只说如何才能除去无明（类似无知）的蒙蔽，看到我们自己的真面目。或许要由这一点，我们才能了解“质量只是能量的一种形式”这种违反常理的讲法，为什么却是令人这样意想不到的愉悦的原因了。

全世界最有名的公式就是表达质能关系的公式：E=mc2 ，物质的能量等于物质的质量乘以光速平方。因为光速数字极大，所以这就表示，即使是最小的物质粒子，其中都浓缩了非常多的能量。

爱因斯坦也发现了恒星能量的奥秘。可是他自己当时并不知道。恒星一直在将质量转换为能量，因为消耗的质量可以转化为极高比例的能量，所以恒星可以燃烧无数个千年之久。

恒星的中心有物理世界的原始“材料”氢原子。这些氢原子因为恒星的高密度质量，所以受到极大重力的挤压，其结果便是氢原子发生聚变。于是产生一种新的元素，叫作氦。这时是每四个氢原子变成一个氦原子。可是，一个氦原子的质量却不等于四个氢原子。氦原子的质量略轻。原来这些少掉的质量已经释放为辐射能——光或热。比较轻的元素聚合成比较重的元素的过程，当然，就叫作聚合。氢聚合为氦造成了氢爆。换句话说，一个（年轻的）燃烧的恒星就是一颗巨大的、不断爆炸的氢弹。 [13]

原子弹也是E=mc2 这个公式产生的结果。原子弹和原子反应炉是由裂变的过程从质量得到能量。裂变是聚合的反面。分裂的过程不是把小原子变成大原子，而是把很大的原子，譬如铀，分解成小原子。

分裂的方法是，对铀原子发射一个亚原子粒子——中子。中子一击中铀原子，铀原子就分裂成小原子。但这些小原子的总质量要比原来的铀原子小。原来这些少掉的质量已经爆发为能量。除此之外，这个过程还会产生别的中子去撞击别的铀原子，因而造成更多分裂，以及更多轻原子，更多的能量，更多的中子……这整个现象叫作链式反应。原子弹就是已经控制不了的链式反应。

（聚合的）氢弹是在氢气中引爆（分裂的）原子弹产生的。原子爆炸产生的热（代替因重力造成摩擦而产生的热）将氢原子熔合成氦原子，同时放出热。这些热又聚合更多氢原子，放出更多的热……如此反复不断。一个潜在的氢弹大小是没有限度的，而且用的又是宇宙间最多的元素。

守恒定律

狭义相对论不论是好是坏，它给我们最大的启示就是质量和能量不过是一个东西的不同形式而已。质量与能量和时间与空间一样，都不是分开的实体。质量和能量之间并没有质的差异。质能是唯一的东西。这种发现，从数学上来说，意味着质量守恒（一般说“不灭”，下同）和能量守恒这两个定律，可以用质能守恒定律代替。

守恒定律是一种简单的讲法，这个讲法说的是，不管是什么东西，它的量，不论发生什么事，都不会变。譬如说，假设一个派对参加的人数有一个守恒定律在决定，这时你就会看到只要有一个客人到，就有一个客人走。只要有一个客人走，就有一个客人到。客人转换的比率可能大可能小，可能个别转换，也可能集体转换，不过客人的数量总归一样就是了。

准此，能量的守恒律就是说，宇宙中的总能量从来不变，以后也不会变。我们可以把能量由一种形式转变为另一种形式（譬如由摩擦将机械能改变为热能），但不论怎么变，宇宙的总能量永远不变。同理，质量守恒定律就是说，宇宙间的总质量从来不变，以后也不会变。我们可以将质量从一种形式转变为另一种形式（譬如将冰变为水，水变为蒸汽），可是宇宙的总质量不变。

这就是质量守恒定律和能量守恒定律。狭义相对论将质量与能量结合成质能，也就将质量守恒和能量守恒定律结合为质能守恒定律。质能守恒定律就是说，宇宙间的质能总量从来不变，以后也不会变。质量可以变为能量，能量也可以变为质量，可是宇宙间的质能总量永远不变。

太阳、恒星，乃至于壁炉里燃烧的木材，都是质转变为能的例子。研究亚原子粒子的物理学家因为太熟悉“质换能”和“能换质”的概念，所以通常都用所含能量的多寡标示粒子质量的大小。

总的说来，物理学现在大约有12个守恒律。这些守恒律如今越来越重要，尤其对高能粒子物理学更为重要。因为，这些守恒律都是从当今物理学家认为是决定物理世界的最终原理（最后的舞码）推衍而来。这些最终的原理就是不变性原理，亦称对称性原理。

不变性原理听起来就是这么一回事。一个东西如果某些情况改变，可是它的某些面依然不变，这个东西就是不变（对称）的。譬如说圆圈好了。圆圈的一半永远反映另一半，不论我们怎么切这个圆圈皆然，又不论我们如何转这个圆圈，左半边永远反映右半边。圆圈的位置变了，可是仍然对称。

中国人有一个观念与此类似。（甚至一样？）圆圈的一边叫作“阴”，另一边叫作“阳”。有阴就有阳，有高就有低，有昼就有夜，有死就有生。“阴阳”虽然是古老的对称性原理，不过也是“宇宙是一个整体，一直在追求自我平衡”的另一种说法了。

不过，现在看来反讽的是，狭义相对论谈的显然不是实相相对的面象，而是非相对的面象。狭义相对论对牛顿物理学的冲击和量子力学一样，使人顿为齑粉。但是，狭义相对论并不是证明牛顿物理学错误，而是证明牛顿物理学有很大的限度。狭义相对论和量子力学把我们推进实相广袤得难以想象的领域。这个领域我们向来毫无所知。

牛顿物理学就相当于我们向来认为国王穿着的衣服：一个稳定前进的宇宙时间，平等地影响着宇宙的每一个部分。还有一个分开的空间，虽然空虚，可是独立。此外，宇宙有一个绝对静止、安静的地方。

狭义相对论证明上列的诸种假设都不真实（都没有用）。这些衣服国王一件都没穿。自然宇宙唯一的运动是相对于他物的运动，分开的时间和空间是没有的。质量和能量同是一种东西，不过名称不同罢了。

狭义相对论提出了一个新的、统一的物理学来代替牛顿物理学的种种假设。在这个统一的物理学里，距离、时间的测量数字可能每个参考架构都不一样，可是事情的时空间隔永远不变。

可是，纵有以上种种优点，狭义相对论还是有一个缺点，那就是，狭义相对论是依据一种很特殊的情况成立的。换句话说，狭义相对论只适用于相对于彼此稳定运动的参考架构。但是，大部分的运动既不恒定，也不平滑。所以，这就是说，狭义相对论是建立在一种理想上面。狭义相对论只限于稳定运动这种情况，也以这种情况为前提。所以爱因斯坦才说它“狭义”。

爱因斯坦的憧憬在于建立一个一切参考架构都成立的物理学。其中包括相对而言稳定的运动，也包括相对而言非稳定的运动（加速和减速）。他的理想在于建立一个任何参考架构都可以说明事情的物理学，而不管参考架构相对于其他任何架构是如何运动。

1915年，他完成了这个完全普遍化的工作。他建立的理论，被称为广义相对论。

第8章
广义无理

重力与加速度

广义相对论告诉我们，我们的心智有种种规则，但真正的世界却没有。理性的心智因为是以有限的透视得到的印象为基础，所以它建立的结构也就决定了它接受什么，拒绝什么。从这个时候开始，理性的心智就不管这个世界实际上是如何运作，只是按着自定的规律，把自己认为世界必然如何的版本加在世界上面。事情一直是这样。

直到有一天，终于有一个初心出来喊：“不对，不是这样。所谓的‘必然’并没有发生。我一直在努力寻找为什么如此的原因。我极尽想象之能事来维系自己对这所谓‘必然’的信仰。可是如今已经到了突破点了，如今我已经别无选择。我非得承认我一向相信的‘必然’并非得自真实世界，而是得自我的大脑。”

上面这一段独白可不是诗的夸张，这一段话是一种描述，扼要说明了广义相对论的主要结论以及这个结论是用什么方法得到的。我们前面讲的所谓我们有限的透视，就是我们的三维度的理性以及这种理性所看待的宇宙的一小部分——我们生于其中的部分。所谓“必然”，指的是几何学的观念（也就是决定直线、圆、三角形等的规则）。“初心”，指的是爱因斯坦的初心。我们向来都认为几何学的规则决定整个宇宙的活动，毫无例外。但是爱因斯坦的初心了解到这只是我们有限的心智的看法。 [14]

爱因斯坦发现，某些几何学的定律只有在空间有限的区域成立。由于我们的物理经验也只在空间很小的地区成立，所以这些几何学定律就有用了。但是，一旦我们的经验有所扩展，我们就越来越难以把这些规则用在宇宙的整个幅员之内。

从一个有限的透视看，这些几何学规则适用于一部分宇宙；可是这些规则并不适用于整个宇宙。最先看到这一点的，就是爱因斯坦。这就把他解放了出来，使他掌握了一个前人未曾掌握的宇宙。

他掌握到的宇宙就形成了广义相对论。

爱因斯坦从来就不是要证明我们的心智性质如何如何，他关心的是物理学。“我们的新构想很简单，”他说，“就是建立一个所有坐标系都成立的物理学。”（注一）对于我们的知觉结构的方式，他的确使我们看到了一件很重要的东西。这样的一件事实显示了物理学与心理学无可避免地要融合在一起的趋势。

爱因斯坦如何从一个物理学理论得出革命性的几何学讲法？这又如何使我们对我们的心理过程产生重大的发现？知道答案的人不多，可是这其中却是有史以来人类最重要也最复杂的心智历险。

爱因斯坦最先是由狭义相对论开始。狭义相对论很成功，可是他不满意。因为，狭义相对论只适用于匀速相对运动的坐标系。他想，如果有两个坐标系，一个运动匀速，一个运动不匀速，那么，有没有一个方法可以由这两个坐标系看同一个现象而产生一个一致的解释？换句话说，对一个匀速坐标系的观测者有意义的条件，是否可能用来描述不匀速运动坐标系发生的事情？反之亦然。我们可能建立一种这两种参考架构都成立的物理学吗？

是的，可能。爱因斯坦发现，观测者可以用一种方法将两种坐标系结合。这个方法对两种参考架构的观测者一样有意义。为了说明这一点，他又做了一次思想实验。

升降机内外

假设有一座大楼非常高，里面有一座升降机，升降机里面坐了几个物理学家。这时升降机的缆绳断了，升降机急速向下坠落。升降机里面的几个物理学家对这一切毫无所知。升降机没有窗户，所以他们也看不到外面。

我们的问题是，升降机外面的观测者（我们）和里面的观测者（物理学家）各自如何估计这一个情况。由于这是一个理想化的实验，所以摩擦和空气阻力等因素可以不计。

对我们外面的观测者而言，这个情况很明显。升降机一直在往下掉，不久就要跌到地面，升降机里面的人全部都会死掉。升降机往下掉的时候，会依照牛顿的重力定律加速。所以它的运动不是匀速的。由于地球重力场，它的运动会一直加速。

我们可以依此预测很多升降机里面将要发生的事情。譬如说，如果有人在电梯丢手帕，这条手帕一定不会掉下去。因为，它会和升降机一样，以相同的加速度往下掉，所以对电梯里的人而言，它是浮在半空中的。当然，事实上它并非浮在空中，升降机也没有一切都在往下掉。但是既然所有东西往下掉的速度都一样，它们的相对位置也就不变。

但是，如果有一代物理学家是在这部升降机中出生、长大，那么，这些事情在他们看来就完全不一样。对他们而言，物体丢开以后都不会往下掉，不过浮在半空中而已。一件飘浮的物体如果有人推一下，它会一直直直地前进，直到碰到墙壁而后止。对于升降机里的观测者而言，升降机里面的任何物体没有任何力作用其上。换句话说，升降机里的观测者会下结论说，他们的坐标系是惯性坐标系。在他们这个坐标系里，力学定律完全成立。他们的实验，结果永远与理论预测的符合。静止的物体永远静止，运动的物体永远运动。运动物体如果偏离路径，乃依照与偏离量成比例之力偏离。每一个作用都有一个相反而相等的反作用。如果我们推一下一张飘浮的椅子，这张椅子会往前移动，我们则以相同的动量往相反的方向移动。（不过，因为我们质量比较大，所以速度比较慢。）

升降机里的观测者对这个现象会有一致的解释。他们的坐标系是惯性坐标系，他们可以用力学定律证明这一点。

但是，外面的观测者对升降机里面的现象能不能有一个一致的解释呢？答案是，可以的——这部升降机是在重力场中往下掉。但这一点升降机里的人毫无所知。因为，他们看不到外面，所以往下掉时无从检测重力。他们虽然认为他们的坐标系完全不动，可是事实上他们的坐标系是在加速运动。

升降机内外有两种解释，连接这两种解释的桥梁就是重力。

往下掉的升降机是一个袖珍版的惯性坐标系。本来，如果是真正的惯性坐标系，就不会有时间和空间的限制。可是现在这个升降机版的惯性坐标系却在时间和空间上都有限度。之所以在空间上受到限制，是因为在升降机里面运动的物体并不会永远依直线前进，早晚总会碰到墙壁而后止。之所以在时间上受到限制，是因为升降机早晚都会撞到地面，顿时不再存在。除此之外，依据狭义相对论，升降机的大小有限也是很重要的。因为，若非如此，对升降机里面的人而言，升降机就不再是一个惯性坐标系。因为，假设升降机里的物理学家同时丢下两个球，这两个球将一直飘浮在半空中不动。这一点，对于外面的观测者而言，是因为这两个球互相平行跌落的缘故。但是，如果升降机有得克萨斯州那么大，这两个球相隔的距离也有得州那么大，那么它们就不再是平行跌落了。这时这两个球会向中间聚合。因为，它们全都受到重力的牵引，拉向了地球中心。这时升降机里的观测者看到的是这两个球随着时间的过去逐渐靠近，好像彼此之间有一种吸引力似的。这时这种吸引力就会变成一种像是在升降机里影响物体的“力”。在这种情况下，升降机里的物理学家绝对不可能再得到结论，说他们的坐标系是一个惯性坐标系。

简单地说，一个在重力场中往下落的坐标系只要足够小，就相当于一个惯性坐标系，这就是爱因斯坦的等效性原理。这真是智慧巧妙，掷地有声的一着。任何“惯性坐标系”一类的东西，只要可以用“重力场”这一个假设“销毁”（爱因斯坦语，注二），就再也不配称为“绝对”（譬如“绝对运动”“绝对非运动”）。因为，你看，升降机里的观测者经验的是没有运动，没有重力；可是外面的观测者看到的，却是一个坐标系（就是升降机）一直在重力场中加速度。

现在再让我们想象这种情况的一种变奏。

假设我们这些原来在外面的观测者现在是在一个惯性坐标系里面。我们已经知道这个惯性坐标系会发生什么事，情形和坠落的升降机一样。我们没有任何力——包括重力——来影响我们。所以，姑且就说我们在其中飘浮得很舒服。原来静止的物体还是静止，原来运动的物体还是一直依直线运动。每一个作用都产生一个相等但相反的反作用。

现在，假设在我们的惯性坐标系里面的是一部升降机。有一个人在上面绑了一条绳子，然后一直拉（方向如图所示）。因为这时绳子是用一股稳定的力在拉升降机，所以这表示升降机一直朝着箭头的方向稳定加速度。在这种情况下，升降机里面和升降机外面的观测者要如何看待这种情况？

◎图20

由于我们是飘浮在升降机外面，所以我们经验到的我们的参考架构是绝对的静止，其中完全没有重力的影响。因为我们可以看到绳子以稳定加速度在拉升降机，所以我们可以预测升降机里面将要发生什么事。升降机里面，凡是没有附着的东西很快就要与升降机地面相撞。如果升降机里有人丢下一条手帕，地板会赶上去接。如果有人在地板上跳，他刚跳上去，地板立刻又贴在他的脚下。升降机加速的时候，一路上一直撞着闯进它路径的每一件东西。

然而在升降机里面，这种情况却完全不一样了。对于在升降机里出生、长大的一代物理学家而言，说什么“向上加速”简直就是狂想。（不要忘了，这部升降机没有窗户。）对于他们而言，他们的坐标系是完全地静止。这时的升降机里面，物体之所以往下掉是重力场的缘故，就好比地球上物体往下掉是因为重力场。

升降机内外的观测者对升降机内的现象都有自我一致的解释。外面的观测者用升降机的加速运动来解释，里面的观测者用重力场来解释。在这里，谁对谁错“完全无法”断定。

“等一下，”我们说，“如果我们在升降机一边的墙上开一个小洞，再从这个小洞向升降机里面照射光束。如果这部升降机真的是不动的，那么光束将照在对面墙上与小洞正相对的地方。但是，一如我们所见，升降机是在往上加速度，所以光束通过升降机内部时，升降机的墙壁也已经稍微往上升了。因此这时光束应该打在小洞正对面稍微下面的地方。就实际而言，光束在升降机里的人看来应该是一条向下的曲线，而非直线。这一点相信可以向他们证明升降机在运动。”

“没有。其实什么都没证明，”一直在升降机里的津得微说，“升降机里的光线本来就不可能直线前进。”为什么？因为我们在重力场里面。光是能，能就有质量，重力又会牵引质量。所以，通过升降机的光束会受重力场的牵引，就好比以光束将棒球水平地丢出去一样。

我们没有办法让津得微相信他们的坐标系是在加速状态中。能说的我们都说了，可是他一概拒绝（或者说，解释）为重力场的缘故。匀速加速运动和恒定重力场两者之间是绝对无从分辨的。

这就是表达爱因斯坦的等效性原理的又一种方式。在有限区域之内，重力即等于加速度。我们前面已经得知，通过“重力场”（坠落的）加速度等于一个惯性坐标系。现在我们又知道“重力场”等于加速运动。这样，我们终于接近广义相对论了。广义相对论的意思是说，不论参考架构的运动状态如何，这种相对论在一切参考架构都成立。

重力连接了升降机内外观测者的两种解释。有一个线索向爱因斯坦显示他的广义相对论的钥匙在于重力，但是这个线索其实和物理学一样古老。

重力质量与惯性质量

质量有两种。这意思是说讲质量的方式有两种。一种叫重力质量，一种叫惯性质量。大略说来，物体的重力质量就是天秤量出来的重量。若甲物体比乙物体重3倍，甲物体的质量就比乙物体多3倍。重力质量说的是地球在物体上施加多少重力。牛顿的运动定律描述的就是这种力的效应。这种效应随着质量与地球距离的变化而变化。不过，牛顿的运动定律虽然描述这种力，却不界定这种力。他们只说这是神秘的“远处的作用”；地球隐形地往上伸出手把物体拉下去。

惯性质量衡量的是物体对加速度（或者减速度，也就是负加速度）的阻抗。譬如说，使3个铁路车厢从静止启动到时速20英里（时速32公里，正加速度）所需要的力，是1个车厢从静止启动到时速20英里的3倍。同理，要使3个车厢停止所需的力也是使1个车厢停止的3倍。这是3个车厢的惯性质量是1个车厢的3倍的缘故。

惯性质量即等于重力质量。这就是羽毛和炮弹在真空里下坠的速度一样的原因。炮弹的重力质量固然高过羽毛几百倍，可是在惯性质量上，炮弹对运动的阻抗也比羽毛大了几百倍。它对地球的引力比羽毛强了几百倍，可是不运动的倾向也一样大了几百倍。这样的结果就是，它向下落时虽然好像应该比羽毛快很多，可是事实上却是和羽毛的加速度一样。

三百年前物理学家就知道惯性质量即等于重力质量，不过他们却认为这只是巧合，其中没有什么意义。一直到爱因斯坦发表广义相对论情形才算改观。

用他的话来说，重力质量与惯性质量相等的“巧合”正是将他导向等效性原理的“线索”（注三）。等效性原理透过重力质量与惯性质量的相等而论及重力与加速度的相等，他的升降机实验说明的就是这些东西。

狭义相对论处理的是非加速（匀速）运动。 [15] 如果将加速度忽略不计，那么我们只要有狭义相对论就够了，因为这时狭义相对论到处可用。不过，由于加速度等于重力，所以，这就无异于是说，只要忽略重力不计，我们只要有狭义相对论就够了。这时如果要将重力的效应考虑在内，就要用广义相对论。

在物理的世界里，重力效应在两种地方可以不计，一是太空中远离一切重力（物质）中心的区域，一是空间的极小区域。为什么重力在极小空间区域可以不计是爱因斯坦理论里面最费脑筋的一点。重力在极小空间区域之所以可以不计，是因为如果空间区域极小，时空的“巍峨地形”就看不到了。 [16]

时空连续体地图

时空连续体的本质就像是山峦起伏的乡野。那些山是一块一块的物质（物体）造成的。物质越大块，就越使时空连续体弯曲。至于空间里远离一切大块物质的区域，时空连续体在这种区域就像是平地。地球这么大的物质在时空连续体里面就像是一个肿块，行星则差不多是一座山。

物体在时空连续体里移动的时候，会走两点之间最好走的路径。时空连续体里面这种两点间最好走的路径叫作短程线。短程线不见得是直线；这要看物体所在的地形而定。

假设我们乘着一个气球从天上往下看一座山。这座山的山顶有一座灯塔，山下有许多村庄围绕，村庄与村庄之间有道路互相连接。现在假设这座山逐渐从平原上高升，越来越陡，接近山顶的地方甚至差不多已经直直而上。这时就会发生一种情形，那就是，随着山势的升高，那些道路一接近山就会转弯，避免爬上山去，因为没有必要。

现在再假设这时是晚上，我们看不到山，也看不到路，只看到灯塔和爬山的人的火把。这时我们就会发现，火把在接近灯塔的地方就偏离直路。离灯塔有一些距离的，偏离的曲线比较柔，比较优美；离灯塔很近的、偏离的曲线就很锐利。

也许我们会推论说，这种情形可能是灯塔发出的一种力量，排斥了所有想接近的人。譬如说，可能灯塔很热很烫。这是我们的推论。

不过，等到天亮以后，我们才发现原来灯塔与登山者的运动状况完全无关。他们之所以有这样的运动状况，原因其实很简单，那就是，他们只是在起点和目的地之间，顺着这个地形里面最好走的路走罢了。

上面说的是一个比喻。这么精巧的比喻是罗素创造的。原来这个比喻里面的山指的是太阳，路人是行星、小行星、彗星（以及太空船残骸），道路是这些行星等的轨道，白天到来就是爱因斯坦的广义相对论到来。

这里要说的就是，太阳系的物体之所以那样运动，并不是因为太阳从远处施加某种神秘的力量（重力），而是运动时所经区域有某种性质的缘故。

亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）用了另一个比喻来说明这种情形。他说，假设我们坐在一艘小船上。水很清，从船上向下望可以看到水底和水里的游鱼。这时我们发现，水里的鱼似乎总是避开水底的鱼一点。每次快到这一点的时候，鱼不是向左转就是向右转，绝不从上面经过。于是从这种情形也许我们就推论说，这个点可能一直发出一种排斥的力量，使鱼不敢接近。

可是，等到我们潜下水去观察这一点时，我们才发现那只不过是一只翻车鱼把自己埋在沙里，造成了一堆隆起罢了。每次鱼贴着水底游近时，绕过去都比爬升到这堆隆起上面再游近。所以并没有什么“力”使鱼避开那一点，鱼只不过是走最好走的路罢了。

鱼的运动状况并不是由这个点发出什么力决定的，而是它的路径四周环境的性质使然。同理，如果我们看得到时空连续体的地理（几何），我们就会知道，行星之所以那样运动，原因亦是如此，不是什么“物体之间的力”。

由于我们的感官经验只限于三个维度，而时空连续体是四个维度，所以我们看不到时空连续体的几何，就是想画也画不出来。

譬如说，假设有一个二维空间的世界。这个世界的人和物体都像电视屏幕和电影银幕上看的一样，只有长度和宽度，没有厚度。如果这种两个维度的人有生命和智力的话，因为他们无法经验第三维空间，所以他们的世界对于他们而言必然与我们大不相同。

在他们的两个人之间画一条直线，这条直线对他们来说就等于是一道墙了。因为他们的物理存在是二维空间，所以他们尽可绕过两端走过去，但是绝对无法“跨过去”。这情形就好比银幕上的人无法跨出银幕走进第三维空间一样。他们知道何谓圆圈，但绝对无法了解什么是球形。事实上球形对于他们而言依然是圆圈。

如果他们是喜欢探讨问题的人，他们不久就会发现他们的世界是无限的平面。如果他们有两个人背对背各自向前走，他们永远不会再见面。

他们也可以创造一种简单的几何学，或早或晚都会在自己的经验里找出通则，建立其中的抽象。这样，一旦想在他们的物理世界做什么，建造什么，他们就有这些抽象法则可以遵循。譬如说，他们可能发现，只要三支金属棒围成一个三角形，这个三角形的三个角总和一定是180度。从这以后，他们里面有那比较敏锐的，或早或晚又会用理想上的概念（直线）来代替金属棒。于是他们终于得到这个抽象的结论，即在定义上由三条直线构成的三角形总共有180度。有了这个结论以后，他若想要进一步研究三角形，就不需要真正做一个三角形了。

欧几里得几何

讲到这里，我们已经知道，这样的二维空间的人创造的几何学跟我们在学校里学的完全一样。我们的学校教的几何学叫作欧几里得几何。之所以叫欧几里得几何，就是为了纪念那个希腊人欧几里得。几何学这个课题已被他彻底思考，以至于两千年来再也没有人能够在这个课题上再扩增什么东西。（所以大部分的高中几何学都已经有两千年之久。）

现在再假设有一个他们前所未知的人把他们送到了一个巨大的球体面上。这样一来，他们的物理世界就不再是完全平坦，而是有些弯曲了。自然，一开始的时候没有人知道这种差别的存在。可是，等到他们的科技发达，可以和远方交通以后，他们终于有了重大的发现。他们发现，他们无法在这个世界证明他们的几何学。

譬如说三角形好了。如果他们有机会测量一个很大很大的三角形，他们就会发现这个三角形的三个角总和超过180度。这种情形我们很容易就可以画出来。譬如说在一个球体上画一个三角形。我们以北极为三角形的顶点，赤道为三角形的底边，两条腰线在北极交叉，形成正角。若是按照欧氏几何，这个三角形应该总共包含两个直角，也就是总共180度。可是，现在这个球体上的三角形却不然。这个三角形赤道两端的三角形现在也是三角形。换句话说，这个三角形包含了三个直角，总共270度。

我们的二维空间的人在他们以为是平面的世界测量了这个三角形以后，大为疑惑。等到尘埃落定之后，他们才能够冷静下来想到这种事只有两种解释。

一个是他们用来构成三角形的线（譬如光束）虽然看来像是直线，但其实不是直线。另一个是他们的几何学不适用于真正的世界 [17] ，第一个解释可以说明三角形超出的度数。不过这样一来他们又得创造一种“力”来说明直线的弯曲。第二个解释则无异于说他们的世界不是欧几里得式的世界。

不过，如果要说他们的物理实相不是欧氏几何的世界，对他们而言可能太过神奇。尤其是他们已经有两千年之久没有任何理由质疑欧氏几何学。所以，到最后他们的选择可能是寻找一些“力”来解释直线的弯曲。 [18]

不过问题是，他们一旦选择了这个研究方向，每次一碰到欧氏几何失效的时候，他们就要找一种力来解释。这样弄到最后，所有这些力形成的结构会变得非常复杂。然后他们就会觉得与其如此，还不如放弃这些力，承认他们的物理世界不是遵循欧氏几何学更简单。

说了这么多，我们就是要说明我们对四个维度的时空连续体的认识，就好比这些二维空间人对三维空间的认识一样。他们无法感受到自己活在三维空间，可是可以推论出来。我们无法感受到我们活在四维空间，可是我们可以推论出来。两千年来，我们一直认为整个自然宇宙是欧几里得式的。说欧氏几何在哪里都成立，意思是说它在自然宇宙的任何一个地方都可以证明为真。可是这是错误的。无论我们怎么固执不接受，宇宙并不受限于欧几里得几何学法则。最先看出这一点的，就是爱因斯坦。

我们无法直接感受四维的时空连续体，可是我们可以从狭义相对论已知的事物，推论出我们的宇宙并非欧几里得式的。这就要讲到爱因斯坦的另一个思想实验了。

转动的同心圆

现在假设有两个同心圆，一个半径很小，一个半径很大。两者环绕同一个圆心。（如图）

◎图21

再假设我们这些观测者是从一个惯性坐标系观察这两个圆。说我们在惯性坐标系里面，意思是说，相对于其他一些事物——包括这两个转动的圆——而言，我们的参考架构是静止的。假设我们在这两个同心圆的正上方再画两个完全一样的同心圆，不过这两个同心圆是在我们的坐标系里，而且不转动（静止）。现在，我们和转动的同心圆上面的观测者通信。

依照欧氏几何学，所有的圆的半径与圆周比都一样。譬如说，如果我们测量图中小圆的半径和圆周比，再测量大圆的半径与圆周比，会发现两者所得结果一样。现在我们再来做一个思想实验。这个思想实验的目的，在于判断这个半径与圆周比对于固定同心圆和转动同心圆的观测者是否皆成立。

转动的同心圆那边的观测者和我们会用一样的尺来测量。说“一样的尺”指的是，要不就是把我们的尺递给他用，要不就是两边用的尺都是同一个坐标系静止时的长度。

我们先做，我们先量小圆再量大圆。没错，我们得到的半径与圆周比一样。我们证明欧氏几何学在我们的坐标系是成立的，而我们的坐标系是惯性坐标系。

现在我们把尺传给那边的观测者，他先量他的小圆的半径。结果和我们的一样。再量小圆的圆周。请不要忘记这把尺会因为运动而顺着运动方向收缩。可是，由于小圆的半径太小，所以尺在小圆圆周上的运动不够快，因此也就看不到它的相对收缩效应。所以测量结果是他的小圆圆周和我们的小圆圆周一样。自然，两者的半径与圆周比也都一样。到这里为止，一切安然无事。我们已经测量了三个圆，三个圆的半径与圆周比一样。按照高中几何学教科书也应该是这样。

现在测量最后一个圆，也就是他的大圆。先量半径，结果和我们的大圆一样。现在再量圆周，这时情况不一样了。因为他的大圆半径很大，所以运动起来以后，圆周的速度也很快。所以尺一放上去就收缩了。

尺一收缩，他量出来的圆周当然也就比我们的大圆大。（量半径时因为尺与运动方向成垂直，所以尺是变薄，而不是变短。）

这样测量的结果就是，他的小圆的半径与圆周比与他的大圆不一样。若是照欧氏几何学所说，这是不可能的，可是确实发生了。

如果我们用旧式（也就是爱因斯坦以前）的态度看待这件事，我们就可以说这种事没什么大不了。按照定义，力学定律和欧氏几何只有在惯性坐标系中才成立。所以凡是非惯性坐标系我们就一概不考虑。爱因斯坦以前的物理学家就是这种立场。可是，在他看来，这种立场刚好就是错的。他的想法是，既然宇宙有很多惯性坐标系，也有很多非惯性坐标系，那么他就要建立一个所有坐标系都成立的物理学。

既然我们想要建立一个全面成立的物理学，一个广义物理学，我们对这两种坐标系的观测者就必须同样认真看待。譬如上面这个例子，转动的圆上面的那个人跟我们一样，有权利在自然世界与他们的参考坐标之间建立关系。不错，力学定律和欧氏几何在他们的参考架构都不成立，不过，凡是逸出这两种规律的情况却都可以用重力场来解释：而重力场正是影响他们的参考架构的一种因素。

爱因斯坦的理论让我们做的就是这回事。他让我们表达物理学法则的方式独立于任何时空坐标。每个参考架构的时间和空间坐标（测量数字），依照参考坐标的运动状态，个个不同。广义相对论使我们得以将物理学法则全面应用于每一个参考架构。

非欧几何

“等一下，”我们说，“一个人在转动的圆那种坐标系里又如何测量距离和导航呢？这种系统里面尺的长度总是随处而变。我们越接近圆心，尺的速度就越快。尺的速度越快，长度就缩得越短。但是，这一切在惯性坐标系里都不会发生。惯性坐标系实际上是静止的，整个坐标系里由于速度完全不变，所以尺的长度也就不会变。”

“所以我们就可以像建造城市一样，一砖一瓦地建造惯性坐标系。由于尺的长度不会变，所以按照这把尺做出来的砖瓦尺寸都一样。在这个坐标系里面，不论我们身在何方，我们都知道10块砖的尺寸是5块砖的2倍。”

“可是如果是非惯性坐标系，它的速度就要随处而变了。这也就表示尺的长度也要随处而变。在这个坐标系里面，如果我们用一把尺来量所有的砖瓦，这些砖瓦的尺寸就会随着位置的不同而不同。”

“在非惯性坐标系里面我们照样能够判定我们的位置，”津得微说，“这又何妨呢？现在假设我们在一块橡皮上画一个方格图（见下图第一幅）。这是一个坐标系。在这个坐标系上，我们位于左下角，而星期六有一个派对将在标有‘派对’两个字的交叉口举行。那么，如果我们想参加这个派对，我们必须向右走两个方块，再向上走两个方块才行。”

◎图22

“但是，现在假设我们把这块橡皮拉成第二幅图的样子。这样会有什么不同吗？”

“方向还是一样的。不同的只有一个地方，那就是，如果我们不熟悉坐标系的这个部分，我们算起行走的距离，就不像所有方格都一样那么简单了，如此而已。”

重力等于加速度。根据广义相对论，使时空连续体扭曲的就是重力：其方式类似我们刚刚扭曲橡皮的方式。当重力效应还可以忽视的时候，时空连续体就好比原来没有扭曲的橡皮。所有的线都是直线，所有的时钟都同步走动。换句话说，原来的橡皮就像是一个惯性坐标系的时空连续体，这个时空连续体用的是狭义相对论。

可是，若是在宇宙里，重力之大就无可忽略了。此时，物质越大，就越使时空连续体弯曲。物质越大，弯曲就越厉害。

在前面那个转动的圆的例子里，由于此坐标系各部分速度不同，所以尺的长短也有所不同。我们还记得加速度（速度的改变）等于重力。所以重力场的强度如果有变化，同样也会使尺收缩。“加速度”和“重力”是一件事的两种讲法。这也就是说，如果尺遭遇的重力场强度不同，它的长度也就不同。

当然，在太阳系里面运动不可能不遭遇各种强度的重力场。而重力场会使我们想尽办法做出来的地图，扭曲成前面所说的橡皮那样。我们的地球在这个时空连续体里面运动，这个时空连续体像是一个山峦起伏的乡野，其中以一座山（太阳）为主体，统御此地的地理。

根据牛顿的看法，地球想要一直直线前进，可是太阳的重力场一直使它偏离，两相平衡之下，地球就顺着轨道环绕太阳行走。可是爱因斯坦的看法却不是这样。他说，地球所在的时空连续体在太阳这一带已经受到太阳的扭曲，地球之所以那样行走，只不过是在这个扭曲的时空连续体当中找到最好走的路径罢了。

只要想象一下，就知道我们的宇宙这个时空连续体的地理有多复杂。这个宇宙有那么多的太阳系、星系、银河、银河星团等；每一个都会在这个四维的时空连续体里造成大大小小的隆起、弯曲、丘陵、溪谷、高山……

既然这个环境如此复杂，我们在其中还有可能导航吗？

可能。譬如地球好了。我们在地球上面用经线和纬线画出方块，方块大小视其位置而定，越接近赤道越大（如果这样说还不清楚，请看地球仪）。不过我们可以用经线纬线的交叉定出地表的物理点。当然，因为方块大小都不一样，所以光是知道我们与目的地之间有几个方块，还是无法算出距离。可是这时我们只要知道我们这一块地形的性质，就可以（用球形三角学）算出距离了。

同理，我们只要知道时空连续体里面某一地区的种种属性，就可以算出时空连续体里面两件事情的位置及其距离（时空间隔）。 [19] 爱因斯坦以十几年的时间建立广义相对论，而广义相对论的数学结论，终于使我们能够计算事情在时空连续体里面的位置与距离。

广义相对论的方程式是结构公式，描述的是变来变去的重力场的结构。（牛顿的公式描述的是某一时间之内两物体之间的关系，爱因斯坦的公式则是建立此时此地的一个状况与稍后附近的一个状况之间的关系。）将实际观察的结果输入这些公式，我们就会得到我们所观察地区的时空连续体景象。换句话说，这些公式会向我们揭露那个地区的时空连续体的几何学。我们只要一知道这个时空连续体的几何学，我们的情况就约略相当于一个水手知道地球是圆的，而又懂球形三角学的情况。其实时空连续体不只弯曲而已。时空连续体还有拓扑学的属性，也就是说，时空连续体可以随意连接，譬如接成甜甜圈状，扭转都可以。

到目前为止，我们都只是说物质会使时空连续体弯曲，可是，若是按照爱因斯坦终极的看法，每一块物质即是时空连续体的曲线（可惜的是他未能证明这一点）。换句话说，根据他的终极观点，根本没有什么“重力场”“质量”这种东西。这种东西不过是我们的心灵所造，真正的世界没有这种东西存在。“重力”这种东西是没有的——重力不过等于加速度，而加速度却是运动。“质量”这种东西是没有的，质量不过是时空连续体的曲线。即使是“能量”这种东西也是没有的——能量即是质量，而质量即是时空曲线。

在我们的心目中，一个行星有它自己的重力场，循着轨道绕日而行，而这个轨道是由太阳的重力牵引造成的。但这只是我们自己的想法。事实上这所谓的行星只不过是一道时空曲线在另一道已经非常明确的时空曲线里，找到了最容易通过的路径罢了。

这个宇宙除了时空与运动，别无他物。而时空和运动事实上又是同一件事。这样说事实上是完全用西方的话道尽了道家和佛教哲学的根本要义。

爱因斯坦的预言

物理学研究的是自然实在界。一个理论如果与自然世界无关，这个理论可能是纯数学、诗学或诗。但是这就不是物理学了。我们的问题是，爱因斯坦的理论那么神奇，可是有效吗？

答案是“有”。这个答案是暂时的、实验性的，可是大家都能接受。大部分物理学家都认为广义相对论在看待大规模现象上是一个有效的方法。但是他们同时又希望找到比较多的证据来支持（或挑战）这个立场。

由于广义相对论处理的是大幅度的宇宙，所以光是观察地球的现象不足以证明它有用（不是真实，因为“手表”还是打不开）。要证实这个理论，必须由天文学寻找证据。

到目前为止，人类已经用四种方式证明了广义相对论。这四个理论里面，前三个清楚明白，有说服力。而最后一个，如果它初期的观察正确的话，简直比广义相对论本身还神奇。且容我们在此一一道来。

水星近日点

广义相对论的第一个证明为天文学家带来了意想不到的收获。牛顿的运动定律据说是说明行星绕日的轨道的。这一点确实不错——除了水星。水星绕日的轨道是椭圆形的，一部分离日较远，一部分离日较近。离日最近的一点叫作近日点。科学家长久以来一直在寻找水星近日点的解释，广义相对论的出现正好满足了这种追求。

水星近日点——事实上是水星轨道全部——的问题在于它会移动。水星并不是在一个与太阳的坐标系相对的轨道上一直循原路绕日而行。水星的轨道本身就在绕日而行。这种公转的速度很慢（每300万年绕日一周），不过已经足以使天文学家迷惑了。在爱因斯坦之前，科学家将水星轨道的岁差归之于太阳系里的一个行星，只不过这个行星尚未发现罢了。但是广义相对论一出，再也没有人要找这个行星了。

爱因斯坦建立广义相对论的时候并没有特别照顾到水星的近日点。可是一旦把它用在这个问题上以后，它立刻就告诉我们水星走的路，正好就是它在太阳一带的时空连续体必须走的路。（如下图）

◎图23

其他的行星之所以没有这样走，是因为它们离太阳的重力比较远。广义相对论加一分！

太阳光弯曲

广义相对论的第二个证明是爱因斯坦所做的一项预测完全正确。他预测的是光束会因为重力场而弯曲。他不但明言弯曲的程度有多大，而且还建议天文学家做个实验来测量太阳重力场使星光弯曲的程度有多大。

根据爱因斯坦的看法，地球和一群可见星之间存在着一个太阳，必然会使这群恒星的位置改变。从恒星来的光会因为太阳的重力场而弯曲。这个实验的做法是这样的，先在晚上对一群恒星拍照，注明这些恒星彼此相对的位置，以及相对于四周其他星群的位置，然后再在白天拍一张。当然，这时星群和地球中间是有太阳的，所以这张照片只能在日全食的时候拍。

天文学家查过星图以后，发现5月29日是一个理想的日子。因为太阳在众星之间的旅行，这一天会通过一个星星异常多的星群。事实上，1919年的5月29日还是一个令人难以置信的巧合。因为，就在四天前爱因斯坦刚发表广义相对论，接着这一天就要发生日全食。科学家都跃跃欲试，要用这一天来考验爱因斯坦的新理论。

我们认为星星的光是直线前进，但是，因为光信号会在太阳一带弯曲，所以星星的位置与我们认定的事实有出入。（如下图）

◎图24

当然，在爱因斯坦之前，科学家已经在理论上定出一个光线路径的弯曲量。牛顿的重力定律就是他们用以计算这种弯曲的工具。不过牛顿的重力定律却无法解释这种弯曲。爱因斯坦预测的弯曲大约是牛顿预测的2倍，此外爱因斯坦还明白提出解释。对于这种新旧理论之间的对峙，物理学家和天文学家都在等着看结果如何。

1919年的这次实验，科学家分两组在地球的两个地方工作，两组拍摄的当然是同一个星群。结果证明爱因斯坦的理论正确。这一次实验以后，科学家一再从日全食所做的实验得到相同的结果。这一切都证明了爱因斯坦的预测。广义相对论再加一分！

重力红移

第三个证明是所谓的重力红移。还记得，（因为重力即是加速度）重力会使尺收缩，也会使时钟走得比较慢。

不论什么东西，只要是按周期一再重复运动的，都是时钟。原子也是一种时钟，因为它依照一个频率振动。如果我们刺激一种物质，譬如钠，使它发亮，再测量它发出的光的波长。这个波长就能够告诉我们构成此种物质的原子振动的频率。如果频率变了，波长也就跟着变。

地球上的一个时钟和受强大重力场，譬如太阳，影响的一个时钟之间，如果我们想比较它们的节拍有何不同，我们并不需要送时钟到太阳表面。我们有现成的。

爱因斯坦说，凡是在太阳上发生在一个原子里的周期过程，都会在地球上以比较慢的速率发生。我们只要将阳光里发现的一种元素的辐射线的波长，和地球的实验室发现的这种元素的辐射线波长做个比较，就可以考验他的话是不是正确。科学家已经做过很多次这种实验，每一次实验的结果都是阳光里测到的波长比实验室里测到的长。波长长表示频率低。钠原子在太阳的强大重力场影响之下，振动就比地球上慢。钠原子如此，一切原子莫不如此。

这种现象就叫作重力红移，因为振动频率变慢就表示波长变长。重力红移就是原子的波长向可见光谱长波的一端移动。可见光谱长波的那一端是红光，所以这种现象才叫重力红移。广义相对论再加一分！

黑洞

现在我们要谈到广义相对论的第四个证明了。我们前面谈到水星的近日点会移动、星光的偏差、重力红移等都是可观察的现象，但是谈到第四个证明，我们却要进入一个理论主控的领域。人类对这个领域的实际观察还很少很少，但是这却是科学史上一个最令人兴奋、最激荡人心的领域。这个领域就是黑洞。黑洞是广义相对论的第四个证明。

1958年戴维·芬克斯坦发表了一篇论文。论文里面，他根据爱因斯坦的广义相对论对一种现象建立了理论。这种现象被他称为“单向膜”。（注四）他是说，只要几个条件具备，那么，在极高密度重力场下会形成一个门槛，光和自然物体在这个门槛只进不出，一旦进来就无法脱逃。 [20]

翌年，芬克斯坦到伦敦大学担任客座教授，讲到他的“单向膜”。他的观念吸引了一个学生，引发了这个学生的想象力。后来这个学生把芬克斯坦的发现进一步扩充，发展成“黑洞”的现代理论。这个学生就是罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）。 [21]

所谓黑洞，是一个重力非常强的空间地带，因为重力非常强，所以连光都要被吸进去；这地方看起来全黑，所以就叫作黑洞。 [22] 如果是在实验室，重力可以忽略不计。但是如果事关大的物体，重力就很重要了。所以黑洞的探索，很自然就变成物理学家和天文学家共同的历程。

天文学家认为，黑洞可能是星球演化的产物。星球不会无限期燃烧。它们的生命有一个循环周期，从氢气开始，逐步发展。结束的时候，有时候是一块高密度的、燃烧殆尽的、旋转的物质。这个过程最后的产物是什么，要看星球多大而定。有一个理论说，相当于太阳3倍或3倍以上的星球才会成为黑洞。这种星球的残骸密度高得无法想象；直径可能只有几英里，可是所含质量却是太阳的3倍以上。这样高密度的质量自然会产生一个极强的重力场，把附近的一切东西都吸进去——光，当然，也不例外。

这样的星球的残骸周围有一个事界（event horizon）。星球燃烧完毕后，其庞大的重力场就形成了事界。事界的作用正是芬克斯坦所说的单向膜。不管什么东西，只要进入这种物质的重力场，就会立刻被拉过去，一通过事界，永不复返。黑洞的根本特性就在事界。至于物体通过事界以后会怎样，故事比最富想象力的科幻小说还要精彩万分。

如果黑洞是不旋转的，那么进入其中的物体将直接到达中心的一点。这中心的一点叫单体。单体会将物体挤压殆尽，以至于不存在；用物理学的话就是变为零体积。一切物理学法则在黑洞单体里面完全失效，连时间和空间都一概消失。有人说，凡是被吸进黑洞的东西都会在“另一边”溢出——这“另一边”就是另一个宇宙！

如果黑洞是旋转的，那么被吸进事界的物体将不会进入黑洞单体（在旋转的黑洞里，黑洞单体成环状），而是（经由“虫洞”）进入宇宙的另一个时间，另一个地方，甚或是（经由“爱因斯坦-罗森桥”）进入另一个宇宙。这种情形下，旋转的黑洞可能就是终极的时间机器。

黑洞差不多完全不可见。不过，属于黑洞特有的现象却是有迹可寻。第一个是大量的电磁辐射线，第二个是黑洞对邻近可见星球的影响。先谈第一个。黑洞一直在吸收一切物质，其中包括氢原子、宇宙粒子。这些粒子一进入黑洞，经过它的重力场时速度就一直增加，最后终于到达光速。这就造成了大量的电磁辐射线（任何带电的粒子加速时都会制造电磁辐射线）。这是黑洞的第一个迹象。

黑洞的第二个迹象是它对邻近可见星球的影响。一个可见星如果看起来像是环绕着一个看不见的星球（也就是说好像是一个双子星系的一半），那么我们通常都可以推断这个星球的确环绕着一个看不见的星球。这个看不见的伙伴就是黑洞。

因为这样，所以寻找黑洞后来就变成寻找这两种现象。1970年，乌呼鲁卫星在一个地区找到了这两种现象。它在天鹅星座找到了一个高能X射线源的位置。这个电磁辐射线的高能源后来就叫作天鹅座X-1源，能量比太阳高100万倍。天鹅座X-1源很接近一个可见的蓝热超巨星。科学家现在认为，这个蓝热超巨星就是和天鹅座X-1源这个黑洞构成了一个双子星系。

可见星和看不见的黑洞在这种双子星系上互相环绕，这时可见的蓝热超巨星实际上就是已经被黑洞吸进来了。它以极高的速度冲进黑洞，身上的物质一边一直剥落，一边放出X射线。单单一个天鹅座X-1源已经令人难以置信，可是光是我们的银河系，自从人类发现天鹅座X-1以来，在银河系检测到的这一类物体就不止一百个。

黑洞把我们的想象力扩展到极限，但是证据显示黑洞确实存在。譬如说，我们认为消失在黑洞里的东西会在别的地方出现。如果真是这样的话，别的宇宙是不是也有黑洞把那里的物质吸到我们的宇宙中来？科学家很认真地在考虑这个可能性。因为，我们的宇宙就有一些物体与黑洞相反，叫作白洞（当然）。这些物体便是准恒星无线电源，简称类星体。

类星体是异常高的能源。类星体的直径通常只有太阳系的几倍，可是它释放的能量却比整个银河系1500亿个星球的能量还多。有的科学家认为类星体是我们目前所能测知的最远的星球，可是我们看到的它还是明亮得难以相信。

黑洞与类星体的关系到目前为止纯然只是思维。不过这个思维却令人心惊胆战。譬如说，有些物理学家认为，黑洞会在我们的宇宙中吸去物质，然后挤到宇宙的另一个时间、另一个地方，要不就挤到另一个宇宙。根据这样的假说，黑洞的“输出”边就是类星体。如果这个思维是正确的，那么就有很多黑洞在吸我们的宇宙，然后在别的宇宙放出去。别的宇宙也是一样被吸进去，再放出来，变成我们的宇宙，然后这个宇宙又被黑洞吸进去，变成别的宇宙。如此周而复始，自给自足。这是一出无始无终、无终无始的舞蹈。

“无理”的幻象

长久以来，我们一直认为重“力”是真正存在的东西。可是，广义相对论使我们发现，这其实只是我们的心灵创造出来的。这个发现是广义相对论最深奥的副产品。在世界的实相上，重力这种东西是没有的。行星之所以绕日而行，并不是因为太阳在它们身上施加了什么看不见的重力。它们之所以这样走，只是因为在它们的时空的地形上，这样走最容易罢了。

所谓“无理”，道理也是一样。“无理”唯心造。在世界的实相上，无理这种东西是没有的。从一个参考架构看，黑洞和事界有理；从另一个参考架构看，绝对非运动有理。但是若从自己的参考架构看对方，两者皆“无理”。

我们小心翼翼地建造了我们的理性作物。然后，只要一件东西不符合我们的理性作物，我们便谓之无理。然而，这些理性作物本身其实毫无价值。这些理性作物都可以用比较有用的代替。在这种代替品里面，原本从旧的参考架构看毫无道理的事物，从新的参考架构看将完全成立。反过来情形亦然。“无理”和时间、空间这一切度量一样（“无理”也是一种测量所得），都是相对的，我们不过是知道在哪个参考架构用它会成立罢了。

注解：

[1] 　爱因斯坦狭义相对论的起点是由古典相对论与麦克斯韦所预测的光速“c ”两者的冲突开始的。大家常常爱说一个故事，说爱因斯坦如何想象以光波的速度前进会怎样。譬如说，爱因斯坦看到以光速前进的时候，时钟的指针看起来是静止的。因为，指针的光波赶不上它的速度。

[2] 　不过，虽然我们无法直接经验，可是地球的轨道运动一直在加速。

[3] 　但是，固定的星辰因为远到可以界定为不转动，所以提供了这一种参考架构。

[4] 　这是在真空而言。在其他物质里面，光速依照物质的折射指数而变化，公式是：c物质=c折射指数

[5] 　相反的情况（观测者静止不动，光源移动）可以用前相对论物理学（pre-relativistic physics）来解释。事实上，如果把光认为是一种波现象，由波方程式统御，那么我们可以“期待”量出来的速度是独立于光源的速度之外的。譬如说，从喷射机发出的声波就不受它的影响。声波不管飞机的运动（声源移动的时候，频率会变——此即多普勒效应），从起点以一个速度在媒介（大气）中传导。前相对论物理学假设的是波是在一个媒介（在声波是大气，在光波是以太）中传导。问题在于，我们已经测出光速不受观测者移动影响（迈克耳孙-莫雷实验）。换句话说，如果假设光波是在一个媒介中传导，那么我们又如何能够通过这个媒介，向传过来的光波前进而又不增加它测得的速度？

[6] 　不过量子场论却复兴了一种新的以太，这就是说，场的平常基态（真空状态）的激动态就是粒子。真空状态非常平常，高度对称，所以我们无法在实验上配给它一个速度。

[7] 　据说当初爱因斯坦发现狭义相对论的解理过程中，并不包括迈克耳孙-莫雷实验在内。然而其实这个广受瞩目的实验，它的结果“飘在空中”足足18年以后，爱因斯坦才提出狭义相对论的论文（1905）。而且，这些结果也引导出洛伦兹变换，而洛伦兹变换正是狭义相对论数学形式的中心。

[8] 　这是就真空里的光速而言。光在物质里速度会变。变动的情形依物质的折射密度而定。迈克耳孙-莫雷实验发现的就是这些。

[9] 　这些原子钟有向东飞的，也有向西飞的。这次实验科学家不但发现狭义相对论效应，也发现广义相对论效应。（J.C.Hafele and R.E.Keating，Science，vol 177，1972，p.168ff）

[10] 　不过这一点只有类空间区隔的事件才是这样。至于类时间区隔的事件，则前后关系皆保留给每一个观察者。不论是什么参考架构，只要是运动速度低于c，其中类时间区隔的事件就不会同时发生。

[11] 　毕氏定理是c2 =a2 +b2 。狭义相对论的时空间隔方程式是s2 =t2 -x2 。毕氏定理说的是欧几里得空间的属性。时空间隔方程式说的是闵可夫斯基的扁平时空。（欧几里得空间和非欧几里得空间我们会在下一章讨论。）两者当然还有别的差异。不过时间、空间和时空间隔的基本关系确实和毕氏定理表达的直角三角形三边的关系很像。

[12] 　这幅插图的原图出自盖伊·莫尔奇（Guy Murchie）之手。最先出现在他的大作《天体音乐》（Music of the Spheres ，New York，Dover，1961）里面。谨在此致谢。

[13] 　恒星的氢耗尽之后，就开始在核心聚合氦。氦聚合比氢聚合还热，也产生其他元素，譬如氖、氧、碳等。等到氦用完，这些元素就相继成为太阳燃料。

[14] 　这里提出的观点并不是说几何学来自我们的心智。（爱因斯坦之前，黎曼和罗巴切夫斯基已经告诉我们）几何学可能有许多种，但是物理学决定了我们现有的几何学。譬如说，欧几里得认为几何学与经验有密切的关系。（他用在空间移动三角形来界定“全等”。）而且他认为平行定理并不是自明的，也就是说不是纯粹心智的产物。
　　这里提出的观点是说，由经验（譬如欧氏几何学）抽象出来的理想已经构成了一个恒久不变的严格结构，所以一旦人的感官经验与这个理想矛盾，我们质疑的是感官经验，而非这个抽象理想是否成立。我们一旦在思想里面建立（证实）这一套抽象理想，那么，不论适用与否，我们都会把它加在一切实际的与投射的感觉数据上，也就是说加在整个宇宙上，用这一组抽象理想来看宇宙。

[15] 　狭义相对论处理的是“坐标系”的非加速（匀速）运动。只要我们观察的物体所在的坐标系是匀速运动，那么纵然这个物体本身不是匀速运动，狭义相对论亦可描述之。

[16] 　现在有些物理学家认为广义相对论在高能物理学上将是很有用的理论。因为，高能物理学是微观规模事物的物理学，通常不计重力效应，可是，如今科学家却在极小距离（10cm）之内检测到很强的重力场起伏运动，所以科学家认为广义相对论将是微观的高能物理学很有用的理论。

[17] 　在这个例子里指三维空间的世界——译注

[18] 　对于这种情形，亚瑟·爱丁顿说得最简明扼要。他说，“一个坐标系的自然几何学，和科学家任意加于其上的抽象几何学是有矛盾的。引力场就是这种矛盾的代表”。

[19] 　这个距离当然是“不变的”。也就是说，这个距离在一切坐标系都一样。这个不变数是爱因斯坦理论的绝对客观面。这是对主观任意选择坐标系的补充。

[20] 　事实上，1795年拉普拉斯（Pierre Simon La Place）也曾经根据牛顿物理学对这个现象建立了理论。但是，用现代观点，也就是说用相对论来处理这个现象的物理学家，芬克斯坦是第一人。他的行动开发了当代的黑洞理论。

[21] 　现代第一篇论黑洞的论文是奥本海默（J.R.Openheimer）和施耐德（S.Snyder）于1939年所作。至于超越时空的黑洞单体，这种现代理论则是由彭罗斯和霍金（S.W.Hawking）发展出来的。

[22] 　这只是最近似的情形。依照现代的理论，由于光子等粒子会透过“单向膜”的量子隧道跑出来，所以黑洞实际上还是有光照出来。

部五
握理
（粒子物理学）

第9章
粒子动物园

变化的障碍

“物理”的第四个近似音是“握理”。大体说来，由于科学史就是科学家努力追求新观念的历史，所以一本书用“握理”来讲物理真是再恰当不过了。

科学家追求新观念之所以必须苦战，是因为人长久熟悉一种世界观以后，再要他放弃，总使他没有安全感。一个物理理论的价值，要看它有没有用而定。就这个意义而言，物理理论史可以说很像人的人格成长史。我们大部分人都是用一些自动反应来对环境做出反应。这些反应之所以会成为自动反应，是因为这些反应都曾经——尤其是在小时候——使我们如愿以偿。但是，一旦环境改变，这些反应便不再有用。这时如果还有这些反应，不但毫不实际，反而平添许多坏处。这时，愤怒、沮丧、谄媚、哭闹、欺负弱小等行为都将应时而生。我们总要等到明白这种行为毫无益处，才会有进一步的改变。但这时候的改变往往也很缓慢、很痛苦。人格的成长是这样，科学理论的成长亦然。

哥白尼认为是地球绕日，但是除了哥白尼，谁都不愿意接受这个观念。关于哥白尼的革命，歌德说：

人类可能从来未曾受到这么大的要求。因为，如果承认（地球不是宇宙的中心）的话，第二个天堂、纯真世界、诗、虔诚、感官的见闻、一种又诗又宗教的信仰，所有这一切哪一样不是立时塌缩，化为尘土？也难怪人类对他的观念没有胃口。整个人类都起来反对这个学说……（注一）

再说普朗克好了。普朗克的发现意味着一些重大的事情。但是普朗克自己都难以接受。因为，一旦接受了，一个三百年之久的科学结构（牛顿物理学）就受威胁了。关于量子革命，海森伯说：

……新的现象强迫着我们改变思考方式的时候……连声名最显赫的物理学家都要感到极度的困难。因为，思考方式的改变可能使我们脚下的土地霎时落空……我相信我们没有高估其间的困难。明智而温和的科学人对于这种改变思考方式的要求也感到绝无后路。我们一旦经历这种感受，只有惊讶科学怎么会有这样的革命。（注二）

因为发现了一些新现象无法用现有的理论解释，才迫使我们兴起科学革命。旧理论没有那么容易死。哥白尼要我们放弃宇宙中心的地位，这实在是一件精神任务；量子力学要我们接受自然界的非理性，这对知识人是一个严重的打击。然而，新的理论一旦展现优越的用处，反对者不论多么不愿意，也只有接受了。这样一来，既然接受新理论，也就只好认可随着新理论而来的世界观。

今天，粒子加速器、气泡室、电脑共同产生了一个世界观。这个世界观与20世纪初人类世界观的不同，就好比哥白尼的世界观与他的前辈不同一样。这个世界观叫我们要放弃许多我们紧抓不放的观念。

这个世界观里面，实体这个东西是没有的。

镜面的大厅

关于物体，我们最常问的就是：“什么做的？”不过这个问题的根本却是一个造作的思想结构。这个思想结构好比一个镜厅。站在两面镜子之间往其中一面看，我们就会看到我们的影像；在我们后面，也会看到很多我们，每一个都看着他面前的头的后面。这样的影像就这样一直对折反映，穷目所见，无限延伸。这一切影像，全部都是幻象。唯一真实的就是我们。

每次我们问东西“什么做的”的时候，情形就类似于此。这种问题的答案永远都是一种东西，然后对这种东西我们又可以问一样的问题。

譬如牙签。我们问牙签“什么做的”，答案是“竹子”。不过这个问题却把我们推进了一间镜厅。因为，我们虽然得到了答案“竹子”，可是，我们还是可以问竹子是“什么做的”，我们得到一个答案说是“纤维”。可是纤维又是什么做的呢？问题就是可以这样一直问下去。

两面相对的镜子会无止境地照出影像的影像。同理，认为一件东西和做成这件东西的东西有所不同，这种观念也会使我们竟日追寻，了无所得。一件东西不论是什么“做”的，反正我们已经创造了一个幻影，逼着我们去问：“对，可是那又是什么做的？”

新世界观

物理学家是固执追问这一连串问题的人。他们发现的事情叫人吃惊。再用牙签做例子好了。牙签是竹子做的，竹子是纤维构成的，纤维是细胞构成的，细胞被放大以后，原来是分子构成的。最后，原子是亚原子粒子构成的。换句话说，原来“物质”就是一连串焦距之外的形态。想追求宇宙的最后材料，最后发现的却是宇宙没有最后的材料。

如果一定要说宇宙有什么最后的材料，那就是能量。但是亚原子粒子并不是能量“做”的，因为亚原子粒子就是能量。爱因斯坦早在1905年就建立了这样的理论。亚原子粒子就是能量，所以亚原子粒子的互动就是能量的互动。在亚原子的层次上，再也没有究竟和过程的分别，再也没有行动和行动者的分别。在这个层次上，舞者和舞已经合为一体。

根据量子物理学的看法，这个世界基本上只是跃动的能量。能量无处不在，起先是一种形式，然后是另一种形式……如此这般，连续不断。我们所谓的物质（粒子）事实上是造出来的，造出来以后消灭，又造出来，如此这般，连续不断。这一切皆因粒子的互动而生，但这一切亦是无由而生。

从“无”之处突然出现一种“事物”，这个事物来了又去，往往是变为别的事物然后才消失。粒子物理学里面没有空与不空、物与非物的区别。闪烁的能量以粒子的形式自己跳舞，存在，碰撞，变质，消失，这就是粒子物理的世界。

粒子物理学

粒子物理学的世界观是“秩序之下一片混沌”。世界的基本层面是一片混乱，不过不断生、变、灭而已。在这片混乱之上，就它可能采取的形式而言，是一些守恒定律。这些守恒定律和一般的物理定律不一样。这些守恒定律说的不是什么事必然发生，而是什么事不会发生。守恒定律是容许性的定律。在亚原子的层次上，凡守恒定律不禁止的，一概会发生。（量子论说的就是守恒定律容许的可能性有多大的概率。）杰克·萨法提说：

粒子不再固定地、稳定地依照一定的路线运动。粒子的运动路线好比马氏兄弟的马戏、卓别林的喜剧一样滑稽……看得见，看不见……事实上就连何谓路线亦不甚清楚。这一团乱叫人伤透脑筋——到最后才看出其中微妙的秩序。

以往的世界观是混沌之下一片秩序。这个世界观认为，表面上我们的日常生活繁杂紊乱，枝枝节节，其实在这一切之下，有一些系统而理性的法则维系着其间的关系。苹果掉下来和行星运动之间是同样的法则在统御，这就是牛顿伟大的识见。这个识见当然有很多真理，但是，这种看法正好与粒子物理学相反。

粒子物理学的世界是没有“材料”的世界。这个世界里面，事情的过程即是事情的究竟。这个世界里面，生、变、灭的舞蹈在一个概率与守恒律的架构中不断上演，无休无止，不增不减。

高能粒子物理学研究的是亚原子粒子，通常简称为粒子物理学。粒子物理学的理论工具是量子论和相对论，硬件则是加速器和电脑并用，昂贵得难以想象。

粒子物理学最初的目的是要寻找宇宙最小块的积木。要完成这个工作，必须把物质一步一步地分解，越分越小，能分多小就分多小，一直分解到最小块为止。不过，起初虽这么想，实验的结果却没有这么简单。今天，粒子物理学家都在忙着从那么多的发现当中理出头绪。 [1]

在原理上，粒子物理学已经无法再简单了。物理学家必须用亚原子粒子互撞，才能够看到碎片是什么做的。这是很困难的事情。用来撞击的粒子叫抛射体，受撞击的粒子叫靶。

最进步（但也最贵）的加速器可以同时将抛射体粒子和靶粒子向碰撞点射出。碰撞点通常位于气泡室里面。带电的粒子通过气泡室的时候，会像喷气式飞机在天空留下喷气云一样，在气泡室留下轨迹。气泡室的外面是磁场，磁场会使带正电的粒子向一边转弯，带负电的粒子向另一边转弯。这样，由转弯的曲线曲度多大，就可以算出粒子的质量多大（速度和电荷一样时，粒子越轻，转弯越厉害）。气泡室里又有电脑启动的照相机，每次一有粒子进来就自动照相。

有趣的气泡室

科学家有必要做这样精密的设计。因为，大部分的粒子生命都不到百万分之一秒，而且又小得无法直接观察。 [2] 大体而言，粒子物理学家所知的亚原子粒子的一切，都是由理论以及粒子的气泡室轨迹照片推论出来的。 [3]

实验室里几千张的气泡室照片清楚地告诉我们，当初粒子物理学家在寻找“基本”粒子时遭遇到了怎样的挫折。抛射体撞击到靶的时候，两者当然都碎了。可是，两者碎了之后却产生了新粒子。而且这些新粒子又都跟原来的一样“基本”，质量往往又和原来的一样大。

◎图25

左图表示粒子撞击的一种典型。一个带负电的π介子与一个质子（P）互撞，两者破碎之后产生了两个新粒子，一个是中性的K介子，一个是郎姆达粒子。K介子和郎姆达粒子各自（不必碰撞）又自动衰变为两个粒子。其中由郎姆达粒子衰变出来的是π介子和质子；跟我们一开始的粒子一样。芬克斯坦说，这简直就像两座时钟对撞，结果飞出来的不是齿轮、弹簧、碎片等，而是新的时钟，有的还和原来的一样大呢！

为什么会这样？爱因斯坦的狭义相对论可以给我们一部分答案。原来，除了抛射体粒子和靶粒子的质量，抛射体粒子还有动能。新的粒子就是由这些动能产生的。抛射体粒子跑得越快，撞击点上就有越多动能可以创造新的粒子。由于这个道理，所以各国政府花在建造粒子加速器上的钱才越来越多。越多的钱造越大的加速器，越大的加速器推出来的抛射体粒子速度越快。如果抛射体粒子和靶粒子都加速以后才撞击，就有比较多的动能创造新粒子。

创造与湮灭之舞

每一次的亚原子粒子撞击都包括原来粒子的湮灭和新粒子的产生。亚原子的世界是一出生灭之舞，生灭不断，笙歌不辍；是一个质变能、能变质的世界。 [4] 种种倏忽即逝的形式生灭之间闪烁而过，创造了一个从不止息，又永远新造的实在界。

不论是东方还是西方，凡是宣称已经掌握“上帝面貌”的秘教者，言谈之间无不显露类似的意思。所以，心理学家只要是关心人心的觉醒，很少能够忽略物理学与心理学之间这一座巍峨的大桥。

粒子物理学的第一个问题是：“碰撞的是什么东西？”

根据量子力学，亚原子粒子不是灰尘那样的粒子。亚原子粒子只是“存在的倾向”以及“宏观可观测象之间的关系”。亚原子粒子没有客观的存在。这意思就是说，如果我们要运用量子论，那么除了粒子与测量仪器的互动，我们无法假设粒子的存在。海森伯说：

在量子论的揭露之下……基本粒子不再像日常生活的物体那样真实，不像树，不像石头……（注三）

轨迹是什么

譬如电子，其通过照相图版之后，会在照相图版上留下看得见的“轨迹”。仔细检查这道轨迹，发现这道轨迹原来是一连串的点。每一个点都是电子与图版上的原子互动之后产生的银。用显微镜看这道轨迹，情形如下：

◎图26

照图中的情形看，我们一定会认为这是电子造成的。电子像棒球一样，通过图版以后，留下了这道轨迹。但事实不然。量子力学告诉我们，要说这些点（这些“运动的物体”）之间有关联，纯属我们心灵的产物。这些东西不是真有。事实上这一点佛教徒已经说了一千年之久。换上量子力学扎实的语言来说就是，这些运动的物体——这些独立存在的粒子——纯属不可证明的假设。

伦敦大学柏贝克学院物理教授大卫·玻姆（David Bohm）说：

依照我们平常理解事物的方式，我们会认为这些银粒子轨迹显示的是，真有一个电子沿着这些银粒子的路径间断地从空间运动而过，再由互动造成这些银粒子。但是，依照量子论通常的解释，如果我们认为这一切真的发生，那是错误的。我们最多只能说有一些粒子出现了。其他的，我们绝不要去想这些银粒子是由一个真实的物体，按照我们通常认为物体在空间里运动的方式运动之后产生的。“持续运动的物体”这个概念可以建立一个差不多成立的理论，可是一碰到一个非常精确的理论，这个概念立时塌缩。（注四）

“粒子一类的物体是真实的东西，不管我们是不是在看，都按照因果律在时间和空间里行走。”——这是很自然的假设。但是量子力学却反对这种假设。由于量子力学本身就是一个物理理论，所以其中的意义就特别重大。从亚原子粒子到恒星现象，凡此种种，量子力学的解释都很成功。物理学史上还不曾有过这么成功的理论。这个理论无与伦比。

所以，我们看到气泡室的轨迹时，我们就有了一个问题：“什么东西弄的？”关于这个问题，目前为止最好的答案是“粒子”。但实际上这就是场与场的互动。这个理论叫作量子场论。场，譬如波，散播的区域比粒子大很多（粒子仅限于一个点）。此外，场还会充斥一个空间。譬如地球的重力场就充斥了地球一带的空间。两个场互动时，既非逐步互动，亦非全面互动。不然，两个场互动时是在一点上瞬间互动（“瞬间与定点”）。这种一点上瞬间的互动就造成了我们所谓的粒子。但是，若是根据量子力学的看法，则这种互动本身就是粒子。种种的场不断互动，其结果就是亚原子层次上粒子不断地生灭。

量子场论

1928年，英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）为量子场论立下了地基。预测新型粒子，用场的互动解释现有的粒子，量子场论在这两方面都极为成功。根据量子场论，一个场就和一种粒子有关。1928年当时所知的粒子只有三种，所以只要有三种场就可以解释。但是，时至今日，人类所知的粒子已经有百种以上，所以也需要百种以上的场才能解释。这是一个问题。对于志在梳理自然的物理学家而言，这么多的理论不但笨拙，而且尴尬。所以，如今大部分物理学家已经放弃“一种场为一种粒子存在”的观念。

不过，量子场论依然是一个很重要的理论。这不只是因为量子场论有效，而且也是因为量子场论最先融合了量子力学和相对论——尽管其方式还是有其限度。后面这一点是这样的，凡是物理理论，都必须符合相对论要求的“物理法则必须独立于观测者的运动状态”这一点。量子论也不例外。物理学家自来亟须整合相对论与量子论的努力普遍都不成功。但是，科学家想了解粒子物理就需要相对论和量子论，用的通常也都是相对论和量子论。这种不得不然的关系最恰当的形容就是，“紧张但是必要”。在这个方面，整合两者最成功的就是量子场论。不过量子场论只涵盖了一个小范围之内的现象。 [5]

量子场论是一种ad hoc [6] 的理论。这意思是说，量子场论就和玻尔为原子所设的特定轨道模型一样，是一种很实际但概念上前后不一致的方案。量子场论有一部分在数学上无法兼容。它是就现有的数据设计出来的有效模型，目的是让物理学家在探索亚原子现象的时候有立足之地。因为太有效了，所以才存在那么久。（有的科学家甚至认为它“太”有效了。他们担心，量子场论那么成功，可能反而妨碍了一个自我一致的理论的发展。）

不过虽然有这些缺陷，量子场论是成功的物理理论终归是事实。量子场论以“物理实相本质上无实体”的假设为前提。根据量子场论，真正真实的只有场。场不是“物质”，是宇宙的实体。物质（粒子）只是场与场互动时一时的呈现。宇宙间唯一真正的事物是场，而场是无法捉摸、无实体的。场的互动看起来像粒子，因为，场的互动是瞬间的、顿然的，又是在空间很小的区域。

当然，就字面上而言，“量子场论”是非常矛盾的名称。“量子”是已经不可再分的整体，是事物极小的一片。“场”则是事物的全盘区域。“量子场”把两个完全不兼容的名词摆在一起。换句话说，这是一个疑难，因为它违反了我们的范畴规则。我们一向认为事物只能是这样或者只能是那样，但绝不能是又这样又那样。

量子场论对于人为的范畴式思考方法产生了很大的冲击。量子场论对西方思想（以及其他各方面）的贡献，主要也是在这里。我们用这种思考方法建造我们的知觉结构。但是这个僵化的结构却变成了一个监狱，而我们不知不觉间变成了囚犯。量子论大胆地宣称，事物可以是这样又那样（光既是波也是粒子）。 [7] 若问这两种描述何者为真，那么这个问题毫无意义。要完整了解，必须两者兼具。

1922年时海森伯还是学生。他问他的教授兼后来的朋友玻尔说：“如果原子的内在结构真像你说的那样无法说明，那么，既然没有一种语言可以处理原子，我们又从何了解原子呢？”

玻尔想了一下才说：“我想还是可能。不过在这过程当中我们必须弄清楚所谓‘了解’是什么意思。”（注五）

用一般的话来说，这意思就是，一个人可以是又好又坏，既勇敢又懦弱，既是狮子又是羔羊。

使用日常语言的两难

不过，尽管有以上种种情况，粒子物理学家仍然不得不把粒子当棒球一样来分析。棒球从空间飞过，有时候还相撞。物理学家就是这样来研究粒子。物理学家研究气泡室照片上粒子互动的轨迹时，他是假设这道轨迹是由一个小小的运动物体造成的；照片上其他的轨迹亦然。事实上物理学家分析粒子互动的方法，差不多就像撞球一样。几个粒子互撞（然后消失），从互撞的地方又飞出几个新造的粒子。简单地说，物理学家根本就是用质量、速度、动量来分析粒子的互动。这些概念全部都是牛顿物理学的概念，用在汽车、电车上面都可以。

物理学家之所以这样做，是因为如果他们还想与他人沟通，就必须使用这些概念。他们现成可用的往往就是一张黑黑的照片，不过上面有白线而已。他们知道：（一）根据量子论，亚原子粒子并不是本身独立存在的；（二）亚原子粒子既有类波特性，也有类粒子特性；（三）亚原子粒子实际上是场与场互动的呈现。但是，那些白线本身却使他们要用古典方法来分析，所以他们就用古典方法来分析。

这种两难选择就是量子力学的基本难题，粒子物理学家必须用古典语言来说明古典概念无法说明的现象，量子力学到处充塞着这种难题，这好比要向人说明吃LSD（迷幻药）的经验一样。我们用大家平常熟悉的概念为起点，可是一过了起点，平常的概念就不适用了。代替品怎么都说不出所以然来。

海森伯说：

处理量子论的物理学家也被迫使用日常生活的语言。我们做事就当真有电流（或者粒子）这一回事。因为，如果我们禁止物理学家讲电流（或者粒子），他们就再也无法表达他们的思想。（注六）

所以，物理学家凡是说到亚原子粒子，就好比这些粒子真的是小小的物体，会在气泡室留下轨迹，并且还独立（客观）存在。这种权宜之计用处多多。40多年来，物理学家运用这种方法已经发现将近100种粒子。肯尼斯·福特（Kenneth Ford）说，这些粒子简直就是一个粒子动物园。 [8]

关于这座粒子动物园，我们要知道的第一件事情是，只要是同种的粒子，看起来就完全一样。只要是同种，每一个电子看起来都一样，看过一个，就等于看过全部。同理，只要是同种，每一个质子都一样，每一个中子都一样。依此类推，同种的亚原子粒子彼此绝对无可分辨。

但是，如果是不同种的粒子，彼此就有不同的特性（属性）。这种特性，第一个是质量，第二个是电荷，第三个是自旋。下面分述之。

粒子的质量

先论质量。譬如质子，其质量比电子大1800倍左右。（但这并不是说质子就比电子大1800倍。因为，质量和大小是两回事。反过来说，一磅铅和一磅羽毛质量就一样。）

物理学家讲到粒子的质量时，除非另有说明，否则指的都是静止质量。粒子静止时的质量叫作静止质量。静止质量之外，任何质量都叫作相对论质量。因为粒子的质量会随速度增加，所以粒子任何相对论质量都可能有。粒子相对论质量的大小依其速度而定。譬如说，在99%的光速时，粒子的质量比静止时大7倍。

不过，质量的增加并不是一直都这样循规蹈矩。粒子速度一旦超过光速的99%，质量就急遽增加。美国麻省的剑桥，以前有一部电子加速器在运作。这部电子加速器是由另一部比较小的馈食加速器供应电子。电子由馈食加速器进入主加速器时，速度是光速的0.99986，主加速器再将电子加速到0.999999996。其间增加的速度看来可观，其实微不足道。电子初始速度和最后速度的差别，不过相当于一部汽车以2小时跑完一段路，而另一部汽车以1小时59分59秒跑完罢了。（注七）

但是速度的增加如此，质量的增加却不然。速度的增加如此微不足道，但质量已经从静止质量的60倍增加到1.18万倍。换句话说，加速器叫错名字了。加速器（请注意“加速”的定义）为亚原子粒子增加的速度不如质量。粒子加速器应该叫作粒子放大器（增质器）才对。

不论是静止或运动，粒子的质量都是以电子伏特计算的。电子伏特与电子无关。电子伏特是能量单位。（电子通过一伏特电位差所获得的能量为一电子伏特。）计算某物的电子伏特即是计算其能量。这里的要点是，粒子物理学家计算粒子的质量时也是用这种单位。譬如，他们就说电子的静止质量是0.51百万电子伏（MeV），质子的静止质量是938.2MeV。这是因为质变能、能变质在粒子物理里面是例行现象，所以他们就用能量单位来说粒子的质量。

质量不过只是一种形式的能量——存在的能量。如果粒子是运动的，就既有存在能量（质量），也有运动能量（动能）。这两种能量都可以在粒子碰撞时用来制造新的粒子。 [9]

用质量最轻的粒子——电子——来对比其他粒子的质量，往往要比直接说粒子的电子伏特数方便。所以，物理学家便设计了一套系统，以电子的质量为“1”，因而（譬如）质子的质量便是1836.12。有了这一套系统，任何一种粒子我们都可以立刻说出它比电子重多少。本书后面附有一份这样的系统表。

物理学家依照质量，将所有已知粒子从最轻到最重排列出来以后，发现这些粒子大略可归为三个范畴，也就是轻量粒子、中量粒子、重量粒子。可是，不知道为什么，物理学家要为这三个范畴命名时，都不约而同地回到希腊。他们将轻量粒子命名为“lepton”，希腊文意为“the light one”，这是“轻子”。中量粒子叫作“meson”，希腊文意为“the midiumsized one”，这是“介子”。重量粒子叫作“baryon”，希腊文意为“the heavy one”，这是“重子”。物理学家为什么不直接称这些粒子为“light”“midium”“heavy”，这是物理学上一个无解的问题。 [10]

无质量粒子

电子既然是最轻的物质质点（简称质点），所以电子当然是轻子。质子是重量粒子（重子），不过却是最轻的重量粒子罢了。大部分的亚原子粒子是依这样的方法分类的。除去这一大部分，剩下的一部分使我们看到了粒子物理学一种不受概念束缚的现象。这跟量子力学的许多东西一样。这些粒子没有办法放进轻子—介子—重子的架构里面。有的已经为物理学家熟知（譬如光子），有的已经进入理论，不过尚未发现（譬如重力子）。这些粒子共同拥有一个事实，那就是它们全部都是无质量粒子。

“等一下，”我们喊道，“什么叫作无质量粒子？”

“无质量粒子，”津得微研究过这种现象，他说，“就是静止质量为零的粒子。它的能量全部都是运动能量。譬如光子，其一造出来，立刻就以光速前进。不会慢下来，因为没有质量使它慢下来；不会快起来，因为已经没有比光速更快的东西。”

“无质量粒子”是从数学翻译成一般语言的尴尬名词。物理学家当然知道自己说“无质量粒子”是什么意思。“无质量粒子”是他们为一个数学结构里的一种元素取的名字。但是，这种元素在真实世界到底代表什么东西，就不容易说清楚了；事实上是根本不可能说清楚的。因为，依照定义，物体（譬如“粒子”）就是有质量的东西。

佛教禅宗有一种方法，叫作公案。公案与打坐并用，可以改变我们的知觉和理解事物的方式。公案是一种疑难，因为很诡谲，所以无法用一般的方式解答。譬如说，禅的公案会问：“一手击掌的声音是怎样？”禅师总是要学生一路想着一个公案，不得答案决不罢休。至于答案，绝对不止一个，要看学生的心境而定。

佛经里常见两难之题。我们的理性思考就是在这两难之处跌跌撞撞触及了我们自己的限度。根据东方哲学普遍的看法，善恶、美丑、生死等皆是“假的分别”，彼此没有对方都不可能存在。这种假分别是我们自己制造出来的思想结构。两难之题唯一的起因，无非就是这种自己制造而又刻意维护的幻象。谁能挣脱概念的束缚，谁就能听见一手击掌的声音。

物理学也有很多“公案”，“无质量粒子”即是。一千年前，佛教就开始探讨“内在的”实相。一千年后，物理学家也开始探讨“外在的”实相。但两者最后都发现，要“了解”，就必须跨过两难的障碍。这难道只是巧合吗？

不同种的亚原子粒子依照几种属性来区别。以上讨论的是其中的一种——“质量”。

电荷

以下讨论其中的第二种属性——“电荷”。每一个亚原子粒子都带有电荷，可能是正电，可能是负电，也可能是中性。电荷决定粒子在其他粒子之前会有什么行为。粒子如果是中性，那么不论其他的粒子带什么电荷，它都很冷漠，无动于衷。可是粒子如果带正电或负电，它们彼此对待就不一样了。带电的粒子会彼此相吸或相斥。譬如两个粒子如果都带正电，那么它们就会彼此排斥，于是立刻尽可能保持距离。两个粒子都带负电时亦然。但如果一个带正电，一个带负电，它们就无法抗拒彼此的吸引力，如果能够，就要立刻彼此接近。

带电粒子之间这种相吸相斥的舞蹈叫作电磁力。电磁力使原子结合成分子，使带负电的电子在轨道上环绕带正电的核子而行。从原子和分子的层次上来说，电磁力是宇宙基本的“黏胶”。

电荷的存在有一定的量。一个亚原子粒子可以是不带电荷（中性），可以是带一个单位的正电荷或负电荷，也可以是带两个单位的正电荷或负电荷，但绝对没有介乎其间的情形发生。说什么一个粒子带114个单位的电荷，一个粒子又带1.7单位的电荷，这种事情是没有的。换句话说，电荷和（普朗克发现的）能量一样，是“量子化”的。电荷的存在是一束一束的，每一束都一样大。为什么会这样是物理学上几个未解的大问题之一。 [11]

电荷的特性再加上质量的特性，一个粒子的人格——姑且这么说吧——就出来了。譬如说，亚原子粒子里面，唯有电子带负电荷以及0.51百万电子伏特的静止质量。有了这样的信息，物理学家知道的就不止一个电子有多少质量，而且还知道电子与别的粒子如何互动。

各种不同的亚原子粒子是按几种属性来区分的。“质量”在前面已经讨论过，现在才讨论完的是“电荷”，以下讨论“自旋”。

自旋

亚原子粒子的第三种特性是自旋。亚原子粒子会像陀螺一样，绕着一种理论轴自旋。不过有一点很大的不同，陀螺的旋转可以快可以慢，但是一种亚原子粒子的旋转，速度却永远不变。

自旋的速度实际是亚原子粒子的基本特性，所以，如果速度有变，亚原子粒子也就毁了。也就是说，粒子的自旋有变，粒子本身也就彻底改变，所以也不叫原来的电子、质子等。这一点使我们不禁怀疑种种粒子是否就是某种潜在实体结构的不同运动状态而已。这也是粒子物理学的基本问题。

量子力学里的每一种现象皆有它的量子象。使现象呈现为“中断式”的，就是这个量子象。这一切在自旋亦是如此。自旋和能量、电荷一样，都是量子化的。自旋的存在都是一束一束的，每一束都一样大。换句话说，陀螺的旋转慢下来时，并不是平滑地慢下来的，而是一小段一小段地慢下来。这些小段很小，又互相紧接，所以很难看出来。陀螺的旋转看起来是连续慢下来的，到最后完全停止。但实际上，这个过程其实是一顿一顿的。

陀螺的自旋好像有一个没有人知道的法则，每分钟自转100次，每分钟自转90次，每分钟自转80次等，绝无任何介乎其间的例外。我们这个假想的陀螺如果想从每分钟100转慢下来，它就必须从100转一路直接降至90转。陀螺的情形如此，亚原子粒子的情形亦然。不过有两点差异：（一）每一种粒子永远都有自己的旋转速度；（二）亚原子粒子的自旋以角动量计算。

角动量

自旋物体的角动量依质量、大小、旋转速度而定。这三个属性（不论是哪一个皆然）越大，物体的角动量就越大。大体而言，角动量就是旋转的力量。换上相反的讲法，角动量就是挡住旋转所需的力量。物体的角动量越大，想挡住它旋转所需的力量就越大。陀螺的角动量不大，因为陀螺小，质量也不大。比较起来，旋转木马的角动量就很大。这不是因为旋转木马转得快，而是因为它大而质量很大。

你现在已经了解自旋，那么，除了最后的一部分（角动量），我们刚刚所说的请你都忘了吧！因为，凡是亚原子粒子，都有一个固定的、明确的、已知的角动量，不过，哪有什么东西在旋转？以上这些话如果你看不懂，不要紧。物理学家都说这些话，不过他们也不懂。（如果你想懂，这些话就变成公案。） [12]

亚原子粒子的角动量是固定的、明确的、可知的。但玻恩说，我们却不要想去说物质的本质里真的有什么东西在旋转。（注八）

换句话说，亚原子粒子的“自旋”涉及“有自旋的观念，无自旋的事物……”这一个概念（注九）。这一个概念，就连玻恩这样的物理学家都认为“极为深奥”（注十）。（真的？！）然而，因为亚原子粒子的行为的确像是有角动量，而且这个角动量又经物理学家判定为明确、固定，所以他们就还是使用这个概念。正因为如此，所以“自旋”在事实上便成为亚原子粒子的一种主要特性。

亚原子粒子的角动量以我们的老朋友普朗克常数为基础。普朗克常数被物理学家称之为“行为量子”。还记得，使物理学发生量子力学这次革命的，就是普朗克常数。普朗克发现，能量的释出与吸收不是连续的，而是中断式的，一束一束的——这个被他称之为量子。能量的释出与吸收有这样量子化的本质。表示这种本质的，即为普朗克常数。一开始有了这种发现，普朗克常数便成为往后了解亚原子现象的必要元素。爱因斯坦踵继普朗克，五年后以普朗克常数说明了光电效应，后来更用普朗克常数来判定固体特有的热。这个领域已经远远超出普朗克当初研究的黑体辐射线。玻尔后来发现，电子绕行原子核的角动量是普朗克常数的函数。德布罗意又用普朗克常数计算物质波的波长，这又成为海森伯不确定原理的主要元素。

普朗克常数在亚原子粒子领域之内非常重要。然而，换到外面的大世界，普朗克常数却完全不可见了。这其中的原因，在于能量释出或吸收的束非常小，而我们的层次非常粗糙，所以，在我们看来，能量便成了一个连续的、平滑的流程。同理，因为角动量最后不可分的单位非常小，所以在宏观世界也看不出来了。譬如，一个网球迷坐在椅子上转来转去看球赛时他的角动量比一个电子大1033 倍。换一种讲法，美国的国民生产毛额一分钱之差造成的不安，比刚刚这个球迷的角动量一单位之差，大上几千几百亿万倍。（注十一）

物理学家通常并不直接写出亚原子粒子的角动量。他们将光子的自旋定为“1”，然后依此对照其他亚原子粒子的自旋。这个系统既经设定之后，物理学家在其中又发现了一个亚原子粒子难以解释的现象；也就是，凡是同一家族的粒子，其自旋特性都很类似。譬如轻子，其整个家族的自旋都是1/2。这就是说，轻子的家族里面，每一种粒子的角动量皆是光子角动量的1/2。同理，重子的家族、介子的家族亦然。介子的角动量相对于光子的角动量，不是0就是1，不是2就是3……（0=无自旋，1=角动量相当于光子，2=角动量两倍于光子，依此类推。）但绝无介乎整数之间的情形发生。本书后面所附的粒子表有所有粒子每一个家族的自旋特性。

量子数

粒子电荷、自旋等重要特性的值都用一定的数字代表，这种数字叫作量子数。每一个粒子都有一组量子数使它成立为一种粒子。 [13] 凡是同种的粒子，每一个的量子数都一样。譬如电子，其每一个量子数都一样。质子也是每一个都一样，但电子与质子就不一样。粒子要集体看才有人格特征，个别粒子没有什么人格特征，事实上完全没有人格特征。

反粒子

1928年，狄拉克将相对论的规则加在量子论上面以后，他的严格形式显示出有一种带正电的粒子存在。由于当时所知的正电粒子就是质子，所以他和大部分物理学家都以为，他的理论已经（在数学上）解释了质子。（有人批评他的理论产生了“错误的”质子质量。）

但是，经过进一步的检验以后发现，他的理论解释的显然不是质子，而是另一种全新的粒子。这种新粒子和电子完全一样，只有电荷和几个重要的属性与电子正好相反。

1932年，卡尔·安德森（Carl Anderson）在加州理工学院真的发现了这种粒子，他称之为正电子。但是他从来没有听说过狄拉克的理论。物理学家后来又发现，凡是粒子，都有一个正相反的粒子与它相对，两者完全一样，可是几个主要面完全相反。这一种粒子叫作反粒子。反粒子虽然叫反粒子，也是粒子。（反粒子的反粒子又是一个粒子。）

有些粒子是与别的粒子互为反粒子，有些粒子自己就是自己的反粒子。譬如前者带正电的π介子是带负电的π介子的反粒子，后者如光子自己是自己的反粒子。本书后面的粒子表载有这些粒子与反粒子。

粒子与反粒子的遭遇非常壮观。粒子和反粒子遭遇时，两者就互相消灭对方！譬如电子与正电子遭遇时，两者会完全消失，可是从它们消失的地方又迸发出两个光子，这两个光子马上以光速飞走。实际上这就是粒子与反粒子喷出一线光之后才消失。反过来说，粒子和反粒子也可以由能量中造出来，永远成双成对。

宇宙是由粒子与反粒子做成的。我们这一部分的宗旨几乎都是平常的粒子结合成平常的原子，再结合成平常的分子，再结合成平常的物质，再做成我们这样的人。可是在宇宙的另一半——物理学家认为——反粒子结合成反原子，再结合成反分子，再结合成反物质，再做成反人。我们这一部分宇宙不会有反人。如果有的话，早在一线光之间消失得无影无踪。

物理学家暂时认为亚原子粒子真的是会从时间和空间飞过的物体。他们用一些概念划分这些亚原子现象的范畴。这些概念里面，轻子、介子、重子、质量、电荷、自旋、反粒子等是其中的一些。这些概念都很有用，不过也只是在有限的脉络中有用。这个脉络就是，物理学家为了方便，暂时假装舞者可以离开舞蹈而存在——其实我们每一个人都是这样假装的。

第10章
这些舞蹈

时空图

亚原子粒子的舞蹈不会停止，也永远不一样。不过物理学家已经找到一个方法将他们感兴趣的一部分图解出来。

所有的运动最简单的图解就是空间图。空间图表示的是事物在空间里发生的地点。譬如图27，这张图表示的是加州旧金山和伯克利的位置。垂直轴是南北轴，水平轴是东西轴，这和所有的地图一样。除此之外，地图上面还标有两条路线。一条是直升机在旧金山与伯克利之间飞行的路线，一条是质子在劳伦斯伯克利国家实验室绕行回旋加速器的路线。当然，在地图上这条路线已经经过无限放大。

◎图27

这张空间图和所有的公路地图一样，也是两度空间的。这张地图表示伯克利在旧金山以北（第一维空间）和以东（第二维空间）多远。地图并没有标示直升机的飞行高度（第三维空间）以及所需时间（第四维空间）。如果我们想表示这个时间，就必须画一张时空图。

时空图（图28）不但表示事物的空间位置，也表示事物的时间位置。在时空图上，垂直轴是时间轴，水平轴是空间轴。时空图要从下往上读，因为，时间的进行是由时间轴的往上移动表示的。空间轴表示物体在空间里的运动。物体在时空图里进行的路线叫作世界线。譬如图28所示的是旧金山到伯克利的飞行路线。

◎图28

直升机最先是停在旧金山的地面。此时它的世界线是垂直的；因为，这时它只有在时间里移动，没有在空间里移动，在图中是A到B这条垂直线。等到直升机起飞向伯克利前进时，它就同时在时间和空间里移动了。这时它的世界线就是图中B到C这条线。飞到伯克利降落以后，因为它又恢复为只在时间里移动，不在空间里移动，所以它的世界线又一变而为垂直线，在图中是C到D这条线。所有线上的箭头都表示直升机前进的方向。直升机在空间里当然可进可退，可是在时间里就只能进不能退。图中另外两条虚线是旧金山和伯克利的世界线。这两个地方，除非加州地震，否则就只有在时间里移动。

费曼图解

◎图29

在物理学上，物理学家就是用这种时空图来表示粒子的互动的。下面是一个电子发射光子的时空图解（图29）：

电子从下方开始以某一速度在空间向前运动，在黑点所示的地方释出一个光子。光子以光速向右方飞去。电子因为动量受到刚刚发射光子的影响，速度减慢，转而向左方飞去。

1949年，理查德·费曼（Richard Feynman）发现，这种时空图所描述的粒子互动，如果用数学表达其概率，两者竟然完全一致。他的发现延伸了狄拉克1928年的理论，又使它发展为我们今日所知的量子场论。因为这一点，所以这种图解有时候又叫费曼图解。 [14]

又是创造与湮灭的舞蹈

下面是一个粒子/反粒子湮灭的费曼图解（图30）。左方飞来的电子与右方飞来的反电子（亦即正电子）在黑点遭遇。两者彼此消灭对方，生出两个光子，以光速向相反的方向飞去。 [15]

◎图30

在亚原子世界里，凡是一件事情发生，就叫作一个“事件”。在费曼图解里面，事件用黑点表示。凡是亚原子事件都有初始粒子的湮灭以及新粒子的创造为标记。不只粒子与反粒子如此，在亚原子世界，只要是事件，莫不如此。

了解这一点以后，我们再回头看图30，眼光就不一样了。我们前面说，这是一个电子从空间飞过，中途放出一个光子。光子改变了它的动量，于是它向左边飞去，光子向右边飞去。但是，我们现在既然知道亚原子世界的“事件”了，我们就可以说，图30的情形也有可能是一个电子从空间里飞过，放出一个光子以后就湮灭，而从黑点向左飞的电子事实上是新造出来的。因为所有的电子都一样，所以这个解释到底对不对无从知晓，但是如果假设原来的粒子消灭，新的粒子产生，这种假设会比较简单，比较一致。这个假设之所以可能，完全是因为亚原子粒子的难以分别所致。

◎图31

还记得上一章讨论到一个典型的气泡室粒子互动。这种互动过程在费曼图解是这样的（图31）：

这一次事件里，有一个带负电的π介子与一个质子相撞，两皆湮灭。然后它们的存在能量（质量）和运动能量创造了蓝姆达粒子和中性的K介子这两个新粒子。这两种粒子很不稳定，生命不到十亿分之一秒，于是立刻衰变为别的粒子。（粒子的衰变期请见本书后面附表。）其中中性的K介子衰变为一个正电π介子和一个负电π介子。不过，蓝姆达粒子才有趣。因为，蓝姆达衰变出来的是原来的两个粒子——负电π介子和质子。这简直就像把两部玩具汽车压碎之后，不但没有化为碎片，还跑出更多的玩具汽车，甚至其中一些比原来的还大。

亚原子粒子永远在参与这种绝无休止的生灭之舞。事实上，亚原子粒子就是这个绝无休止的生灭之舞。然而，这个20世纪的发现，连带它那开拓人类意识的一切含义，并不是新的概念。事实上地球上有很多人都是这样看他们的实在界的，其中自然包括印度教和佛教徒。

印度教的神话事实上即是微观的科学发现在心理领域上大规模的投射。在印度教里面，湿婆、毗湿奴等神祇一直舞着宇宙的创造与毁灭。佛教，法轮象征着生、死、再生……永不停止的过程。生、死、再生都是色相（形式）世界的一部分。色相的世界是空，是形式。

现在且让我们假想有一群年轻的艺术家建立了一个新的、革命性的画派。他们的作品非常独特。他们把作品拿给一家历史悠久的博物馆的馆长看。馆长看了以后点点头说等一下。他回来时，手上拿了一些很古老的图画，然后把这些画摆在年轻画家的作品旁边。年轻艺术家看了以后不禁后退。因为，他们的新艺术和这些旧艺术实在太像了。这些革命家在他们的时代，以他们的方式，发现了很古老的一个画派。

又是反粒子

现在我们再回头看看图30电子与质子湮灭的费曼图解。假设我们用箭头向上表示粒子（电子），箭头向下表示反粒子（正电子）。这样图30就变成这个样子（图32）：

◎图32

时间当然只有往一个方向前进，在时空图上这就是往上。这一个单纯的习惯给了我们一个很简单的方法分辨粒子与反粒子。这就是说，在时间里往前移的世界线属于粒子，往后移的属于反粒子。（光子因为是自己的反粒子，所以没有箭头。）

可是费曼在1949年发现，这个习惯可不只是人为的东西。他发现，在时间里向前传播的反电子场，与向后传播的电子场，在数学上完全一样！换句话说，根据量子场论，反粒子就是在时间里后退的粒子。反粒子不一定就得视为时间里后退的粒子，可是这样看反粒子是最简单、最对称的方法。

譬如，由于从箭头就可以分别粒子与反粒子，所以我们可以将费曼图解随意转动，仍然可以分辨粒子与反粒子。图33是改变费曼图解位置的几个例子。

◎图33

这些改变每一个都可以成立为一个图解，代表一次粒子与反粒子的互动。 [16] 将原始费曼图解转完一圈，我们也就呈现了一个电子、一个正电子、两个光子之间每一种可能的互动。费曼图解的准确、简单、对称，使它成为别具一格的诗。

◎图34

以上所说都是一个事件的费曼图解。下图（图34）是一个两个事件的费曼图解。两个光子在B碰撞，产生一对电子偶（亦即一个电子和一个正电子成对）。然后，一个电子和一个正电子在A彼此消灭对方，造出两个光子。本图的左半部，也就是A点上的互动与图33（中）的电子——正电子湮灭完全一样。

如果依照以前的情形，我们会这样来解释这两个事件：两个光子在右下方B点碰撞，产生一对电子偶。电子向右方飞去。正电子向左方飞去，在A点与一个左下方飞来的电子碰撞，两者彼此消灭对方，造出两个光子，彼此方向相背飞去。

可是，如果依照量子场论，这两个事件的解释就简单多了。依照量子场论的解释，这里面全部只有一个粒子——一个电子。这个电子从左下方进入，一直在时间与空间里前进，然后在A点释出两个光子。这改变了它在时间里前进的方向，使它在时间里变成后退的正电子。这个在时间里后退的正电子在B点又吸收两个光子，再度改变方向，再度变成电子。照量子场论的解释，这里面的粒子只有一个，并不是三个。这个粒子从左到右先是在时间里前进，然后在时间里后退，接着又在时间里前进。

不过，这只是静态时空图像的一个典型。爱因斯坦的相对论描述的时空并非如此。在这个静态的时空图里，时间还有意义，可是在真正的时空里，时间就没有意义了。如果我们检查全部的时间能够像检查空间一样，我们就会发现事件并非顺着时间之流，一件一件揭露，而是一次完全呈现，好比时空上一幅画已经完全画好一样。在这幅画上面，在时间里向前或向后运动都没有意义。有意义的是空间里的向前或向后运动。

时间的幻象

◎图35

事件在时间里“发展”的幻象，是我们自己知觉的方法造成的。我们的知觉方法只让我们看到整个时空情景里很狭窄的一带。现在假设我们拿一张纸，在纸上剪一道狭窄的开口，然后覆盖在图34上面。这样，我们看得到的，就只有整个粒子互动的一小部分。情形如图35。我们把开口由下往上逐渐移动，于是我们这个有限的视野就看到一连串的事件，一件接着一件发生。

起先〔图35（1）〕，我们看到的是三个粒子。其中两个光子从右方进入我们的视野，另一个电子从左方进入。接下来图35（2），我们看到这两个光子碰撞，产生一对电子偶，其中电子向右方飞去，正电子向左方飞去。最后图35（3），我们看到这个新正电子与最先的电子碰撞，又产生两个新的光子。

可是这是我们从纸的开口（亦即我们的人为建构）看到的情形。一旦把纸拿开，我们就一眼看到全部的情景。

德布罗意说：

在时空里，构成我们的过去、现在、未来的一切，都是积木……随着时间的过去，每一个观察者一直在“发现”新的一块时空。对他而言，这一块一块的时空即是物质世界的连续象。但是，事实上，构成时空诸事件的整体早在他认识它们之前就存在了。（注一）

“等一下，”一位粒子物理学家刚好经过，津得微就问他，“在时间里来回运动，说得容易，我就从来不曾在时间里回去过。如果粒子能够回去，为什么我就不行？”

熵

若要物理学家回答这个问题，答案很简单。物理学家说，宇宙的任何一个部分都有一个混乱〔叫作“能趋疲”（entropy）〕的倾向在逐渐增强。这个倾向的扩张以秩序〔叫作“反能趋疲”（negentropy）〕为代价。 [17] 譬如说，假设我们在一杯清水里滴进一滴墨水。一开始的时候，墨水在水里的存在是很有秩序的。也就是说，它所有的分子都聚集在一个很小的区域，与水分子有明显的区隔。

可是，随着时间的流逝，自然的分子运动会使墨水分子与水分子逐渐混合，到最后整杯水就变为一团黑水，其中没有任何结构或秩序，只有一种毫无生气的一致（最高“能趋疲”）。

这其中，经验使我们把“能趋疲”的增加和时间的向前运动联系在一起。如果我们在电影上看到一杯黑黑的水越来越清，到最后所有的外来物质全部集中在接近水面的一点，这时我们知道，这只是影片倒放而已。在理论上，这种事情是可能发生的，但是因为或然率（概率）实在太低，所以（或许）绝不会发生。简而言之，时间是向着高概率的方向前进的，而高概率的方向也就是“能趋疲”不断增加的方向。

“能趋疲不断增加”的理论叫作热力学第二定律。热力学第二定律是一种统计式的定律。这意思就是说，一个状况里要有很多实体，这个定律应用起来才会成立。大体而言，因为个别的亚原子粒子皆视为概念上孤立的、短命的实体，所以热力学第二定律不能应用在它们身上。 [18] 但热力学第二定律的确可以应用在分子上；比较起来，分子比亚原子粒子复杂多了。热力学第二定律当然也可以应用在活细胞、人上面。活细胞比分子更复杂，人又是由几十亿个细胞构成的。但是，到了亚原子或者量子的层次，所谓时间向前流动就完全失去意义。

讲到时间的流动在量子层次失去意义，有一种思维外加一些证据，证明意识在最基本的层次上是一种量子过程。譬如说，已经适应黑暗的眼睛就可以看到单个的光子。如果真是这样的话，那么我们便可以想象，如果我们的知觉扩展到连以前它通路（瑜伽行者控制身体温度和脉搏的通路）之外的机能都有了的话，那么，我们便可以知觉到（经验到）这些过程的本身。如果，在量子层次上时间的流动没有意义；如果，意识在基本上是一种相似的过程；又如果，我们可以靠我们的内在感觉到这些过程，那么，说我们可以经验到时间的消失也就可以理解了。

如果我们能够经验我们的心灵最根本的机能，又如果这些机能本质上都是量子的，那么我们原来的时间与空间的概念就完全不适用了。（就好比不适用于梦境一样。）这样的一种经验将很难用理性的语言描述（“一粒一世界”“瞬间即永恒”等），却非常真实。因为这个道理，所以对于东方那些灵性上师以及西方那些吸食LSD的人所说的时间的弯曲和消失，我们也许不宜斥为无理。

虚光子

亚原子粒子并不是光坐在那里，什么事都不做。亚原子粒子非常活跃。譬如说电子。电子就一直在释出和吸收光子，可是这些光子是翅膀长不硬的。这些光子总是“看不见，看见了……”地变来变去。它们真的是光子——除了不能自己飞。电子一把它们放出来，就立刻又吸回去，所以它们通通叫作虚光子。这里“虚”的意思是指“事实上不是这样，但效应或本质上是这样”。这些光子确实是光子，只不过电子总是一放它们出来，就立刻吸回去，使它们翅膀长不硬罢了。 [19]

换句话说，起先是有一个电子，然后是一个电子和一个光子，接着又只有一个电子。这种情况当然违反质能守恒定律。质能定律说我们不能无中生有。但是，量子场论却说我们可以无中生有，只是“有”的时间甚短，只有一千兆分之一秒（10-15 秒）。 [20] 根据量子场论，这种情形之所以可能发生，道理在于海森伯的不确定原理。

照它原来的构成，海森伯不确定原理是说，我们越确定粒子的位置，就越不确定它的动量；反之亦然。我们的确能够准确地判定粒子的位置，不过这样一来我们就完全无法判定它的动量。如果我们想准确地判定它的动量，我们就完全无法判定它的位置。

除了位置和动量彼此不确定，时间和能量也是彼此不确定。关于一个亚原子事件，我们越确定涉及其间的时间，就越不确定涉及其间的能量（反之亦然）。前面我们说到一个光子的释出与吸收时间是一千兆分之一秒。这个时间测得这么精确。但是，时间测得这么精确，却使我们再也难以确定其中涉及多少能量。正因为这样的不确定，质能守恒定律管理的收支账才不至于混乱。换另一种说法，因为这个事件来得快去得也快，所以电子大可不必把它计算在内。

这种情形就好比有一个警察在维持质能守恒定律，可是如果有人违反这个定律，但很快就过去，他就不予理会。

然而，事实上，违规越严重，就必然发生得越快。如果我们提供必要的能量给一个虚光子使它变成一个真光子，它就不会违反质能守恒定律。我们这样做，虚光子就这样做。所以激动的电子释出的就是真光子。所谓激动的电子，就是它所在的能阶高于基态。电子的基态就是它的最低能阶，这个最低能阶最接近原子核。电子在基态时只能释出虚光子，一经释出又立刻吸收回去，于是它就没有违反质能守恒定律。

电子把基态当作自己的家，但它不喜欢离家。它唯一离家的时候是多出一些能量把它推出基态的时候。在这种情形下，它最关心的就是赶快回到基态（除非它已经被推离原子核太远，变成了一个自由电子）。既然基态是一种低能状态，所以电子自然必须丢掉多余的能量，才能回到基态。所以如果电子所在的能阶高于基态，它就必须丢弃多余的能量——丢弃的形式就是光子，而这个丢弃的光子就是，电子的虚光子里面有一个突然因为电子多余的能量而一直存在，但也因此而没有违反质能守恒定律。换句话说，这一个虚光子突然“擢升”为真正的光子了。至于这个擢升的光子拥有多少能量，就由电子丢弃的多余能量是多少而定。（因为发现电子释出的光子能量都是一定的，所以量子论才成其为“量子”论。）

◎图36

电子四周总是蜂拥着一群虚光子。 [21] 如果两个电子十分接近，近到彼此的虚光子云都重叠了，那么其中一个电子释出的虚光子，可能就会被另一个电子吸收掉。下面是这样一种事件的费曼图解。（图36）

两个电子越接近，这种现象的发生就越多。当然，这种过程是一种双向道。两个电子都会吸收对方释出的光子。

这也是电子互斥的道理。两个电子越接近，交换的虚光子越多；交换的虚光子越多，它们的路径就偏离得越厉害。两者之间所谓的“排斥力”，只不过是这种虚光子的交换累积的效应罢了。在近接区域，虚光子交换增加；在较远区域，虚光子交换减少。如此而已。根据量子论，所谓“远处的作用”这种东西是没有的。有的只是虚光子的交换多或少而已。这种互动（虚光子的释出与吸收）的发生是有定点的。这个定点就是粒子的位置所在。 [22]

电磁力

诸如两个电子带相同电荷的粒子这样互相排斥，便是电磁力的实例。根据量子场论，事实上电磁力就是虚光子的互换。（物理学家爱说电磁力是光子“居间斡旋”出来的。）每一个带电的粒子都一直在释出并吸收虚光子，并且/或者与别的带电粒子交换虚光子。两个（带负电的）电子交换虚光子时，会互相排斥。两个（带正电的）质子交换虚光子亦然。可是一个质子和一个电子交换虚光子时，却互相吸引。

所以，自从量子场论发展出来以后，物理学家就逐渐用“互动”来代替“力”了。所谓“互动”，意指一件东西影响了另一件东西。在“虚光子互换”这样的脉络下，“互动”就比“力”准确多了。“力”只给电子之间的事贴上标签，其他什么事都没说。量子场论里面处理电子、光子、正电子的部分（也就是原来狄拉克的部分）就叫作量子电动力学。

虚光子即使是带电粒子，因为寿命极短，所以在气泡室里面还是看不见。虚光子的存在是用数学推论出来的。所以，说粒子以交换另外的粒子彼此施力，这种超凡的理论明显的是人的心灵“自由的创造”。自然界并不必然就是这个理论所说的这一回事。它只是一种思想建构，准确地预测了自然界下一步要做什么而已。可能有别的思想建构会做得一样好，甚至更好（不过物理学家实在想不出来）。但是，不论是这个理论或那个理论，我们最多只能说它是否成立；也就是说，我们希望它做什么，它做到没有。至于正确与否，我们没办法说。

我们希望量子论预测一个亚原子现象在某些条件下发生的概率。即便如此，量子论整体并不完全一致。但它实用的实在面使它成立。凡是互动，都可以有一个费曼图解。凡是费曼图解，都有一个数学公式与之对应；这个公式准确地预测了图解中所画的互动发生的概率。 [23]

汤川秀树

1935年，物理学毕业生汤川秀树（Hideki Yukawa）决心要把这个新的虚粒子论应用到强相互作用力上。

所谓强相互作用力，是使原子核聚集的力。强相互作用力不得不强，因为，与中子共同构成原子核的质子会互相排斥。由于是符号相同（+）的粒子，所以质子和质子之间都希望尽可能分开，这又是因为其中的电磁力的关系。可是虽说如此，但是质子在原子核内部却维持得十分靠近而又紧密。物理学家认为，与电磁力相比，能够这样抵抗电磁力，把质子捆绑在原子核上的，必定是很强的力。他们很自然地就决定把这种作用力叫作“强相互作用力”。

强相互作用力这个名字取得好。因为，强相互作用力比电磁力强上100倍。它是目前所知自然界最强的力。强相互作用力和电磁力一样，都是宇宙基本的黏胶。电磁力从内外一起维系原子（内则将电子拘在轨道上环绕原子核，外则使原子与原子形成分子），强相互作用力则使原子核聚合。

我们可以说强相互作用力有一点“肌肉肥大”。因为，强相互作用力虽然是目前所知自然界最强的力，可是它的力程也是目前所知自然界所有的力里面最小的。譬如说，一个质子如果逼近原子核，它就会开始感觉到自己与原子核内质子之间的电磁力在排斥它。这个自由质子越接近原子核内的质子，它们之间排斥的电磁力就越强。（譬如距离如果缩短为原来的1/3时，这种互斥的电磁力就增为原来的9倍。此时这种电磁力就会使自由质子的路径偏离。如果这个质子离原子核远，这种偏离就温和；离得近，这种偏离就厉害。）

可是，如果我们将自由质子向内推进约十兆分之一厘米，这个质子就会突然被一股比电磁力强100倍的力吸进原子核。质子的大小大约也是十兆分之一；这就是说，就算质子已经十分接近原子核，但是只要其间的距离还比自己的大小长度稍远，相对而言就不受强相互作用力的影响。但是，一旦越过这个距离，强相互作用力就会完全将质子压倒。

汤川最后决定用虚粒子来解释这种强大但力程甚短的“强”力。

汤川建立了这样的理论。他说，好比电磁场是虚光子“居中斡旋”出来的一样，强相互作用力也是虚粒子“居中斡旋”出来的。他说，电磁场即是虚光子的交换，同样地，强相互作用力即是另一种虚粒子的交换。电子从不懒散，一直在释出和吸收虚光子。同样地，核子也不是惰性的，一直在释出和吸收自己的虚粒子。“核子”就是质子或中子。因为这两种粒子在原子核里面都可以发现，所以都叫核子。两者因为非常相似，所以粗略说来，质子可以视为带正电的中子。

汤川从已经发表的实验结果知道强相互作用力的力程非常有限。他假设强相互作用力的有限力程即是核子从原子核释出的虚粒子的力程。于是他便着手计算一个虚粒子以几近光速的速度往返核子的时间。这种时间的计算使他得以运用时间与能量的不确定关系，来计算他的假想粒子的能量（质量）。

π介子

12年后，以及一次错误的判断以后，物理学家终于发现了汤川假设的粒子。 [24] 他们称之为介子。物理学家后来又发现，整个介子家族就是核子用来交换并组成强相互作用力的粒子。他们最先发现的介子是π介子。π介子有三种变体：正、负、中性。

换句话说，质子和电子一样，是非常活跃的。质子一直在释出并吸收虚光子，因而十分容易受电磁场的影响，质子也一直在释出和吸收虚π介子，因而十分容易受强相互作用力的影响。（譬如电子，凡是不释出虚介子的粒子都不受强相互作用力的影响。）

粒子的自我互动

电子释出虚光子，然后被另一个粒子吸去时，我们就说这个电子与这个粒子在“交互作用”。可是如果电子释出虚光子，然后又自己吸收回去，我们就说这个电子在与自己交互作用。因为这种自我互动，亚原子粒子的世界遂成了一个万花筒的世界。它们自己组成这个世界，在其中进行无休无止的变化游戏。

◎图37

质子和电子一样，可以有一种以上的自我互动。质子最简单的自我互动，就是在不确定原理容许的时间之内，释出又吸收一个虚π介子。这种互动与电子释出并吸收一个虚光子类似。一开始先有一个质子，然后是一个质子和一个中性π介子，然后又恢复到一个质子。下面就是这个过程的费曼图解（图37）：

因为所有的质子都是一个样子，所以我们也可以假设原来的质子突然消失，然后在同一个时间和空间点上又生出一个质子和一个中性的π介子。这个新的质子和π介子合起来的质量超过原来的质子，所以违反了质能守恒定律。这其中有一样东西（中性的π介子）凭空创造了出来但又瞬即消失（所以这是一个虚过程）。这个新粒子的寿命只限于经由海森伯不确定原理计算出来的时间。这种粒子突然出现，彼此消灭，立刻又创造另一个质子。用比喻的手法来说，只不过一眨眼之间，整个事情已经结束了。

质子自我互动还有另一种方式，那就是质子也能够释出并吸收正π介子。可是，当释出并吸收正π介子的时候，质子也暂时变成了中性。整个过程是，一开始先有一个质子，然后是一个中子（质量比原来的质子高），外加一个正π介子，然后又恢复到一个质子。换句话说，这是质子的几出舞蹈之一。这一出舞蹈一直在把它变为中性又再变回质子。下面是这一出舞蹈的费曼图解（图38）：

◎图38
◎图39

每一个核子四周都围着一层虚π介子云。这些虚π介子是它一直在释出又吸收的。如果质子太接近中子，以至于两者的虚π介子云重叠，中子就会吸去质子放出的部分虚π介子。下面是一个质子和一个中子交换虚π介子的费曼图解（图39）：

本图解的左半部是一个质子放出一个正π介子，自己暂时变成了中子。可是还来不及把正π介子吸回来，这个正π介子已经被邻近的一个中子吸去了。这种π介子被捕获使中子又变为质子。这种正π介子的交换使质子变为中子，又使这个中子变回质子。原来的两个核子互换角色以后再度紧密地结合了。

这就是一个典型的汤川交互作用。按汤川1935年建立的理论，强相互作用力即是核子之间多重的交换虚π介子。在近力程里面，交换的数量（力的强度）大，远的力程外交换的数量小。

同样的情形，中子从来不会光坐着不动。中子和质子、电子一样，一直在自我互动，释出并吸收虚粒子。中子和质子释出及吸收的都是中性π介子。下图是一个中子释出又吸收一个中性π介子的费曼图解（图40）。

◎图40
◎图41

中子除了释出中性π介子，也会释出负π介子。可是，中子释出并吸收负π介子的时候，自己也暂时变成了质子。一开始是一个中子，然后是一个质子加一个负π介子，然后又恢复为一个中子。下面是一个中子释出并吸收负π介子，变为质子，然后又变回中子的费曼图解（图41）。

◎图42

如果中子与质子太接近，彼此的虚π介子云重叠了，质子就会吸去中子释出的部分π介子。下面是中子和质子交换虚π介子的费曼图解（图42）。

这又是另一种强相互作用力交互作用了。本图的左半部，中子释出负π介子，自己变成质子，可是还来不及把负π介子收回，这个负介子就被邻近的质子吸走，使这个质子变成中子了。负π介子的交换使中子变为质子，使质子变为中子。这情形又和以前一样，一对核子彼此交换虚π介子以后，角色互换，然后又紧密地结合在一起。

强相互作用力的交互作用种类太多了。在强相互作用力的产生里，π介子虽然是最常交换的粒子，但别的介子（譬如K介子、艾塔粒子）的交换也是有的。所以，说起来，所谓“强相互作用力”是没有的，有的只是核子之间种种不同数量的虚粒子交换而已。

依照物理学家所说，宇宙基本上是由四种“黏胶”连接的。这四种黏胶除了前面讨论过的电磁力的强相互作用力，还有“弱相互作用力”和引力。 [25]

引力

引力是一种长力程的力。引力结合的是太阳系、银河、宇宙。可是在亚原子的层次上，引力小到可以不计，所以物理学家通常完全不予理会。不过未来的理论有望将引力包括在内。 [26]

弱相互作用力是四种力里面最不为人了解的一种。弱相互作用力的存在是从某些亚原子交互作用所需的时间推论出来的。强相互作用力很强，力程很短，所以强相互作用力的交互作用发生都很快，历时大约为10-23 秒。可是，物理学家发现，有另外一种粒子交互作用既不涉及电磁力，也不涉及引力；所需的时间又长了很多，大约为10-10 秒。因此他们从这个奇怪的现象推论出必然还有第四种力。由于他们知道这种力比电磁力弱，所以便称之为弱相互作用力。

这四种力由最强到最弱次序是：

强相互作用力（核子力）＞电磁力＞弱相互作用力＞引力

由于强相互作用力和电磁力都可以用虚粒子来解释，所以物理学家便假设弱相互作用力和引力也可以。与引力有关的粒子是重力子，物理学家已经将重力子理论化，但还未曾证明它的存在。与弱相互作用力有关的粒子是“W”粒子。关于“W”粒子，物理学家已经建立很多理论，但发现得不多。

相对于电磁力而言，强相互作用力的力程很有限。因为，相对于光子而言，介子的质量很大。还记得那个警察吗？他在维持质能守恒定律。如果有人违反这个定律的时间很短，他也可以睁一只眼闭一只眼。但是，违规越严重的，时间其实也越短。无中生有暂时产生介子，比无中生有暂时产生光子，更违反质能守恒定律。所以，介子的产生与吸收必然也要更快，才能受到时间与能量不确定关系的保护。虚介子的寿命很有限，所以力程也很有限。统御这种现象的大原则是这样的：力越强，中介粒子质量越大，力程就越短。强相互作用力的力程大约只有十兆分之一（10-13 ）厘米。如此，电磁力的力程就比强相互作用力大多了。但其实电磁力的力程是无限的，因为，光子根本没有静止质量！

虚粒子

“等一下”，津得微愿意和我们交换一下意见，他说，“这不合理。虚光子是放出来也快，吸回去也快。这样就不会违反质能守恒定律。对不对？”

“对。”一个粒子物理学家向回旋加速器走去时顺便回答他。

“既然是这样，那么一个粒子或者什么东西，既然是在一定时间之内，在不确定原理限定的时间之内，放出来又吸回去，那它的力程怎么有可能无限呢？这完全没有道理。”

津得微抓到了一个要点。乍看之下他说得没错，可是，仔细验证以后，就会发现这里面有一个很微妙的逻辑使电磁力力程无限有道理。不确定原理容许时间与能量（亦即质量）平衡，时间与质量平衡即可以免去质能守恒定律的限制。既然如此，虚光子因为根本没有（静止）质量，那当然全世界的时间都归它所有了。实际上就是说，它想到哪里就到哪里。换句话说，“真”光子和“虚”光子之间实际上毫无差别。一定要说有差别，那就是“真”光子的产生不违反质能守恒定律，而“虚”光子的产生则借着海森伯不确定原理，暂时避开了质能守恒定律。

大家常说，一个成功的物理理论在做非数学的解释时，听起来往往是多么“不真实”“象牙塔”，我们上面谈的就是一个好例子。之所以会这样，原因在于，物理理论如果想要比较准确地描述现象，就会越来越离开日常的生活经验（也就是越来越抽象）。不知道为什么，这种理论，譬如量子论、相对论，虽然高度抽象，准确程度却非常高。这些理论都是人类心灵自由的创造。若与日常生活经验有什么连接，那并不在于它们的严格形式的抽象内容，而是在于它们成立。 [27]

一种是转瞬即逝的、虚的（无—有—无），一种是“真”的（有—有—有），这两种状态不一样。佛教对于实相和我们看实相的方式也有分别。费曼曾说，（光子）之所以有实状态和虚状态的差别，完全是透视的问题：

……从一个观点看是实过程的，实际上有可能却是一个虚过程，发生的时间比较延宕。譬如，如果我们想研究一个实过程，例如光的散射，在我们的分析里，只要我们愿意，原则上我们都可以把光源、散射器以及最后的吸收器包括在内。我们会想象光源放光以前，这个过程没有光子出现……然后光源放光，光散射，最后由吸收器吸收……但是如果是这样，这个过程应该是虚的；因为，我们开始时无光子，结束时也没有光子。我们用我们为实过程建立的公式来分析这个过程，企图将这个分析切成一部一部，每一部分别对应光的发射、散射、吸收。（注二）

根据佛教的理论，实相本质上是“虚”的。实相里面看来是真实的东西，譬如树木、人，都是由有限的知觉方式产生的瞬间幻象。这个幻象是错将全面虚过程里的各个部分误认为“真实”（恒常）“事物”。“悟”就是明白“事物”——包括“我”在内——都是转瞬即逝的，虚的状态；没有分出来自己存在。未来是时间的幻象显示的幻象，“事物”即是过去的幻象与未来的幻象短暂的结合。

虚粒子释出虚粒子，这个虚粒子又释出粒子的虚粒子……这个过程就这样逐渐衰减下去。粒子自我交互作用就这样变得纠缠不清。下面是一个虚粒子（负π介子）暂时转变为两个虚粒子（一个中子和一个反质子）的费曼图解。（图43）（狄拉克1928年的理论预测了反质子，张伯伦和塞格雷于1955年证实。）

◎图43
◎图44

这是粒子自我交互作用最简单的例子。下图是一个质子在不确定原理容许的一瞬间跳的美妙舞蹈。这是福特在他的《基本粒子的世界》这本书里面画的图解（图44）。（注三）在这一个质子变为一个中子和一个π介子，然后又变回质子之间，总共有11个粒子瞬间出现又消失。

质子从来不会坐着不动。质子一方面在质子与中性π介子之间变换，一方面也在中子和中性π介子之间变换。中子也不会一直只是中子，中子一方面在中子和中性π介子之间变换，一方面也在质子和负π介子之间变换。负π介子也不会一直是负π介子，负π介子一方面在中子和反质子之间变换，一方面……总之，换句话说，所有的粒子潜在里（按照一个概率）都是别的粒子的组合。每一种组合都有一个发生的概率。

量子论处理的就是概率。根据量子论，每一种组合的概率都可以准确地计算出来；可是这里面哪一个组合会发生，则纯属偶然。

所有的粒子潜在里都是别的粒子种种的组合。这种量子观与一种佛教观不谋而合。根据《华严经》所说，物理实相的每一个部分都是其他所有部分共同构成的。《华严经》用因陀罗的网（Indra’s net）来说明这种情形。因陀罗的网是挂在因陀罗神宫殿的宝石网。

用一个英国学者诠释的话来说：

据说，因陀罗的天上有一个珍珠网。这个珍珠网的排列使你只要看其中的一颗，就会看到其他所有珍珠反映在里面。一样的情形，这个世界的每一件东西并不是只有自己。这个世界，每一件东西都和其他东西有关。事实上每一件东西即是其他的一切东西。（注四）

根据大乘佛教，万事万物相成相生因而才出现物理实在界。 [28]

我们这本书虽然不是专论物理学与佛教的关系，不过两者之间——尤其是粒子物理学与佛教——实在有很多地方相近，又相近得叫人惊奇，所以两边的读者都必须去发现另一边的价值。

◎图45

下面是一个三个粒子交互作用的费曼图解（图45）。这是粒子物理学最叫人大开眼界的一面。

真空图解

这次的交互作用里面，既没有世界线上去，也没有世界线出来。纯粹因为发生，所以发生。这次的交互作用没有道理，没有原因，反正就是从无有之处发生了。这三个粒子在无有之处自动地存在了一下子，然后又消失得无影无踪，无迹可寻。讲这种交互作用的费曼图解叫作“真空图解”。 [29] 之所以叫真空图解是因为这种交互作用刚好在真空里发生。“真空”，按照我们一般的理解，是一个全空的空间。可是真空图解却明白地显示没有全空的空间这种东西。事实上，从这个空间中有某种东西出来，然后这种东西又在这个空间立即消失。

到了亚原子领域，真空显然就不再空了。既然如此，那么所谓全空的、不毛的、寸草不生的“真空”的概念又是哪里来的？说起来，原来都是我们自己造出来的。真空这种东西在真实的世界里是没有的。那是一种思想建构，一种理想，但我们误以为真。

“空”与“满”的区别和“有”与“无”一样，都是一种假的区别。那是一种经验的抽象，但我们误以为那是经验本身。或许是因为我们活在我们的抽象中太久了，我们不再知道抽象是由真实世界汲取出来的。我们把抽象当成了真实的世界。

真空图解是科学认真而充满幻想的产物。可是真空图解也提醒我们，我们可以在知识上创造自己的“实相”。照我们平常的概念，“真空”里不可能出现任何“东西”。可是真空图解告诉我们，在亚原子领域，“真空”里可能出现“东西”。换句话说，“真空”（或“无”）这种东西是没有的，有的只是我们这个爱讲范畴的脑筋创造的概念而已。

大乘佛教的主要经典是《大智度论》，有12卷，其中最重要的是《心经》。《心经》有一个大乘佛教最重要的观念：

……色即是空，空即是色。

下面是一个六种粒子交互作用的真空图解（图46）：

◎图46

这个图解描述的是空变色、色变空的美妙舞蹈。或许智慧的东方人说的没错，色即是空，空即是色。

不论如何，真空图解呈现的是“有”变“无”、“无”变“无”的非比寻常的转变。这种转变在亚原子领域里一直在发生，只受不确定原理、守恒律、概率的限制。 [30]

守恒律

守恒律总共有12个。有的每一种亚原子粒子交互作用都受到限制，有的只限制几种亚原子粒子交互作用。这里面有一个简单的大原则，那就是，力越强，它的交互作用越受守恒律限制。譬如，强相互作用力交互作用受所有12个守恒律的限制，电磁力交互作用受11个守恒律的限制，弱相互作用力交互作用只受8个守恒律的限制。 [31] 重力交互作用物理学家尚未研究（因为还没有人发现重力子），不过可能违反更多守恒律。

不过，虽说如此，在守恒律管辖的范围，守恒律仍然是构成粒子交互作用一切形式的规则，不可违反。譬如，质能守恒定律就决定所有自生自发的粒子衰变都是“下坡”（downhill）的。这就是说，当一个粒子自发地衰变时，总是变为比较轻的粒子。这个较轻的新粒子的总质量总比原来的粒子的质量小。原来旧粒子与新粒子所差的质量已经转变为新粒子的动力能，让它飞走了。

“上坡”的交互作用只有在旧粒子除了原有的存在能量（存在能量就是质量），已经现成备有动力能的时候才有可能。因为，备有动力能才能创造新的粒子。譬如两个质子碰撞就会产生一个质子、一个中子、一个正π介子，这三个新粒子的质量比原来的两个质子大。之所以会这样，是因为抛射质子的动力能，在创造新粒子的时候进入的缘故。

除了质能守恒，动量在所有的粒子交互作用当中亦守恒。粒子进入交互作用时，它携带的总动量必然与出来时相等。之所以一个粒子自发的衰变才会至少产生两个新粒子，原因是，既然一个粒子静止时动量为零，如果它只衰变为一个粒子然后飞走，这个新粒子的动量就必然超过原来的粒子。但如果至少产生两个粒子，因为这两个新粒子会往相反的方向飞，所以两者的动量抵消，总动量依然为零。

在所有的粒子交互作用里，电荷亦守恒。如果进入交互作用的粒子总电荷是正二（+2，譬如两个质子），离开时必然也是正二（此时正负粒子已经彼此抵消）。除了以上所说的电荷等守恒，自旋亦守恒。当然，要使书本的自旋守恒比电荷守恒复杂多了。

除了以上种种守恒，量子数亦守恒。譬如，如果有两个重子（例如质子）进入交互作用，那么所产生的新粒子里面必然也要有两个重子（譬如一个中子和一个蓝姆达粒子）。

质子之所以是稳定粒子（即不会自发衰变），由这个重子数守恒律外加质能守恒律就可以“解释”。自发的衰变必然是下坡的，否则无法满足质能守恒定律。但是，因为质子是最轻的重子，所以，质子如果向下坡衰变，就必然违反重子数守恒。质子果真自发衰变，就会变成比自己轻的粒子。但是比质子轻的重子是没有的。换句话说，质子如果衰变，我们这个世界就会有一个比较轻的重子。这种事情从来不曾有过。物理学家到目前为止能够用来解释质子稳定的，就只有（重子数守恒）这个方案。另外一个类似的轻子数守恒解释了电子的稳定。（电子是最轻的轻子。）

在我们所说的12个守恒律里面，有一些确实是“不变的原理”。所谓不变的原理，是指“即使条件改变（譬如实验的地点改变），所有的物理定律仍然成立”的法则。我们可以这么说，“所有的物理定律”都是一个不变的原理的“守恒量”。譬如时间的反转就是一个不变的原理。根据这个原理，一个过程若要可能，就必须能够在时间内反转。譬如，如果一次正电子—电子湮灭会产生两个光子（确实可以），那么两个光子的湮灭也要能够产生一个正电子和一个负电子才可以（确实可以）。

对称

守恒律和不变原理是基于物理学家所说的“对称”。空间无论是在哪一个方向，在什么地方都是一样（前者叫等向性），后者叫均匀。这就是对称的例子。时间的均匀是另外一个例子。这种对称的意思无他，不过是说今年春天在波士顿进行的一项物理实验，明年秋天在莫斯科再进行一次，结果还是一样。

换句话说，物理学家如今相信，最基本的物理法则，守恒律和不变原理等，基础都在于我们的实在界。不过这个实在界因为基础属性太强了，所以反而从来就不受注意。但这（也许）并不是说，物理学家花了三百年才知道即使我们把电话在全国移来移去，也不会使它变形或变大变小（因为空间是均匀的），不会使它颠倒（因为空间是等向性的），也不会比原来多出两个礼拜（因为时间是均匀的）。每一个人都知道我们的物理世界就是这样建造的。亚原子实验在哪里在何时进行都不是重要的数据。物理定律不会因时因地改变。

不过我们确实有一个意思是说，物理学家花了三百年的时间才明白，原来最简单最美丽的数学结构存在于这些清楚明白的情况里，一点都不难接受。

夸克

大略说来，理论物理学分为两派。一派循旧方法思考，一派循新方法思考。前一派不理会“两面镜子”的困境，继续寻找宇宙的“积木”。

就这些物理学家而言，到目前为止，最可能当选“宇宙最终积木”的候选者是夸克。夸克是一种假设的粒子，1964年由盖尔曼（Murry Gellman）建立理论。夸克这名字来自乔伊思（James Joyce）的小说。

盖尔曼的理论说，所有已知的粒子都是由几种（12种）夸克种种组合组成的。很多人都在寻找夸克，可是到目前为止还没有人发现。夸克是很狡猾的粒子（现在已知的粒子以前也是一样），有些特性很奇怪。譬如说，它的电荷（理论）有说是1/3单位的。在以前，粒子凡是发现时，电荷从来没有不是整个单位的。不久的将来，夸克大追寻将令人兴致高昂。但不管将来发现的是什么，有一件事已经确定，那就是，夸克的发现将打开一个全新的研究领域，这个领域就是：“夸克是什么做的？”

至于依循新方法研究的物理学家，因为他们用来了解亚原子现象的方法太多了，所以我们无法在此一一列举。在这一派物理学家里面，有一些认为空间和时间就是我们目前所认知的这些。戏、演员、舞台都是一个潜在的四度几何的各种呈现。有的物理学家（譬如芬克斯坦）则认为，“时间之下”有一些过程。他们在追寻这些过程。时间和空间这些经验实在界的布匹，就是从这些过程衍生出来的。不过这个理论到目前为止还只是思维，还未经“证明”（以数学表示）。

S矩阵理论

到目前为止，这种不眠不休追寻最后粒子的发烧病，最成功的起步就是S矩阵理论。在S矩阵理论里面，重要的是舞码而不是舞者。S矩阵理论和人家不一样；因为，S矩阵理论着重的不是粒子，而是粒子的交互作用。

“S矩阵”是Scattering Matrix（散射矩阵）的缩写。粒子碰撞时就发生散射。矩阵是一种数学表，S矩阵就是一种表示概率的数学表。

粒子碰撞以后发生的事有几个可能。譬如，两个质子的碰撞可能会产生：（1）一个质子、一个中子、一个正π介子；（2）一个质子、一个蓝姆达粒子、一个正K介子；（3）两个质子、六个什锦π介子等各种亚原子粒子的组合。这些（不违反守恒律）的种种可能的组合都有一个发生的概率。换句话说，这种种可能有一些经常发生，有一些不常发生。各个组合的概率又要看碰撞时，有多少动量带进碰撞区而定。

S矩阵将这些概率表列出来，表列的方式使我们只要知道一开始是什么粒子，这些粒子又带有多少动量，就能够查出或计算出这些粒子碰撞以后可能的结果。当然，粒子可能的组合太多了，如果要将所有的概率全部列出，S矩阵就会变得十分庞大。事实上物理学家的确也还没有列出这样一张完整的表。不过，由于物理学家每一次所关心的也只有S矩阵的一小部分，所以这并不是一件迫切的工作。整个S矩阵的这些小部分叫作S矩阵的元素。S矩阵理论的限度在于，到目前为止，它只适用于交互作用强的粒子（介子和重子）。若将介子和重子划为一群，则这一群粒子叫作强子。

下面是一次亚原子交互作用的S矩阵图解（图47）：

◎图47

这个图解很简单。圆圈是碰撞区。粒子1和2进入碰撞区，粒子3和4从碰撞区出来。这个图解没告诉我们碰撞点发生什么事。它只说有什么粒子进去，什么粒子出来。

S矩阵图解不是时空图解。S矩阵图解不说粒子在时间或空间里的位置。这是故意的。因为，我们不确知交互作用的粒子在什么位置。因为，我们决定要测量它们的动量，所以它们的位置便不可知了（海森伯不确定原理）。因为这个道理，所以S矩阵图解才会只说交互作用发生在（圆圈内的）某一个地方。S矩阵图解纯粹只是粒子交互作用的符号表示。

但是，一开始是两个粒子，结束时两个粒子的交互作用只是粒子交互作用的一种而已。S矩阵图解还有种种形式。下面是其中一些例子（图48）：

◎图48

S矩阵图解和费曼图解一样，都可以旋转。箭头方向的不同也区别了粒子和反粒子。下面是一个质子与一个正π介子互撞，产生一个质子和一个负π介子的S矩阵图解（图49）。

◎图49
◎图50

这个图解经过转动以后，变成一个质子与反质子湮灭，然后产生一个负π介子和一个正π介子的图解（这个正π介子即是原来的交互作用里那个负π介子的反粒子）（图50）。

图解每转动一次，描述的就是另一种交互作用的可能。我们现在举的这个S矩阵图解可以转动四次。凡是转动S矩阵的一个元素描述得到的粒子，全部都有密切的关系。事实上，凡是一个S矩阵图解呈现的粒子（包括转动以后发现的），全部皆是互相界定的。要说哪一个粒子才是“基本的”，这个问题毫无意义。

因为从一个交互作用产生的粒子总是立即涉入别的交互作用，所以S矩阵的个别元素，可以在图解上联结成一个相关交互作用网。（图51）这种网和所有的交互作用一样，每一个都和一个概率有关。这些概率都是可以计算出来的。

◎图51

根据S矩阵理论，“粒子”即是一个交互作用网的中介状态。S矩阵里的直线并不是粒子的世界线，而是能量流通的反应管。譬如中子就是一个反应管。一个质子和一个负π介子就可以构成一个中子（图52）：

◎图52
◎图53

可是，如果有比较多的能量，一个蓝姆达粒子和一个中性K介子也能够造出中子反应管（图53），其他好几种粒子组合也都能够做到。

简而言之，S矩阵理论根据的是事件（event），而非东西（thing） [32] 。舞者不再自成有意义的实体。事实上舞者除了互相界定，则无从界定。S矩阵理论里面只有舞码。

从牛顿以及他的苹果以来，我们已经走了很长的一段路。可是，苹果是清楚明白的真实世界的一部分。我们吃苹果的时候很清楚谁在吃，吃什么。这一切和吃这个行为有明显的分别。

我们把我们的经验形式用一个认识论的网罗织起来，“物体独立于事件而存在”这种观念即是这个网的一部分。我们毫无疑问地接受这个观念，所以我们觉得这个观念很亲切。这个观念深深地影响了我们看待自己的方式。我们总认为自己与他人和环境是分开的，这种根深蒂固的感觉根源即是这种观念。

科学思想史如果教了我们什么东西，那就是执着观念的愚蠢。在这一点上，它是东方智慧的回应。东方的智慧说，执着观念是愚蠢的。

注解：

[1] 　现阶段的高能理论有一点像是遭受哥白尼新世界观的压力而塌缩的托勒密天文学。现阶段的高能物理已经是一个庞大的理论结构，但是，新粒子和新量子数（譬如魅数，后面会讨论）的发现，就好比这个结构上面本来已经累积了很多周转圆，现在还要加上更多一样，怎么可能会不倒塌呢？

[2] 　已经适应黑暗的眼睛可以觉察到光子。除此之外，其他一切粒子都只能间接观察。

[3] 　除了气泡室物理学，还有核乳胶物理学、计数器物理学等。但是，气泡室可能是粒子物理学最常用的检测工具。

[4] 　我们平常的概念化习惯当中的那种质能二元论，在相对论或量子论的严格形式中是没有的。根据爱因斯坦的E=mc2 这个公式，能量就是质量；质量既不曾变为能量，能量也不曾变为质量。能量所在即是质量所在。质量的总量可以由E=mc2 算出，能量的总量守恒，所以质量亦守恒。这个质量以“重力场的一个起源”这个事实来界定。

[5] 　融合相对论和量子论的，除了量子场论，还有S矩阵理论。不过因为S矩阵理论对于亚原子现象的细节提供的信息很有限，所以现在只用在强子的互动上。S矩阵理论后面会讨论。

[6] 　意为“特别为一个目的而设的”——译注

[7] 　量子论的语言很准确，可是也很诡谲。譬如光好了。量子论从来就不曾说过光同时是波又是粒子。依照玻尔的互补原理，光就其前后的关系，有时候显示类粒子象，有时候显示类波象。我们不可能在一个情况里同时观察到类粒子象和类波象。不过，若想了解“光”，这两个互斥（互补）象缺一不可。就这个意义言，光既是波又是粒子。

[8] 　他写了一本最好的论粒子物理的通俗著作，书名叫作《基本粒子的世界》（The World of Elementary Particles ），1965年纽约Blaisdell出版。

[9] 　不过，因为爱因斯坦的公式E=mc2 说质量即是能量，能量即是质量，所以，严格说来，质量并非一种形式的能量，应该说能量不论是何形式皆是质量。因此，譬如动能亦是质量。给粒子加速并因而赋予它能量时，它所获得的质量正好就是必然的能量。凡有能量之处，质量亦如影随形。

[10] 　不过，现在物理学家用到轻子、介子、重子这些名词时，已经不光指粒子的质量。现在这些名词还指粒子的等级，而粒子的等级是依照质量之外的几个属性界定的。譬如说，斯坦福直线加速器中心和劳伦斯伯克利国家实验室合作的小组于1975年发现的τ粒子，虽然比最重的重子质量还大，可是似乎却是轻子。又譬如另一个合作小组于1976年发现的D粒子，虽然质量比τ粒子还大，可是却是介子。

[11] 　电荷特有的这一面似乎与夸克以及/或者磁单极的某些属性有关。

[12] 　粒子自旋这个问题“量”的（数学的）说明并不比非量的说明容易了解。斯坦福研究所分子物理学主任史密斯（Felix Smith）博士有一次跟我讲到他的朋友的故事。这个朋友，是一个物理学家，二战后在洛斯-阿拉莫斯（Los Alamos）工作。有一次他碰到一个问题。当时，伟大的匈牙利数学家纽曼（John von Neumann）正在那里担任顾问。于是他便去请教纽曼。
　　“这个简单，”纽曼说，“用特征法就可以解决。”
　　经过说明之后，物理学家说：“我恐怕还是不了解。”
　　“年轻人，”纽曼说，“在数学里面我们不了解事物，我们只使用事物。”

[13] 　基本的量子数有自旋、同位素自旋、电荷、奇异性、魅数、重子数、轻子数。

[14] 　这一类图解的原始图解是时空图解没错。不过，费曼发现，与时空描述成互补的“动量-能量空间描述”更接近碰撞实验的实际情形。两者的基本概念一样，不同的是动量-能量空间描述处理的是粒子的动量和能量，而非粒子的时空坐标。这两种描述的图解差别，在于动量-能量描述的图解可以旋转（后面会讨论到）。严格说来，本书此后的费曼图解除非另有说明，否则都是动量-能量空间描述。

[15] 　就图30而言，若详细分析黑点上的情形，我们可以看到一个两步过程。第一步是释出一个光子，第二步才释出另一个光子。技术上来说，这样的一个点如果连接三条以上的线，那么这种图解就不叫费曼图解，而叫曼德尔斯塔姆图解。

[16] 　图33的三种互动是：左，一个光子和一个电子湮灭，造出一个光子和一个电子（电子-光子散射）。中，两个光子湮灭，造出一个正电子和一个电子（电子偶创造）。右，一个正电子和一个光子湮灭，造出一个正电子和一个光子（正电子-光子散射）。

[17] 　entropy的中文术语叫“熵”，音同商。但“能趋疲”较为传神，且本书为行外读者而写，故取之——译注

[18] 　但是高能碰撞理论却应用热力学第二定律。而且，势里面也存有时间的可逆，这就是说，当粒子是用传导波函数来呈现时，这里面存有时间的可逆。时间的不可逆是人的测量程序造作出来的东西。

[19] 　从一种观点看，虚光子与真光子的不同之处，在于虚光子的静止质量不是零，只有零静止质量的光子才能逃脱电子。从数学上看待虚光子有两种方法，一种是旧式的微扰理论，一种是费曼微扰理论。前者是说虚粒子的质量与真粒子的质量一样，只是能量不守恒；后者则说虚粒子的能量-动量完全守恒，但是没有物理质量。

[20] 　这是一个典型的原子过程。若是高能虚光子，则生命更短。要点在于空间并非真“空”。空间有无限的能量。根据萨法提的看法，虚过程是由“反能趋疲”（信息）的超光速跳跃启动的。“反能趋疲”一时组成了一些无限真空能量来造成虚粒子。

[21] 　电子四周的虚粒子云里还有别的虚粒子，光子只是其中最普通的。

[22] 　然而，量子力学的本质似乎却在要求一种操作比光速快的、非动态的“远处的作用”。泡利不相容原理就是一个很好的例子，泡利不相容原理指出了“信号”虚光子交换之外的两个电子运动的关联。

[23] 　但事实上，每一个互动，其费曼图解往往是一连串的，无限的。

[24] 　1936年物理学家发现μ介子，看起来很像汤川预测的粒子。可是后来发现μ介子的属性完全不是汤川理论所说的属性。他的理论又经过11年以后才得到证实。

[25] 　最近的证据显示温伯格-萨拉姆理论（Weinberg-Salam theory）更加可信。温伯格-萨拉姆理论是说，电磁力和弱相互作用力实际上只是一种力在不同距离的粒子之间作用，因而有了不同的呈现而已。

[26] 　譬如并用2自旋及3/2自旋虚交换粒子的超重力理论。

[27] 　关于这一方面，见保罗·席尔普（Paul Schilpp）所编的《哲学科学家阿尔伯特·爱因斯坦》（Albert Einstein ，Philosopher-Scientist ），第一卷。纽约Harper＆Row1949年出版。

[28] 　和佛教与道家学者布罗菲尔德（John Blofeld）教授讨论以后，笔者相信，对于这个概念，《华严经》里面还有更好的比喻。在物理学上与佛教缘起论类似的，也许是杰弗里·周（Geoffrey Chew）的靴襻理论。

[29] 　布莱恩·约瑟夫森（Brian Josephson）、萨法提、赫伯特（Nick Herbert）各自都思考到人的感官系统可能可以检测到虚粒子舞蹈在真空里的零点真空波动——这种粒子活动是不确定原理所预测的。果真如此的话，这种检测可能是某种神秘的理解机制的一部分。

[30] 　守恒律的检核是绝对的，但是守恒律允许的，实际上有很多会遭到概率律的排除。

[31] 　这12个守恒律是能量、动量、角动量、电荷、电子数、μ介子数、重子数、时间反转（T）、结合空间反演与电荷共轭（PC）、时间反演个别（P）与电荷共轭个别（C）、奇异性、同位素自旋。
　　电磁力交互作用在力阶上向下走了一层，失去同位素自旋。弱相互作用力交互作用再下一阶，又失去奇异性、宇称、电荷共轭不变（不过PC联合还是成立），最后一阶是微观规模的重力子交互作用。这一步物理学家还没走。

[32] 　S矩阵理论关切的是事件在碰撞过程中的全部结果，而不是个别事物的发生。输出和输入反应管里的实体都有明确的界定（否则就无法界定S矩阵）。但是交互作用区内（圆圈之内）则一切皆是模糊、不明确的。“S矩阵哲学”，根据剑桥大学裘赛佛生的看法，“即是声明细节无可分析”。此外，卡普拉（Fritjof Capra）的《物理学之“道”》（The Tao of Physics ）对S矩阵理论有过一次通俗的讨论。

部六
悟理
（量子逻辑与贝尔定理）

第11章
超越两者

物理与悟道

物理和悟道有什么关系？物理和悟道看起来是分属于两个截然不同的领域。前者属于物理现象的外在世界，后者属于知觉的内在世界。但是，如果进一步检查，就会发现物理和悟道并不像我们认为的那样“各自为政”。首先，只有透过我们的知觉，我们才能观察物理现象，这是一个事实。两者之间有许多本有的相似，此其一端。

悟道使我们挣脱概念的束缚（挣脱无明的蒙蔽），直接知觉那完全无分别的实相无以言宣的本质。我们以前是这个“无分别的实相”的一部分，现在是，将来也是。问题在于我们看实相毕竟不如觉者。每个人都知道（是吗？），文字是事物的代表（“代”表）。文字不是事物，只是符号。若是根据悟的哲学，则一切事物皆是符号。符号的实相是幻象，可是我们却都活在这个幻象里面。

无分别的实相虽然无法用语言表达，可是（如果用更多的符号）还是能谈。对于不知不觉者而言，物理世界是由许多相离的部分组成的。可是若是根据世界各地的悟道者而言，这些所谓相离的部分事实上并没有相离。他们每一刻的悟（grace、insight、samadhi、satori）都在向他们揭示一切事物——宇宙所有相离的部分——皆是整体的呈现。实相只有一个，它是全体的、统一的，它是一。

我们前面已经说过，要了解量子物理学必须先修正我们平常的概念（譬如一件东西不可能同时是波又是粒子的概念）。但是，从现在开始，我们要明白，我们必须比以往更完整，甚至比以往不曾有过地改变我们的思想过程，才能了解物理学。我们前面已经知道量子会做决定，会知道别的地方发生的事情。但是，我们现在更要明白，量子现象的关系是这样密切，密切到以往斥之为“太玄了”的事物，现在成了物理学家认真谈论的东西。

简而言之，悟和物理都需要我们挣脱平常的思想过程（最后并且完全“超越思想”），并且知觉到实相的一体。两者在这之间有极多共通之处。

悟是一种存在状态。悟和每一种存在状态一样，都是无可描述的。一般人都有一种误解，错将存在状态的描述误认为存在状态本身。譬如说幸福。请你描述一下幸福，你会发现这是不可能的。我们可以谈，可以叙述随着幸福的状态而来的展望和行为，但我们无法叙述幸福本身。幸福和幸福的叙述是两回事。

幸福是一种存在状态。这意思是说，它存在于直接经验的领域里面，它能密切地知觉到感情和感觉。感情和感觉本身就是不可叙述的，所以它们构成的幸福状态也就不可叙述。“幸福”这两个字的标签，是符号。我们把它贴在这种状态上面。“幸福”属于抽象或概念的领域。存在状态是一种“经验”，存在状态的描述是一种“符号”。经验和符号的规则不一样。

贝尔定理与量子逻辑

物理科学是在量子逻辑这个令人肃然起敬的题目下发现这一点的。我们平常的经验和物理学法则，都不以为实相各相离的部分（譬如你、我、拖船等）有成立关系的可能，但这种可能性已经在贝尔定理的名下进入物理学。量子逻辑和贝尔定理带我们深入理论物理最远的边境。这两者就连很多物理学家都没听说过。

贝尔定理和量子逻辑（目前）的关系还没有建立。倡言其中之一者很少关心另一者，可是两者确实有很多相通的地方，两者在物理学上都是崭新的东西。当然，一般物理学家都认为激光核聚变和寻找夸克是理论物理学的新领域。这一点就某种意义而言没有错。但是，这些研究和贝尔定理与量子逻辑差别很大。 [1]

激光核聚变和寻找夸克是现有物理学范式之内的研究题目。范式是一种思想过程，一种架构。但是若就现有架构而言，贝尔定律理和量子逻辑就太过爆炸性了。前者告诉我们，所谓“自立的部分”这种东西是没有的，后者使我们从符号的领域回到经验的领域。宇宙的每一个部分都有密切而立即的关联，但是在以前，这种话只有悟道者和一些科学上令人痛恨的人物才会说。

冯·纽曼

量子论的主要数学元素，我们的故事的英雄，就是波函数。因为有波函数，我们才得以判定观察系统和一个被观察系统交互作用以后可能产生的结果。但是波函数拥有这么崇高的地位，并不只来自发现波函数的薛定谔。波函数的崇高地位也来自一位匈牙利数学家约翰·冯·纽曼（John von Neumann）。

1932年，纽曼出版了一本以数学分析量子论的著作，书名叫作《量子力学的数学基础》（The Mathematical Foundations of Quantum Mechanics ）。（注一）纽曼的这本书实际上是在问一个问题，那就是：“如果波函数这种纯粹数学的创造物果真应该描述真实世界的某种东西，这种东西会是什么样子？”他得到的答案我们在前面已经讨论过。

波函数是一只奇怪的动物，它会一直改变。每一瞬间都和前一瞬间不一样。它是自己描述的那个被观察系统所有可能性的合成。但并不是这些可能性随便混合而成，它是一种有机的整体，一方面是自己之内的事物，一方面是其中的各部分一直在变化。

这个自己之内的事物会一直发展，直到盲人在它所代表的被观察系统做了观察（测量）为止。如果这个被观察系统是一个“独自传导”的光子，那么光子和测量仪器（譬如照相图版）交互作用之后所有可能产生的结果，都会包含在代表这个光子的波函数里面。 [2] （譬如说这个波函数会包括在照相图版的A区检测到光子的可能性，在B区检测到光子的可能性，在C区检测到光子的可能性。）光子一开始运动，与光子有关的波函数就开始依照一个因果律（薛定谔波方程式）发展，直到光子与观察系统交互作用为止。波函数包含的所有可能性有一个就会在交互作用的这一刻实现，其余的立即消失。这些消失的可能性就是消失了，除此之外无他。这个时候，波函数这只纽曼一直想要描述的奇异动物会突然“崩塌”。这个波函数的崩塌意味着，光与测量仪器的交互作用可能产生的结果里面，有一个可能性变为一（发生了），其余的变为零（不再可能）。反正，这时候，在同一时间内只会在一个地方检测到光子。照这个观点来看，那么波函数并不是那么像是事物，可是却又不只是观念。它占据的位置很奇怪，介于观念与现实之间。一切事物在这里都可能，但都未成现实。海森伯将它与亚里士多德的“势”相提并论。

这种研究途径不知不觉间塑造了物理学家的语言，因而也塑造了大部分物理学家的思想。这其中包括那些认为波函数是一种数学虚构的物理学家。他们认为，波函数是一种抽象的创造，操作起来不论如何就是会产生真实事件的概率，在真实的（有别于数学的）时间和空间里发生。

不用说，这种途径当然也造成了很多问题。譬如说，波函数到底是在什么时候崩塌的？（测量问题）是在光子撞击到照相图版的时候？是在照相图版冲洗出来的时候？是在我们看照相图版的时候？再说，说崩塌又是什么东西崩塌？波函数崩塌之前又在哪里？所有这一切问题，纽曼当时说不清楚，如今还是说不清楚。波函数可以描述为一种真实事物——这样的波函数观一般都归之于纽曼。但是，“量子力学的数学基础”里面讨论了两种了解量子现象的途径，这种波函数不过是其中之一。

投射的命题

另一种途径纽曼比较少着力在上面，这种途径就是检查表达量子现象时不得不用的语言。在《量子力学的数学基础》这本书的“投射的命题”这一段里，他说：

……一方面是物理系统诸属性之间的关系，一方面是（波函数）这种投射，才使这一方面的一种逻辑微积分成为可能。可是，与一般的逻辑概念不同的是，这种物理系统是由“同时存在的可决定性”（不确定原理）扩展出来的，而“同时存在的可决定性”便是量子力学的特性。（注二）

量子论的崭新属性可以用来建立一种与一般的逻辑概念不同的“逻辑微积分”——纽曼认为这种看法是另一种可以将波函数描述为真实事物的途径。

可是除了这两种解释，大部分物理学家对波函数大多数采取另一种解释。他们认为波函数纯粹是数学的建构，是抽象的虚构，所以不代表现实世界的任何东西。不幸的是，这个解释还是没有回答这个问题：“如果是这样的话，那波函数预测概率时为什么那么准确，而且还可以经由实际经验证实？”事实上，如果将波函数界定为与物理实相完全无关，为什么波函数却是什么事都能预测？哲学上有一个问题是：“为什么心灵能够影响物质？”波函数的问题无疑是这个问题的科学版。

纽曼的第二种方法使他远远越过了物理学的疆界。他的简短著作指向了一种本体论、认识论以及现在才出头的心理学的融合。简而言之，纽曼认为，问题在于语言，这里隐藏着量子逻辑的胚胎。

说是语言的问题，纽曼便提出这个问题，那就是：“量子力学是什么？”为什么这么难解？力学研究的是运动，所以量子力学研究的就是量子的运动。可是，量子又是什么？按照字典的解释，quantum（量子）是东西的量。问题是，是什么东西的量？

一个量子就是一次行为。（一次行为？）问题在于，量子可以是波，也可以是粒子，但粒子绝不是波。除此之外，当量子是粒子的时候，它也不是一般意义的粒子。亚原子“粒子”不是“东西”。（我们无法同时判定它的位置和动量。）一个亚原子“粒子”（量子）是一组关系，或一个中间状态。这组关系或状态可以破坏，可是破坏之后生出来的却是更多一样基本的粒子。“……初次遭遇量子论若不感到震惊，”玻尔说，“就不可能了解量子论。”（注三）

但是，量子论并不是因为复杂才不好说明。量子论之所以难以说明，是因为，我们必须用来说明量子论的文字却是不足以说明量子论。建立量子论的几个人都很清楚这一点，也讨论了很多。其中譬如玻恩，他说：

我们不得不用一般语言来描述一个现象，不用逻辑或数学分析，而是诉诸景象的想象。这就是问题最终的起源。一般的语言都是随着日常经验成长，所以永远无法超越这个限度。古典物理学一直限制自己只使用这一类的概念。古典物理学分析可见的运动，由此发展出两种基本过程来呈现运动，一个是运动粒子，一个是运动波。若要给运动一个图画式的描述，除此之外别无他法。即使到了原子过程这个领域，我们还是得用，可是古典物理学就在这里塌缩了。（注四）

我们想把亚原子现象用视觉来想象时，遭遇到说明的问题——目前大部分物理学家都这样认为。所以，我们必须放弃“一般语言”的说明，限制自己只用“数学分析”。要学习亚原子物理学，我们必须先学数学。

“不用！”芬克斯坦说了。芬克斯坦是佐治亚理工学院物理学校教授。数学和英语、中文一样，都是一种语言，都是由符号构成的。“从符号得到的说明是最多的，但还是不完整。”（注五）亚原子现象的数学分析在“质”上面并不比其他符号的分析好。因为，符号的规则和经验不同，符号只有自己的规则。简单一句话，问题不在语言里面，语言本身就是问题。

经验与符号的不同就好比神话 [3] 与理念的不同。理念模仿经验，可是无法代替经验。它是经验的代替品，是死的符号以一对一的基础模仿经验建立起来的人为建构。古典物理理论就是理论与实相一对一对应的例子。

爱因斯坦说，除非真实世界的每一个元素在理论里都有一个明确的翻版，否则这个理论不能称其为完整。爱因斯坦的相对论（虽然是新物理学的一部分）就是最后的古典理论。因为相对论是与现象以一对一的方式建立的。他说，一个物理理论要与现象有一对一的对应才算完整。

不论“完整”的意思是什么，对于一个完整的理论而言，这样的条件都是必要的，那就是，物理实相的每一个元素在物理理论里面都有一个翻版。（注六）

量子论就没有这种理论和实相之间一对一的对应（量子论只能预测概率，无法预测个别事件）。根据量子论，个别事件的发生纯属偶然。量子论里没有理论元素来对应每一个真正发生的个别事件。所以根据爱因基坦的看法，量子论是不完整的。这就是爱因斯坦与玻尔论战的基本问题。

神话指向经验，但并不代替经验。神话和重智主义相反 [4] 。原始仪式（譬如足球赛）的颂歌是神话很好的例子。神话赋予经验以价值、新鲜、生气，但没有想取代经验。

至于理念，从神学上说来，理念就是原罪，就是吃知识的禁果，就是被赶出伊甸园。从历史上说来，理念就是文学革命的成长，就是口说传统诞生了文字传统。不管从哪一个观点看，（严格照字面说来）理念是一封无法投递的信。“知识，”卡明斯（E.E.Cummings）说，“是说死亡的礼貌字眼，但不是沉埋地下的想象力。”他是在说理念。 [5]

依照芬克斯坦的看法，我们的问题在于，只是用符号，我们无法了解亚原子现象或任何一种经验。海森伯说：

概念一开始是由特定情况和经验的综合汲出的抽象形成的。可是后来却得到了自己的生命。（注七）

直接的经验与虚构的语言

在符号的互动里迷失，就好比将洞穴里的影子当作洞穴外面的世界（亦即直接的经验）一样。对于这样的处境，解答在于用mythos（神话，虚构）的语言接触亚原子现象以及所有的经验，而非用理念的语言。

芬克思坦如是说：如果你想把量子看成一个点，你就中计了。你是在用古典逻辑塑造量子。整个的要点在于量子不会有古典的象征。我们要学会与经验一起生活。

问题：你如何与他人沟通这种经验？

答案：这种经验是不用沟通的。你只要说你如何制造量子，如何测量量子，别人就会有这种经验。（注八）

按芬克斯坦的看法，mythos的语言暗指经验但不取代经验，也不塑造我们对于经验的知觉。这种语言才是真正物理学的语言。这是因为，不但我们用于沟通日常经验的语言有一套规则，就连数学也有一套规则。这是古典逻辑。但是经验遵循的规则就宽容了许多。这是量子逻辑。量子逻辑不但比古典逻辑令人兴致高昂，也比古典逻辑真实。量子逻辑根据的不在于我们怎么想事物，而是在于我们怎么经验事物。

我们用古典逻辑描述经验（从开始学写字以来我们就一直在做这种事）的时候，可以说，我们就把眼罩遮在我们眼睛上了。眼罩不只限制我们的视野，甚至还扭曲我们的视野。眼罩就是我们所说的古典逻辑的那一套规则。古典逻辑的规则界定都很明确，很简单，唯一的问题是古典逻辑与经验不一致。

分配律

古典逻辑和量子逻辑最大的不同，在于古典逻辑的分配律这条规则。分配律是说，“A和B或C”的意思与“A和B，或A和C”的意思是相同的。换句话说，“我丢铜板就会出现正面或反面”的意思和“我丢铜板就会出现正面，或者我丢铜板就会出现反面”的意思一样。分配律是古典逻辑的基础，可是在量子逻辑上却不适用。这一点在纽曼的论著里最重要，却最不为人所知。1936年，纽曼和同事伯克霍夫（Garrett Birkhoff）发表了一篇论文，奠定了量子逻辑的基础。（注九）

在这篇论文里面，他们用一个物理学家都知道的现象做例子，证明了分配律的错误。他们由此借着数学告诉我们，由于真实世界的规则不一样，所以用古典逻辑无法描述经验（包括亚原子现象）。经验所遵循的规则被他们称为量子逻辑，符号遵循的规则被他们称之为古典逻辑。

芬克斯坦模仿纽曼和伯克霍夫的例子，对分配律的错误做了另一次证明。他的证明需要三片塑胶。你会发现这些塑胶是透明的，颜色接近太阳眼镜，事实上太阳眼镜用的就是这种镜片，只不过厚了一点而已。由于它的特性，这种镜片可以降低反光。这种镜片叫作偏光镜。偏光镜片的太阳眼镜当然就叫作偏光太阳眼镜。

偏光镜是一种很特殊的滤光镜。通常是把塑胶拉长做成的。塑胶被拉长以后，里面所有的分子全部都会被拉成长形，依相同方向排成直线。这些分子经过放大以后看起来如下图（图54）：

◎图54

就是这些瘦长的分子在光线通过的时候把光线偏折的。

◎图55

以波现象来了解光的偏折最容易。像太阳这种普通的光源，光波从其中发出的时候有各种“姿势”——垂直、水平和介于其中的任何角度。这不但只是说光会从光源向所有的方向发射，而且不管是什么光，它的光束里面一定有一些光波是垂直的，有些是水平的，有些是斜的，等等。对于光波而言，偏光镜仿如栏栅。光波是否能通过这道栏栅要看它的角度是否与偏光镜顺接而下而定。如果偏光镜排成垂直，那就只有垂直的光波能够通过，其他的光波全部被挡下来。（图55①）。所有通过垂直隔光镜的光波都排成垂直方向，这时这种光就叫作垂直偏振光。

如果偏光镜排成水平，那就只有水平的光波能够通过。其他的全部都被挡下来。（图55②）。所有通过水平偏光镜的光波都排成水平，这时这种光就叫作水平偏振光。

不管偏光镜如何排列，只要是通过的光波，全部都会按相同的角度排列。偏光镜上面的箭头所指的是通过的光线受到偏振的角度。这也就是镜片里的分子被拉长的方向。 [6]

◎图56

现在请你拿出一片偏光镜，使箭头朝上或朝下，这时凡是通过这片偏光镜的光线都垂直偏振了。现在请你再拿一片隔光镜放在这片偏光镜的棱面，箭头也是朝上或朝下。现在你会发现，除了因为镜片着色使光线稍微变弱，其他凡是通过前面镜片的光线，也都全部通过了后面的镜片。（图56①）

现在请你慢慢将其中的一片由垂直向水平慢慢转动。这时你会发现，通过这两片偏光镜的光线越来越少。等到你转动的这一片完全转为水平时，就完全没有光线通过了。（图56②）这是因为，前面的镜片只通过垂直隔振的光，后面的镜片只通过水平隔振的光，所以到最后是完全没有光通过。不论是前面的镜片垂直后面的镜片水平，还是相反，这种情况完全一样。偏光镜的秩序无关紧要。只要两片偏光镜一垂直，一水平，就完全没有光通过。

不论如何，只要两片偏光镜互成直角，就会阻挡所有的光线。这一对镜片不管怎么摆都没有关系。

完成这个步骤之后，现在请你再加上一片偏光镜，不过这次要依斜角摆设。先是加在原来两片偏光镜的前面（图57）。这时的情形是，原来的情况还是原来的情况。原来是完全没有光通过，现在还是完全没有光通过。现在请你把斜角摆设的偏光镜摆到最后面（图58）。这时的情况依然没有什么变化。原来没有光通过，现在还是没有光通过。

◎图57
◎图58

◎图59

接下来就是最有意思的一步了。现在请你把斜角摆设的偏光镜放在水平偏光镜和垂直偏光镜的中间。情况如何？情况是，当你按这样的秩序摆设偏光镜时，光线可以从前面全部通过这三片偏光镜！（图59）

换句话说，水平偏光镜和垂直偏光镜合在一起，对光线而言，就好比木门一样，是个障碍。两者之前或之后放一个斜角偏光镜完全不会改变这种情形。但是，如果斜角偏光镜是放在两者之间，光线就全部通过。只要一拿掉斜角偏光镜，光线又完全消失。因为水平偏光镜和垂直偏光镜又合起来阻挡了光线：

◎图60

全部的情况用图解表示，如图（图60）：

为什么会这样？根据量子力学所说，斜角偏振光并不是“混合”了水平偏振光和垂直偏振光。我们不能说这是斜角偏振光水平的部分通过了水平偏光镜，垂直的部分通过了垂直偏光镜。事情没那么简单。根据量子力学所说，真正的情形是，斜角偏振光是自立的自在之物。如果是这样的话，那么，一个自立的自在之物为什么能够通过三片偏光镜，却无法通过两片偏光镜？

我们只要想到光也是一种粒子现象，疑难所在立刻显现无遗。这就是说，光子如何能够分解成水平偏振的部分以及垂直偏振的部分？按照定义，这是不行的。

量子逻辑和古典逻辑有很大的差异。这个偏振光的疑难又在这个差异的心脏地带。这个疑难的形成，在于我们的思想过程遵循的是古典逻辑的规则。我们的智力告诉我们，我们刚刚看到的情形是不可能的（光子毕竟只能这样偏振或那样偏振）。但是，不论如何，只要我们在水平偏光镜和垂直偏光镜之间安插一个斜角偏光镜，原来没有光的地方就看到了光。我们的眼睛不知道它们亲眼所见“不可理喻”。这是因为，经验遵循的是量子逻辑的规则，不是古典逻辑的规则。

斜角偏振光的“自在之物”这种特性，反映了经验真正的本质。我们的符号式思想过程把“是彼就不是此，是此就不是彼”这种范畴强加在我们身上。这种思想过程永远要我们只与这个或者只与那个对峙，要不就要我们把这个和那个混合起来对峙。它会说，偏振光会是水平偏振或者垂直偏振，或者是水平和垂直混合偏振。但这是古典逻辑，是符号的规则。若是经验的领域，则无物只能这样，只能那样。在经验的领域，事情的选择永远不止一种，不过往往是无限多情况中的一种。

芬克斯坦讲到量子论的时候如是说：

这个游戏没有波的分，这个游戏遵循的方程式确实是波动方程式。可是此处无波打转（这是量子力学的一座巅峰），亦无粒子打转。此处打转的是量子——这是第三种选择。（注十）

让我们不要说得那么抽象。姑且想象我们在下棋，棋盘上有两个棋子，一个是将，一个是卒。如果这些棋子遵循的是量子现象的规则，那么我们就不能说，介于将和卒之间绝无他物。“将”和“卒”两端之间，会有一个造物，叫作“将卒”。“将卒”既非“将”亦非“卒”，亦非一半将一半卒粘在一起。将卒就是将卒。“将卒”是一种自立的自在之物。将卒不比那种德国牧羊人玩偶。德国牧羊人玩偶分得出牧羊人的部分和牧羊犬的部分，可是将卒分不出将的“部分”和卒的“部分”。

将和卒之间不止一种“将卒”。一种将卒是一半将，一半卒。又一种将卒是三分之一将，三分之二卒。再有一种将卒是四分之三将，四分之一卒。事实上，就每一种将和卒的比例而言，只要存有一种将卒，就会与其他将卒截然不同。

叠置

这种“将卒”，物理学家说是连贯的“叠置”。一件东西上面又加一件或好几件，叫作叠置。一张照片重复曝光是摄影家的毒药。但是，重复曝光的照片就是其中一个影像或另外一个影像的叠置。不过，连贯叠置不只是一件东西叠置在另一件东西上面。连贯叠置是一种自在之物，不但与自己的组成部分截然不同，它的组成部分彼此亦截然不同。

斜角偏振光就是水平偏振光和垂直偏振光连贯叠置而成。量子物理学多的是这种连贯叠置。事实上，连贯叠置所在，即是量子力学数学的心脏。在这里面，波函数即是连贯叠置。

每一次量子力学实验都有一个被观察系统，每一个被观察系统都有一个相关的波函数。一个被观察系统（譬如光子）的波函数，即是这个被观察系统与一个测量系统（譬如照相图版）交互作用之后，一切可能结果的连贯叠置。薛定谔波动方程式就是描述这一切可能性的连贯叠置在时间内的发展。不论什么时候，我们都可以用这个方程式计算这个自在之物，这个可能性连贯叠置的形式。这个可能性的连贯叠置被我们称为波函数。做完这一点之后，接下来我们就可以计算波函数所含的每一个可能的概率。这样我们就得到一个概率函数，概率函数由波函数算出，不过和波函数不同。简单来说，这一切就是量子物理学的数学。

换句话说，在量子论的系统陈述里，没有一样东西只是这样，或只是那样，介于其中别无他物的。物理毕业生通常学到的数学技巧是将每一个“这个”加在每一个“那个”上面，最后得到的结果既不是原来的“这个”，也不是原来的“那个”，而是一个全新的东西，叫作两者的连贯叠置。

根据芬克斯坦的看法，量子力学概念上最大的一个困难，把波函数（连贯叠置）视为真实的东西，并会发展、会崩塌是不对的。但是反过来说，以连贯叠置为纯粹的抽象，完全不代表我们平常遭遇的任何事物的观念也是不正确的。连贯叠置其实的确反映了经验的本质。

连贯叠置如何反映经验？纯粹的经验本来就不限于两个可能性。对于一个状况，我们思想上的概念化总是会为我们创造一种假象，以为一个两难的情况就只有两种设定。这个假象是因为我们认为经验遵循的规则和符号一样。在符号的世界里，每一件事情都只能是这样，或只能是那样。没有既这样又那样的。可是在经验的世界里，现成就有很多选择。

量子逻辑

譬如说有一个法官要在法庭上审判自己的儿子。法律只容许两种判决，也就是“有罪”和“无罪”。但是对于这个法官而言，他却可以多了一种判决，那就是，“他是我儿子”。所以，法律上禁止法官审判有个人关切的案子，无疑是微妙地承认经验绝不限于“有罪”“无罪”（或“善”“恶”等）范畴的选择。选择，只有在符号的领域才这么清楚明白。

有一个故事说，黎巴嫩内战的时候，一群士兵把一个美国人挡下来问话。他只要答错一个字就可能丧命。

“你是基督徒还是穆斯林？”士兵问他。

“我是观光客！”他叫着说。

我们问问题的方式往往欺骗了我们的答案。这个美国人因为恐惧死亡，因而一举突破了这种欺骗。同理，我们的思想方式也拿“只能是这样或只能是那样”的透视欺骗了我们。经验本身绝不这么狭窄。每一个“这样”和“那样”之间总是又有另一种选择。承认经验的这种特质是量子逻辑不可缺的一部分。

证明

物理学家跳的是一种外人不知的舞。跟他们相处或长或短，简直就是进入另一种文化。在这种文化里，每一种说法都要遭受挑战，说是必须“证明给我看！”

如果今天你告诉你的朋友说，“我觉得今天早上很棒”。我们知道他不会说“证明给我看”，可是，如果有一个物理学家说，“经验不受符号规则的限制”，他立刻就会拿出一个证明。真的尝试要证明了，他总是得先说：“我的意见是……”

不过，物理学家对别人的意见总是没什么感觉。不好的是，这样有时候会使他们思想狭隘——非常狭隘。你不跳他们的舞，他们不会与你共舞。

他们的舞码会要求，凡是断言，就要“证明”。“证明”并不证实一个断言“正确”（true，意思是指符合这个世界真实的情形）。“证明”只是一种数学表示，表示一个断言在逻辑上连贯。在纯数学领域里，一个断言可以和经验完全无关。只要有前后一贯的“证明”，数学家就会接受。没有，就排除。物理学亦然；但另外还要求断言必须与物理实相有关。

科学断言的“真理”和实相的本质之间好似很有关系，可是事实上完全没有。科学“真理”与“实相真正是怎样”完全无关。科学理论只要前后连贯，在经验间建立正确的关系（预测事件正确），就是“正确”的。简单来说，如果科学家说一个理论正确，他的意思就是说这个理论在经验间建立了恰当的关系，所以有用。每当碰到“正确”这两个字时，如果我们换成“有用”，其中恰当的透视里面就出现了物理学。

伯克霍夫和纽曼创造了一个“证明”，证明古典逻辑与经验相违。这个证明当然是奠基在经验上的。特别拈出来说的话，这个证明是以随偏振光的各种组合发生或不发生的事情为基础的。芬克斯坦把他们的证明略加修改，借来证明量子逻辑。

他的证明，第一步是实验水平的、垂直的、斜角的偏振光的各种组合。这一步我们已经做过。我们已经发现哪一次光的发射通过了哪一面偏光镜。光会通过两片垂直偏光镜、两片水平隔光镜、两片斜角偏光镜、一片垂直偏光镜与一片斜角偏光镜、一片水平偏光镜与一片斜角偏光镜。因为这些情况都是真正发生过的，所以叫作“容许跃迁”。同理，我们也发现光无法通过一片水平偏光镜与一片垂直偏光镜，以及这两种偏光镜互成正角的任何组合。这些组合就叫作“禁制跃迁”，因为光从来未曾通过这种组合。以上是第一步。

跃迁表

◎图61

第二步是把这些数据列出一个表，这个表就叫作跃迁表。右边就是这样的一个跃迁表（图61）：

左边一行字母代表发光。发光的意思无他，就是发光。在本表里面，发光就是灯泡发射光波。这一行字母每一个右边都有一个“）”记号，这个记号表示光的发射。譬如“H）”就表示水平偏光镜放出水平偏振光。上面的一列字母表示容许，容许表示接受发光。这一列字母每一个左边部有一个“）”记号，这个记号表示容许。譬如，“）H”就表示水平偏振光波到达眼球。

这一行一列字母里，0（零）以及通过0的直线代表“零过程”。这个零过程的意思是说，我们决定今天去看电影，不做实验了。所以零过程表示没有发光，完全没有。字母“I”代表“合一过程”。合一过程是一个过滤器，不过什么东西都通过。换句话说，“I”告诉我们的是一个全开的窗户通过了什么偏振光——所以其实是每一种都有。

另外是两种斜角偏振光，因为有两种才完整。“D”代表左倾偏振光，“D”代表右倾偏振光（图62）。

◎图62

我们在跃迁表里找一个我们有兴趣的发光。譬如水平偏振光H）好了，因为水平偏振光能通过另一面水平偏光镜，所以我们就在水平偏振发光线和水平偏振容许线交叉的方块里记一个“A”。水平偏振光也能够通过左倾斜角偏振光）D、右倾斜角偏振光）以及全开的窗户I，所以三者与水平偏振光交叉的方块都各记一个“A”。

请注意，由于水平偏振光无法通过垂直偏光镜，所以水平偏振发光线与垂直偏振容许栏）V交叉的方块是空的。空的方块表示禁制跃迁。所有的零过程方块都是空的。因为我们没有做实验，所以没有任何事情。所有的“I”方块都有“A”。因为，全开的窗户什么光都能通过。以上，做好这个跃迁表是证明的第二步。

第三步是为跃迁表上的资料画一张图解（图63）。这种图解叫作栅格。数学家用栅格来表示事件或元素的秩序。栅格很像我们研究家族根源用的家谱树。这种栅格里面，位置高的元素包含位置低的元素。线条表示通过谁，与谁有关联。

◎图63

栅格自然和家谱树不完全一样，不过却表示了相同的包含性的秩序。栅格的底部是零过程。由于零过程就代表没有任何种类的发光，所以零过程的下方就没有任何东西。再上一层是各种偏振状态，这一层的元素叫作单一态。单一态已经是我们对光波偏振可能做的最简单的陈述，无法更简单了。对于偏振状态，充其量我们只能说“这道光水平偏振”，除此之外，这句话再也不能告诉我们其他什么事情。这是“最多，但不完整的描述”，这是我们的语言本有的不足。

再上一层包含的是双重态。我们现在这个栅格里只有一个双重态。双重态包含了它下面一阶所有最多但不完整的描述——这一次简单的实验里，我们对光的偏振能说的就是这些，而这些全部都包含在这个双重态里了。栅格若是代表比较复杂的现象，层次也就更多，可能有三重态、四重态等。以上说的是一个最简单的栅格。不过，简单虽然简单，却已经很生动地显示了量子逻辑的本质。

首先，请注意图中的双重态。图中双重态I包含了四个单一态。在量子逻辑里这是常见的典型，可是对古典逻辑而言，这却是矛盾。因为，古典逻辑的双重态，照定义看，只有两个单一态，不多不少。量子论说，在每一个“这个”和每一个“那个”之间永远至少有另一个选择。栅格即是这种看法生动的显示。就现在这个栅格而言，这个栅格已经有两种选择（“D”和“ ”），可是没有画出来的却更多，每一个都是现成的选择。譬如说，D是斜角偏振45°的光，可是，光还可以有46°、47°、48½°等角度的偏振。所有这些偏振状态全部包含在双重态I里面。

古典逻辑和量子逻辑都用一个“点”代表单一态。至于双重态，古典逻辑是用两点代表，可是量子逻辑却用两点间画一线代表。换句话说，不只界定双重态的两点包含在双重态里，两点间的所有点也都包含在内。（图64）

◎图64

现在让我们再回到分配律。分配律说，“A和B或C”等于“A和B或A和C”。（制作跃迁表的全部目的，就是要用栅格证明分配律的错误。）

数学家用栅格图解来判断栅格里面哪些元素相关，又如何相关呢？（图65）

◎图65

元素相关的方式有“和”（and）与“或”（or）两种。如果我们要看的是两个元素“和”的关系是怎样的情形，我们就从这两个元素沿线“向下”走，一直到两者相遇为止（这个相遇的地方，数学家称之为“最大低限”）。譬如说，假设我们关心的是“H和D”，我们就从H同时从D沿线向下找，结果两者在相遇。这就是说，这个栅格告诉我们“H和D”等于Ø。又譬如我们关心的是“I和H”，我们从最高点的I沿线找，最后发现I和H的最低共同点是H。这表示这个栅格告诉我们“I和H”等于H。以上说的是“和”的关系。下面讲“或”的关系。

我们要从我们关心的元素沿线往上找，才能找到两个元素之间“或”的关系情形如何。在“或”的关系里，两个元素相遇的点叫作“最小上限”。假设我们关心的是“H或V”，我们就从H同时从V沿线往上找。结果发现两者在I相遇。这就是栅格告诉我们“H或V”等于I。同理，譬如我们关心的是“D或I”，我们就两者沿线往上找，结果两者在I相遇，这就是栅格告诉我们“D或I”等于I。以上就是“或”这种关系的情形。

这里面的规则很简单。找“和”的关系就向下找，找“或”的关系就往上找。

冯·纽曼对分配律的反驳

下面我们就要做出证明了。这个证明本身其实很简单，只是事先的说明复杂而已。古典逻辑的分配律说，“A和B或C”等于“A和B或A和C”。现在，如何看这条规则在经验上是否正确？首先，我们必须用真正的经验情况（譬如光的偏振）代入这条公式，然后再使用栅格方法。这样，我们的证明是这样进行的：古典逻辑的分配律说，“水平偏振光和垂直偏振光或斜角偏振光”等于“水平偏振光和垂直偏振光，或水平偏振光和斜角偏振光”。为了方便起见，我们把上面这些按照前面设定的缩写字母写成“H和D或V”等于“H和D，或H和V”。

有了这个等式，现在回到栅格上。我们先解决等式左边的“D或V”，我们沿线往上找（记住“或”的关系要往上找），发现两者在I相遇。所以，这就是栅格告诉我们“D或V”等于I，于是以I代替原来的“D或V”。这样，原来的“H和D或V”就变为“H和I”。有了“H和I”，我们再从H和I向下找（记得“和”的关系要向下找），结果发现两者的最低共同点是H。所以，栅格告诉我们“H和I”等于H。

简而言之：

“H和D或V”等于“H和D，或H和V”

“H和I”等于“H和D，或H和V”

“H”等于“H和D，或H和V”以上解决了等式的左边。

下面我们再来解决等式的右边。右边要先解决“H和D”。从H和D往下找，两者在相遇。所以“H和D”等于“Ø”。（图66）

◎图66

以“Ø”代换“H和D”，得出“Ø或H和V”。现在再来解决“H和V”。我们从H和V向下找，两者在相遇。所以，栅格告诉我们“H和V”等于“Ø”。以“Ø”代换“H和V”，等式的右边变为“Ø或Ø”。而栅格和常识都告诉我们“Ø或Ø”等于“Ø”

简言之：

“H”等于“H和D，或H和V”

“H”等于“Ø或H和V”

“H”等于“Ø或Ø”

“H”等于“Ø”

可是，“H”并不等于“Ø”！“H”是水平偏振光，“Ø”是一个非实验——也就是根本没有光发出。分配律不成立了！

这就是伯克霍夫和纽曼完成的又一个证明。这个证明尽管简单，可是很重要。因为，这个证明打破了一个千年的幻觉——错以经验和符号为规则一样的幻觉。回到原先的等式。除了没有代表“和”以及“或”这两个连接词的符号，这个等式在物理学家读起来已经变成这样：

“H和D或V”“H和D，或H和V”

“H和I” “Ø或H和V”

“H” “Ø或Ø”

“H”≠“Ø”

芬克斯坦的理论是一种“过程”的理论。量子逻辑不过是其中的一部分。依照这个理论的看法，宇宙的基本单位是事件或过程。事件以某些方式（容许跃迁）联结成网，这些网合起来形成更大的网。从这个阶梯式组织往上，就是各种网的连贯叠置。这个连贯叠置不是“这个网”，不是“那个网”，它自己自成明确的实体。

芬克斯坦理论里的基本事件在时间和空间里并不存在。这些基本事件优于时间和空间。照芬克斯坦的看法，时间、空间、质量、能量都是从基本事件衍生出来的第二性质。事实上，芬克斯坦最新的一篇论文就叫作《时间之下》（Beneath Time ）。

量子拓扑学

这个大胆的理论完全背离传统物理学和传统思想。芬克斯坦理论的数学叫作量子拓扑学。若与量子论、相对论那么复杂的数学相比，量子拓扑学实在非常简单。到目前为止，量子拓扑学还不完整（因为缺乏“证明”）。它也可能和许多理论一样，永远不可能完整。但有一点不同的是，它有一种潜在的可能，可能会彻底改变我们的概念架构。

纽曼发现我们的思想过程在真实世界上投射了虚假的限制。这个发现本质上就是使爱因斯坦找到广义相对论的发现。在广义相对论之前，大家都毫无疑问地接受欧几里得几何学，视之为宇宙的基本结构。可是爱因斯坦证明欧氏几何学没有这种普遍性。古典逻辑也有类似的情形。到目前为止，我们都毫无疑问地接受古典逻辑，视之为实在相本质的自然反映，可是伯克霍夫和纽曼证明古典逻辑并没有这种普遍性。

这种种发现里面蛰伏着一种觉悟，非常大的觉悟，那就是，人类心灵有塑造“实相”的力量，但这种力量到目前为止却依然不受怀疑。就这一点觉悟而言，物理哲学已经和佛教哲学不可分。佛教哲学，即是悟的哲学。

第12章
科学的结束

悟与统一

悟的状态非常重要的一面，是经验到一种无所不在的统一。这时，“这个”和“那个”都不再是分开来自立的实体，而是同一件事物不同的形式（色）。凡是事物，都是一种“显化”。不过如果你问的是“什么东西的显化”，这个问题就没有办法回答。因为，这个“什么”是超越文字、超越概念、超越形式甚至超越时间与空间的如如。凡是事物，皆是这个如如的显化。如如因为这样，所以这样。我们这样说着，而经验——这个如如的经验——就在这些文字之外。

如如借以自显的形式每一个无非圆满。我们自己是如如的显化。万事万物都是如如的显化，每一事物、每一个人都是十足圆满的如如。

14世纪的佛教徒隆钦巴说：

万事万物不过出现而已。

圆满自在，

无关善恶，

无关取舍，

吾人何妨放声一笑。（注一）

我们也可以说“上帝在天堂，一切事物又与世界相安无事”。不过从悟者的观点看，这个世界除了这样，还是这样。这个世界不好不坏，这个世界只因为是这样，所以是这样。因为是这样，所以就圆满地这样。除了这样，别无他样。这个世界圆满，我圆满，我就是圆满的我。你圆满，你就是圆满的你。

如果你是快乐的人，那么你就是自己圆满的显化——一个快乐的人。如果你不快乐，你就是自己圆满的显化——一个不快乐的人。如果你是善变的人，你就是自己圆满的显化——一个善变的人。如如即是如如。不如如亦是如如，无事不如如，如如之外别无他物。凡事皆如如。我们是如如的一部分，事实上我们就是如如。

量子关联

上面的这些话如果用“亚原子粒子”来代替人，也就非常接近粒子物理学的概念动力学了。不过，这种统一观进入物理学还有另一种意义。量子物理学的前锋注意到量子现象之间有一种“关联”。这种古怪的现象一直到最近都还缺乏理论上的意义。物理学家认为，这种古怪的现象只是意外，要等理论充分发展以后才能解释。

1964年，位于瑞士的欧洲核子研究组织（CERN，European Organization for Nuclear Research）的物理学家贝尔（J.S.Bell）开始全力研究这种奇怪的现象。他研究的结果可能使这种“关联”成为物理学未来的焦点。贝尔博士发表了一项数学的证明，后来被称之为贝尔定理。贝尔定理后来又历经十年的改良，才成为目前的样子。但即使最保守地说，它现在的形式也已经很戏剧性。

贝尔定理是一个数学建构。这个数学建构对于非数学家而言，是一本无解的天书。可是它的意义对我们基本的世界观却有很深的影响。有的物理学家还认为这可能是物理学史上最重要的一件作品。贝尔定理的种种含义里面，有一个是说，宇宙那些“各自分离的部分”，事实上在一个深刻而基本的层次上是紧密关联的。

简单地说，贝尔定理和统一的悟是相容的。

量子现象无可解释的关联现象可以从几个方面看出来。第一个是我们已经讨论过的双缝实验。双缝全开的时候，光波通过以后会互相干扰，在屏幕上形成一个明暗带相间的图像。如果只开一条缝，光在屏幕上照出来的样子就是平常的样子。问题是，双缝全开的时候，单个光子又如何知道自己是否能够到达屏幕上固定属于暗的地带？

单个光子最后还是属于众多光子的一部分。这些光子在只开一条缝时，分布的情形是一个样子，双缝都开的时候，又是另一种样子。问题是，假设单个光子通过了其中的一条缝，它又如何知道另外一条缝是开还是关？可是不论如何它就是知道。因为，只开一条缝时，屏幕上永远不会出现干涉型；可是只要双缝都开，立刻就出现干涉型。

这种关联性属于一种量子现象，十分令人迷惑。可是，这种现象在另一种实验上更令人迷惑。假设现在有一个物理学家所谓的双粒子零自旋系统。这意思是说，这个系统内的两个粒子彼此抵消对方的自旋。如果一个是上自旋，另一个就是下自旋；如果一个是右自旋，另一个就是左自旋。两个粒子不论方向如何，其自旋总是相等而相消。

现在我们用一种方法（譬如电力），在不影响两者的自旋之下，将它们分开。一个朝一个方向飞走，另一个朝相反的方向飞走。

◎图67

亚原子粒子的自旋可以用磁场来定向。譬如说，假设有一束电子，其中各电子的自旋方向随机，那么我们可以使这一束电子通过一种磁场（叫作斯特恩-盖拉赫器），出来的时候，磁场已经把电子束分成相等的两束。一束向上自旋，一束向下自旋。如果只是一个电子通过这个磁场，那么出来的时候不是向上自旋就是向下自旋。这个实验可以设计成向上或向下自旋的可能性是50对50。（图67①）

如果我们把这个磁场重新定向（改变轴心），我们就可以把两束电子的自旋方向改为向右和向左。如果只有一个电子通过磁场，出来以后向左和向右自旋的可能性各为一半。（图67②）

现在假设我们已经把原来的双粒子系统分开，然后使其中一个通过磁场。这个磁场的轴心将使它出来以后向上或向下自旋。我们姑且说这个粒子出来以后是向上自旋。这就是说，这样一来另一个电子就是向下自旋了。我们不必再测量这个电子，因为我们知道，这个电子和它的双胞胎自旋相反但相等。

这个实验整个情形如下（图68）：

◎图68

双粒子零自旋系统位于中间。双粒子之一飞向A区，在A区通过一部斯特恩-盖拉赫器，出来以后是向上自旋。既然如此，我们不必测量就知道另一个飞向B区的粒子是向下自旋的。

EPR思想实验

这是爱因斯坦、波多斯基（Boris Podolsky）、罗森（Nathan Rosen）45年以前构想的实验（简称EPR思想实验）。但是这个EPR思想实验事实上只是一个翻版。最先构想这个实验的是伦敦大学的物理学家大卫·玻姆（David Bohm）。EPR思想实验通常是用来显示EPR效应。（原始论文处理的是位置与动量的问题。）

1935年，爱因斯坦、波多斯基、罗森在一篇论文里发表了他们的思想实验。这篇论文题目叫作《物理实相的量子力学描述可视为完整吗？》（Can Quantum Mechanical Description of Physical Reality be Considered Complete？） （注二）。当时，玻尔、海森伯等赞成量子力学哥本哈根解释的人都说，量子论虽然对于与我们的观察相离的世界未能提出明白的图像，可是的确是完整的理论。可是爱因斯坦、波多斯基、罗森等人却想向他们的同行传达一个信息，那就是，实相一些重要的面象虽然未经观察，可是在物理上依然真实。但是量子论并没有描述这些重要的面象，所以不是“完整的”理论。可是，他们的同行收到的信息却完全不一样。他们收到的信息是，EPR思想实验里的粒子联结的方式，不论如何都使它超越了平常的因果观念。

譬如说，如果改变斯特恩-盖拉赫器的轴心，使粒子的自旋由向上或向下变为向左或向右，整个实验就会变成这个样子（图69）：

◎图69

A区的粒子不再是向上自旋，而是向右自旋。这就表示B区的粒子不是向下自旋而是向左自旋，两者的自旋相反但相等。

现在我们假设一种状况，那就是，粒子还在飞的时候，斯特恩-盖拉赫器的轴心变了。由于在B区前进的粒子不论如何都“知道”它的双胞胎在A区是向右自旋，而非向上自旋，所以它自己就向左自旋，而不向下自旋。换句话说，我们在A区的所作所为（改变磁场的轴心），会影响B区内的粒子。这种奇怪的现象，就叫作EPR效应。

爱因斯坦、波式斯基、罗森三人的思想实验是现代物理学的潘多拉的盒子。这个实验不知不觉中显示了两地粒子间无法解释的关联。B区的粒子似乎“立刻”知道A区粒子的自旋状态。 [7] 事实上，空间式的移转只有从特殊的参考架构看才是同时的。因为有这种关联，一地（A区）的实验才会影响到另一地（B区）一个系统的情况。

“这令人很不舒服。”薛定谔讲到这种情形时说。

实验者虽然无由接近一个系统，可是量子论竟然容许他随意将这个系统导向这种状态或那种状态。（注三）

物理学家一旦明白了这种特异的状况，立刻就产生一个重大的问题：“两件东西的沟通为什么会这么快？”

根据物理学家平常的观念，资信是借着信号由一地传递到另一地，没有传递者就没有沟通。譬如说话就是最普遍的沟通形式。（面对面谈话的时候）我们想用说话表达的资讯是以声波传递的。声波行进的速度就是这么快（大约每小时1126公里），所以我的资讯要多久才能从我这里到达你那里，要看你离我多远而定。最快的沟通信号是光波、无线电波这一类的电磁波。这种波的速度大约每秒30万公里。物理学的基础差不多整个都放在“宇宙间再也没有任何东西比光更快”的假设上。 [8] 光的超凡速度使光信号的沟通看起来“立即可通”。譬如你向我点头的时候，我马上就看到你点头。但这只是似乎，光信号的沟通并非立即可通。我的资讯通过光信号多久会到达你那里，要看你离我多远而定。大部分的情况所耗时间甚短，短到测不出来，可是无线电信号从地球到月球再折回来就需要几秒钟。

现在假设A区和B区相距甚远，光信号从A区到达B区需要一点时间。如果A区和B区实在相距甚远，光信号就没有办法把A区发生的事情和B区发生的事情连在一起。所以，根据物理学一般的观念，B区的事件绝不可能知道A区的事件。这种情形被物理学家称之为“空间式的”隔离。（如果光信号的时间不足以联系两地的事件，这两个事件的隔离即是空间式的。）可是，两个空间式隔离的事件却违反了物理学最基本的假设，EPR思想实验就是想呈现这一点。A区和B区虽然有空间式的隔离，可是B区的粒子状态却是依A区的观测者想观测什么（将磁场定在什么方向）而定。

超光速沟通

换句话说，EPR效应显示，资讯的沟通可以是超光速的。可是这却违反了一般物理学家接受的观点。EPR思想实验的两个粒子不论如何总是由一个信号联系起来了，所以这个信号的速度一定比光速快。爱、波、罗三人创造了科学上第一个超光速联系的例子。

可是爱因斯坦本人却否定这个结论。他说，我们既然将此地定为测量仪器的地点，就不可能影响他处的事情。在EPR思想实验之后11年写的自传里，他说：

……就我的看法，我们绝对应该坚持一种假设，那就是，实验的情形是，S2系统（B区的粒子）独立于我们在S1系统（A区的粒子）的所作所为。后者与前者在空间上隔离。（注四）

局部因果原理

这种看法实际上即是局部因果原理。局部因果原理是说，一个地区的事情并不看另一个空间式隔离的遥远地区由实验者控制的变数而定。局部因果原理是一种常识、一个实验，在一个与我们有空间式隔离的、遥远的地方进行，它的结果不会看我们在这里决定做什么或决定不做什么而定。（女儿在远地开车出事，同时母亲会在家惊醒这种情形除外。宏观世界似乎也是由局部现象构成的。）

爱因斯坦说，由于现象在本质上是局部的，所以量子论有一个严重的缺陷。根据量子论所说，改变A区的测量仪器就会改变描述B区粒子的波函数。可是，根据爱因斯坦的看法，描述B区粒子的波函数虽然改变，可是“S2系统独立于S1系统的所作所为”这个实际的情形却没有改变。

所以，如果照量子论所说，B区的这个“实际的情形”就会有两个波函数。每一个各为A区里测量仪器的一个位置而定。可是，这是一个缺陷，因为，“两种不同的波函数不可能附属于一个实际情形S2”。（注五）

这一种情形可以用另一种方式来看。B区的实际情形既然独立于A区的所作所为，那么B区必然有一个明确的上自旋或下自旋，以及左自旋或右自旋同时存在。因为，若非如此，将A区的斯特恩-盖拉赫器定为水平或垂直所得的结果就无从解释。因为量子论无法描述B区的这种情形，所以“不完整”。 [9]

然而，爱因斯坦另外悄悄说了一些令人难以置信的话：

要想免于（量子论不完整）这个结论，只有两个方法。一个是，假设Sl的测量行为（遥相感应的）改变了S2的实际情形；另一个是，否定这一类的情况独立于空间上彼此隔离的事物。可是对我而言，两者都难以接受。（注六）

这两种方式虽然爱因斯坦都无法接受，可是今天的物理学家却在非常认真地考虑。相信遥相感应的物理学家不多，可是的确有几个认为，在一个基本的、深刻的层次上，过去曾经相互作用，而现在空间上相互隔离的事物，没有所谓的“独立的真实状况”。若非如此，改变A区的测量仪器确实改变了B区的“实际的情况”。

这就为我们带来了贝尔定理。

贝尔定理

贝尔定理是一个数学证明，这个数学证明“证明”的是，如果量子论的统计式预测是正确的，我们对于这个世界的常识有一些观念就错得离谱。

所谓我们的常识对于世界的观念不足到底是怎么一回事，贝尔定理并没有说得很清楚。可能的情形有好几个。每一个各有一些物理学家拥护，他们都很熟悉贝尔定理。不过，不管我们赞成的是贝尔定理的哪一个含义，它总是达到一个结论，那就是，如果量子论的统计式预测是正确的，那么我们的常识对于世界的观念就非常不足。

可是，这可真是个好结论。因为，量子力学的统计式预测向来就很正确。量子力学这个理论确实是个理论。从亚原子粒子到晶体管，到行星能量等，这一切它无不能解释。它从未失败，毫无敌手。

20世纪20年代时量子物理学家就已经知道我们常识上的观念不足以描述亚原子现象。但是到了贝尔定理，则又进一步表明我们常识上的观念，就是连宏观事件都不足以描述，连日常生活的事件都不足以描述！

斯塔普说：

关于贝尔定理，重要的是，它把量子现象加之于我们身上的疑难放到了宏观现象的领域里……（贝尔定理）告诉我们，对于这个世界，我们平常的观念，连在宏观的层次上，不论如何都深深的不足。（注七）

贝尔定理自从1964年发表以来，已历经多方面的修订。不过不论如何修订，它都已经把亚原子的“无理性”面投射到宏观领域。贝尔定理说，事件的行为方式不但在极小领域与我们常识上的世界观极度违离，就是在高速公路、赛车等这种一般世界上，也与我们常识上的观点极度违离。这种说法令人难以置信，可是我们却不能斥之为幻想。因为，这种说法正是根据量子论本身已经证明的高度精确而来的。

克劳赛弗里曼实验

贝尔定理的依据在于类似EPR思想实验所假设的那种对偶粒子的关系。 [10] 譬如说，气体用电激荡以后会放光（例如霓虹灯）。这时，气体里面激荡的原子会放出对偶光子，每一对光子彼此向相反的方向飞去。每一对光子除了前进方向不同，皆是相同的双胞胎。如果其中有一个是垂直偏振，另一个必然也是垂直偏振；有一个是水平偏振，另一个必然也是水平偏振。不论偏振的角度多大，一对光子必然在相同的平面偏振。

所以，我们只要知道两个粒子之一的偏振状态，就必然知道另一个的偏振状态。这种情形和EPR思想实验很像。可是有一点不同，EPR思想实验讨论的是自旋状态，我们讨论的是偏振状态。

◎图70

想证明一对光子在同一平面偏振，只要使它们通过偏光镜就可以了。下面是这个程序概念上的简图（图70）：

图中，位于中间的光源放出一对光子。光源两边位于光子通过的路径上各放置一面偏光镜。偏光镜后面各放置一个光放大管，每当检测到一个光子时，就嘀嗒一声响一下。

每次A区的光放大管响起一声嘀嗒时，B区的光放大管就同时响起一声嘀嗒。这是因为，一对对偶光子的两个光子都在相同的平面偏振，并且两面偏光镜排列的方向都一样（这次的例子里是垂直方向）。这里面只有计算嘀嗒次数，其他没有什么理论好说的。我们在这个实验中知道并且证实，当两面偏光镜依同方向排列时，两边光放大管嘀嗒的次数就一样多。A区的嘀嗒声和B区的嘀嗒声有关系。在我们这个例子里，这个关系是“一”。一个光放大管嘀嗒一声，另一个光放大管就嘀嗒一声。

现在把两面偏光镜互成90度放置。如下图（图71）：

◎图71

一面偏光镜仍然垂直放置，另一方面现在改为水平放置。我们知道水平偏光镜会把通过垂直偏光镜的光波挡下来，反之亦然。所以，两面偏光镜互成直角时，A区的嘀嗒声之后绝对不会有B区的嘀嗒声跟随。这时，A区的嘀嗒声和B区的嘀嗒声依然有一种关系，可是这一次这种关系为“零”。一个光放大管嘀嗒出声时，另一个光放大管绝不出声。

两面偏光镜的位置当然还有各种组合。每一种组合都有一种关系。量子论就能够预测这种统计式的关系。在偏光镜位置的每一种组合中，一区的嘀嗒次数与另一区的嘀嗒次数关系都是一定的。

贝尔发现，不论偏光镜如何放置，A区的嘀嗒次数都和B区有很密切的关系，所以不能用纯粹的偶然来解释。两者不论如何就是有一种关系。可是，这样一来局部因果原理就成了一种幻象了！换句话说，贝尔定理告诉我们，局部因果原理听起来不论多么合理，在数学上却与“量子论的统计式预测成立”（至少在这个实验和EPR思想实验里成立）这个设定不兼容！ [11] 贝尔应用的这层关系在当时是已经经过计算的一种预测，却未经考验。1964年时这个实验还是一个假设的建构，可是到了1972年，劳伦斯伯克利国家实验室的克劳赛和弗里曼便做出了这个实验（注八）。他们发现贝尔据以建立其定理的设计式预测是正确的。

其实，贝尔定理不但只是说这个世界表面上看来是这样，但其实不是这样，而且还要求世界其实不是这样。这里面没有什么问题，只是发生了令人激奋的事情罢了。物理学家已经理性地“证明”我们对于自己所住的世界的理性观念极度不足。

1975年，斯塔普在由美国能源研究发展委员会赞助的一篇著作里说：

贝尔定理是科学发现的最深奥的东西。（注九）

由克劳赛弗里曼实验的结果推演出超光速沟通是以一个重大的假设为依据的，那就是，光子到达A区和B区，测量仪器是什么状态并不重要。这个假设不论如何都是合理的。因为，我们平常就可以说，进行测量之前测量仪器的状态和测量当时所得的结果毫无关系。实验结果依据的，当然是测量仪器检测到光子那一刻的状态，而不是之前的状态。可是如果没有假设，我们就无法由克劳赛弗里曼实验推演出超光速沟通。光子在飞行途中不能够透过光信号交换信息（因为两者以光速互相离开），但是A区和B区的测量仪器是实验之前就建立的，所以能够以传统方式（透过时空内传导的光信号）交换信息。换句话说，在克劳赛弗里曼实验里，两区有足够的时间对实验仪器的设定状态以光速或低于光速互相交换信息，在这以后光子才到达。

阿斯派克特实验

1982年，法国欧赛的巴黎大学光学研究所的阿连·阿斯派克特（Alain Aspect）做了一次相同的实验，其中只有一项不同，那就是，测量仪器的设定状态可以在最后一分钟（准确说应该是最后百万分之一秒）改变（注十）。最后一分钟改变测量仪器的设定状态，使这些信息没有足够的时间在光子到达之前完成交换。 [12] 换句话说，阿斯派克特实际上完成了玻姆的思想实验。

阿斯派克特的实验和克劳赛弗里曼实验一样，证明了量子力学统计式预测的正确（注十一）。然而，他的实验满足了一些条件（A区和B区有时空式的隔离），使物理学家可以合乎逻辑地推演出信息超光速移转现象，所以物理学家现在单单依据他的实验结果，就可以推演出这种现象。斯塔普早在五年前得到的结论因之获得了可靠的凭证。斯塔普说：

量子现象对“信息进行的方式与古典观念不合”这一点提出了充分的证据。准此，“信息以超光速移转”的观念，就不是不可理解的了。

自然的基本过程存在于时空之外……可是却产生位于时空之内的事件。这个观念，凡是我们对于自然所知的一切无不与之相容。本论文的定理支持这种自然观。这个定理告诉我们，信息的超光速移转是必然的，其间排除了某些比较不合理的可能性。不错，玻尔的合理的哲学立场应该导向其他可能性的排除，并且由此经过推论，再得到结论说，信息的超光速移转乃是必要的。（注十二）

如此这般，从普朗克提出量子假说以后82年，物理学家便不得不在种种可能性之间，认真考虑其中的一个，那就是，空间式隔离的事件与事件之间信息的超光速移转，可能是我们的物理实相不可或缺的一面。 [13]

贝尔定理告诉我们，如果不是量子论的统计式预测错误，就是局部因果原理错误。它只说不会两者都对，没有说是哪一个错。后来等到克劳赛弗里曼实验证明量子论的统计式预测正确，我们就再也无法避免那惊人的结论，就是说，局部因果原理错了！可是，如果局部因果原理错了，这个世界也不是它看起来的样子，那么我们的世界真正的本质到底是什么？

说到这个问题，答案可能有几个，可是都互相排斥。其中第一个可能是，我们的世界与表面所见相反，并没有“分出来自立的部分”这种东西（用物理学家的“方言”说就是，“局部”失败了）。这一点我们前面也讨论过。在这种情形下，如果还说事件是自动发生就是一种幻觉了。不论“分出来自立的部分”是什么，只要过去彼此有过交互作用的，都可以这么说。这些“分出来自立的部分”交互作用时，（它们的波函数）就会〔经由传统信号（力）〕关联起来。除非这一层关系受到外力的干扰，否则代表这些“分离出来自立的部分”的波函数就永远相关联。 [14] 因为有这些互相关联的“分离出来自立的部分”，所以，实验者在这一区的所作所为，必然会影响另一个空间式隔离的、遥远的地区的实验结果。既然如此，这个可能性又招来了一种快于光速的沟通，而这种沟通是传统的物理学无法解释的。

这里面的情形是，宇宙中此地发生的事和另一地发生的事有紧密而即时的关联。而这另一地的事又和另一地的事有紧密而即时的关联。之所以如此，原因无他，不过是宇宙这些“分出来自立的部分”实际上并非分出来自立的部分而已。

玻姆说：

看起来有密切的关联。在这层关联里面，它们的动态关系，以一种再也无可化约的方式，依靠整个体系（以及更广大的，最后延伸为整个宇宙的体系）而存在。这样，就把我们导向一个“不可分割的整体”的观念。这个观念否定了“这个世界可以解析为每个隔离而独立存在的部分”的古典观念……（注十三）

若是根据量子力学，一个个事件都是纯粹偶然的。譬如说，我们能够计算正K粒子自动衰变时产生一个反μ介子和一个微中子的可能性为63％，产生一个正π介子和中性π介子的可能性是21％，产生两个正π介子和一个负π介子的可能性是5.5％，产生一个正电子、一个微中子、一个中性π介子的可能性是4.8％，产生一个反μ介子、一个微中子、一个中性π介子的可能性是3.4％，依此类推。可是，量子力学没有办法预测哪一种衰变会产生哪一种结果。根据量子力学，事件的发生纯属是随机的。

换一种方式说就是，描述这个K粒子自动衰变的波函数已经包含了所有这些可能的结果。衰变发生时，这些可能性里面一个便转变为真。但是，这些可能性虽然算得出来，但是衰变的那一刻是哪一个可能性要变为真则依机会而定。

但是，贝尔定理就有一个意思说，某时发生某个衰变反应并非纯粹的偶然。衰变反应和任何事情一样，都与他处发生的事情相辅相成。 [15] 用斯塔普的话说：

……可能性转变为真实不能够在局部现成信息的基础上进行。对于信息在时间与空间里如何传导，如果我们接受一般的观念，那么贝尔定理告诉我们的是，事物的宏观式反应不可能独立于远处的原因之外。这个问题无从解决，亦不能用这种反应是纯粹的偶然这种说法来缓解。贝尔定理准确地证明了一点，那就是，宏观的反应绝对不是“偶然”的；至少还容许这种反应在某种程度上与远处的原因相辅相成。（注十四）

至少从表面上看来，超光速量子关联对于某些灵异现象可能是一种解释。譬如心电感应。此地与他地的心电感应如果没有比较快，至少也是同时。物理学家从牛顿时代以来就很鄙视灵异现象。事实上，大部分物理学家都不相信真有灵异现象。 [16]

就这一点而言，贝尔定理可能是一匹特洛伊木马，如今闯进了物理学家的营地。首先是因为贝尔定理证明了量子论需要类似心灵感应的沟通才行；第二，严肃的物理学家（所有的物理学家都很严肃）原本不相信这类现象，可是贝尔定理却提出了一个数学架构，使他们能够讨论这种现象。

局部因果原理的失败并不意味超光速关联必然存在。因为，局部因果原理的失败，用别的方式还是解释得通。譬如说，局部因果原理依据的是两个未曾明言的假设，这两个假设因为太明白了，所以我们很容易忽略。

首先，局部因果原理假设，对于如何进行实验我们有所选择。假设我们正在做克劳赛弗里曼光子实验。我们前面有一个开关。这个开关可以控制偏光镜的位置。开在上面，偏光镜互成平行；开在下面，偏光镜互成直角。假设这次实验我们是开在上面，通常我们都认为，只要我们想做，我们只要将开关开在下面，偏光镜就会互成直角。换句话说，我们认为实验开始的时候，我们可以自由决定开关是开在上面还是下面。我们掌握的各种材料是在实验者的控制之下，并且，实验要如何进行悉听我们的自由意志。这是局部因果的第一个阶段。

第二个假设比第一个假设还要容易被忽略。这个假设是说，如果我们换另一种方式做实验，我们仍然会得到明确的结果。这两个假设，斯塔普谓之“非事实的明确”。

这个例子的事实是，我们决定将开关放在上面来进行实验。但我们从这个事实做了一个相反的（非事实的）假设。我们认为，如果把开关放在下面的位置，我们仍然能够进行实验。由于开关放在上面时我们得到了明确的结果，所以我们认为，如果我们把开关放在下面，我们仍然会得到明确的结果。（但我们并不必然就能够计算出什么结果。）但是，有些物理理论却不假定“如果……就会……”可能产生明确的结果。这一点有点古怪，不过我们后面将会讨论。

贝尔定理告诉我们，如果量子论成立的话，局部因果原理就不正确。并且，对于局部因果原理的失败，如果我们不接受原因在于超光速关联的话，我们就不得不面对一个可能性，那就是，我们所假设的非事实的明确错误。如果是这样的话，因为非事实的明确分为两个部分，所以它的失败也有两种方式。

超决定论

第一种是，自由意志是一种幻觉（非事实性失败）。没有“如果如何就会如何”这种事，有的只是本来的事。如果是这种情形，我们就得出了超决定论。超决定论是远远超越一般的决定论。一般的决定论是说，一个系统的初始状况如果已经决定，那么，因为这个系统不可避免地要按照因果律发展，所以它的未来也就随之确定。这种决定论是宇宙“大机器”观的基础。根据这个观点，一个系统（譬如宇宙）的初始状况如果改变，它的未来就跟着改变。

但是，如果根据超决定论，那么就连宇宙的初始状况都是不可改变的。事情本来是怎样就是怎样，不可能有别的样子。但是还不只这样。宇宙只有它向来的样子。我们不管在什么时候做一件事，这件事都是当时我们唯一能做的一件事。以上是非事实的明确失败的一种方法。

多重世界理论

另一种方式是，因为非事实的明确里的“明确”失败，所以就有了非事实的明确失败。如果是这种情形，我们对于实验进行的方式就有所选择。可是这种选择（“如果如何就会如何”）不会产生任何明确的结果。这种情形说起来奇怪，可是和量子力学多重世界解释的结果却不谋而合。根据多重世界理论，在宇宙间，只要在两个可能事件中有所选择，宇宙立刻分裂成不同的分支。

譬如说，在我们前面假设的实验里，我们决定将开关开在上面，这时我们得到了一个明确的结果。可是多重世界理论告诉我们，在我们将开关定在上面那一刻时，宇宙便分成了两支。其中一支以实验开关在上面进行，另一支以开关在下面进行。

那么，是谁在另一个分支做实验呢？答案是我们自己！宇宙的每一个分支都有一个我们的版本！每一个版本都认为他那个分支就是全体的实在界。

在第二个分支里，将开关开在下面的实验也会产生明确的结果。然而，这个结果当然不在我们这个宇宙的分支，而是在另一个分支。所以，就我们是在宇宙的这个分支而言，“如果如何就会如何……”的情形确实发生，并且确实产生了明确的结果。但这一切都是在宇宙的另一个分支里，永远超越我们的经验的实在界外。 [17]

下面（图72）是贝尔定理的逻辑涵蕴的图解。这张图解是根据劳伦斯伯克利国家实验室基本物理学会非正式的讨论，在伊丽莎白·罗舍（Elizabeth Rauscher）博士的指导与赞助下画出来的。反过来，这项讨论主要又是依据斯塔普的著作进行的。

◎图72

简单来说，1964年贝尔定理告诉我们的是，量子论的统计式预测或局部因果原理两者有一项是错的。到了1972年，克劳赛弗里曼实验证明了相关的量子论的统计式预测成立。既然如此，根据贝尔定理，就是局部因果原理错了。

局部因果原理说，一个地区发生的事情并不依实验者在另外一个时空式隔离的地区所控制的变数而定。这样说，就是解释局部因果原理失败最简单的讲法。如果这个解释正确，那么我们生活的就是一个非局部（“局部性失败”）的宇宙。在这个宇宙里面，所有表面上看来“互相隔离的部分”实际上都有超光速的关联。

局部因果原理的失败还有其他方式。试看，局部因果原理依据的是两个心照不宣的假设，一个是我们有能力决定我们的行为。这就是说，我们有自由意志。 [18] 另一个是，一件事情如果我们想换一个地方做，“如果如何就会如何”仍会产生明确的结果。这两个假设被斯塔普称之为非事实的明确。

如果第一个假设（非事实性）不成立，那么我们就导出了一个超决定论。这个超决定论先行于“其他可能性”此一观念。这样，根据这种决定论，这个世界除了它向来的情形，不可能有别的情形。

如果第二个假设（明确）不成立，我们便导出了多重世界理论。这个理论是说，这个世界一直在分裂成互相隔离，彼此无法进入的分支。每一个分支都包含同一行为者的一个版本，在同一时间，在不同的舞台，演出不同的行为。

要了解局部因果原理的失败可以有种种方法。不过，光是局部因果原理必然不成立这个事实，就已经意味着这个世界必然在某种样态上与我们平常对它的观念有很大的不同。（或许我们真的活在一个黑暗的洞窟里。）

回头看图72。图72所谓的“无任何模式”事实上即是量子力学哥本哈根解释。1927年，历史上最有名的一次物理学家的集会说，我们永远不可能建构一个实相的形态，也就是说，我们永远无法解释“情景后面”事物真正的情形。40年来种种物理学“知识”波涛汹涌，可是基本物理学家与半世纪前哥本哈根那些物理学家一样，不得不承认我们不可能建构实相的模式。这种承认不只是认识到理论的限度而已，而且也是西方人认识了知识本身就是有限的。换另一种方式说，这种认识就是认识到知识与智能的不同。 [19]

古典物理学是以“每个分离的部分合并成物理实相”的假设开始的。打从一开始，古典物理学关心的就是这些相离部分之间有什么关系。

牛顿的伟大的作品告诉我们，统御地球、月亮、行星的法则与苹果坠落的法则是一样的。法国数学家笛卡儿发明了一种方法，将时间与距离的种种测量数字之间的关系画成图画。这就是解析几何。解析几何是一种神奇的工具，可以将许多散漫的数据组织成有意义的形态。这就是西方科学的力量。它把看来毫不相关种种经验的轨迹组成一个观念很简单的理性架构，譬如运动定律即是。这种程序的起点是一种精神态度，认为物理世界是种种片段的经验，逻辑上没有任何关系。牛顿的科学就是要寻找这些早先存在时就已经“分离的部分”之间的关系。

在认识论上，量子力学根据的刚好是一种相反的假设。所以，牛顿力学和量子论之间差别就很大。其中最大的差异是，量子力学依据的是观察（测量）。没有测量数字的地方，量子力学就是哑巴。除了测量数字，量子力学就什么都不说。用海森伯的话说就是，“‘发生’这个词汇只限于观察之上”（注十五）。这句话很重要。因为，这句话构成了一种前所未有的科学哲学。

譬如，通常我们说，我们在A点和B点检测到电子。但严格说来，这是不对的。因为，根据量子论，并没有什么电子从A点进行到B点，有的只是我们在A点和B点所做的测量数字。

量子力学与哲学

量子论不只和哲学有紧密的关系，而且——越来越清楚地——与知觉理论也有紧密的关系。纽曼早在1932年就在他的测量理论里探讨过这层关系。（与一粒子相关的波函数到底是什么时候崩塌的？粒子是什么时候撞击照相图版的？照相图版是什么时候冲洗出来的？冲洗出来的照相图版的光线是什么时候撞击我们的视网膜的？视网膜的神经冲动又是何时到达我们的大脑的？）

玻尔的互补原理也表达了物理学和意识之间这一层潜在的关系。一个现象的两种面象（波或粒子）是互相排斥的。实验者选择什么实验便决定了哪一个面象要表现出来。同理，海森伯的不确定原理告诉我们，我们观察一个现象时不可能不改变这个现象。我们不只在心理上用我们的知觉罗织我们观察到的“物”的世界的物理属性，就是在本体论上也一样用我们的知觉罗织我们观察到的“物”的世界的属性。

牛顿物理学与量子论第二个基本的差异是，牛顿物理学预测的是事件，量子论预测的是事件的概率。根据量子力学的看法，事件与事件之间唯一可决定的关系是统计式的——亦即是概率。

玻姆说，量子物理学事实上是因为知觉到一种秩序而成立的。根据他的看法，“我们必须将物理学转向。我们不该再从部分开始，企图表达各个部分如何合起来运作。我们应该从整体开始”。（注十六）

玻姆的理论与贝尔定理是相通的。贝尔定理有一个含义是，这个宇宙所有看来“互相分离的部分”在深刻而根本的层次上其实是紧密相关的。玻姆认为，这个最根本的层次是一个无可分解的整体。这个无可分解的整体，用他的话来说就是如如。万事万物，包括时间、空间、物质等，都是如如的形式。宇宙的过程中隐藏着一个秩序，但这个秩序并非轻易可见。

假设现在有一个空心圆柱体，里面再放一个比较小的圆柱体，两个圆柱体之间注满清洁的、半流体的甘油。现在我们向甘油滴一滴墨水。由于甘油的性质使然，所以墨水不会散掉，仍然是一滴墨水，浮在甘油上面。（图73）

◎图73

现在我们转动其中一个圆柱体，姑且是顺时针方向好了。这时墨水滴会开始向逆时针方向流去，越来越细小，终至于完全消失。墨水现在已经完全被“嵌”进甘油里。可是，事实上墨水滴还在。试看，如果我们将圆柱体逆时针方向旋转，墨水滴就会重新出现。起先是一条明确的线，越来越粗，然后终于变成单独的一点。

只要顺时针方向转动圆柱体，情形便一如前述；逆时针方向，情形亦复如是。不管我们转多少次，情形永远一样。

暗含的秩序

假设要使墨水完全消失必须转动一圈，要使墨水完全复原也必须转动一圈，那么，这样使墨水消失或再现的转动圈数叫作“内嵌秩序”。这种内嵌秩序，玻姆谓之为“暗含的秩序”（implicate order，亦译为隐秩序），意谓两者相同。

假设我们滴一滴墨水进甘油，转动一圈，这一滴墨水便完全消失。再滴一滴，转动一圈，这滴墨水又消失。再滴一滴，再转动一圈，这滴墨水又消失。现在这三滴墨水都已经嵌进甘油里面，三者都看不到了。可是我们却知道在这个暗含的秩序里面，它们在哪里。

现在我们将圆柱体反方向旋转回来，于是就有一滴墨水出现，这是第三滴。再转一圈，又有一滴出现，这是第二滴。再转一圈，又有一滴出现，这是第一滴。这个秩序是外放的，或“明显的”秩序。三滴墨水的出现是依照一个明显的（外放的）秩序，其间似乎毫无关联。但是我们知道，在一个暗含的（内嵌的）秩序上，三者是有关系的。

如果我们将这个实验里那凝聚的墨水视为“粒子”，我们对看起来随机的亚原子现象便得到了玻姆的假设。“粒子”可能四处出现，但其中却暗含了一个秩序。用玻姆的话来说就是，“粒子在空间里可能不相闻问（外显的秩序），但是在暗含的秩序里却彼此互有接触”。（注十七）。

“好比漩涡是水的一种形式一样，质量是这种暗含的秩序的一种形式——无法再化约成更小的粒子。”（注十八）粒子与质量等一切东西一样，都是此一暗含的秩序的形式。这一点如果难以理解，那是因为我们的心总想知道：“这个‘暗含的秩序’暗含了什么秩序？”

这个暗含的秩序暗含的是如如的秩序。然而，如如本身即是这个暗含的秩序。这种世界观与我们平常拥有的世界观太不一样了，所以——正如玻姆所说：“所描述的与我们真正想说的完全不合。”（注十九）之所以不合，是因为我们向来都是依据古希腊的一种思考方式来思考的。根据这种思考方式，只有存有才算存有，非存有即非存有。处理这个世界的事物时，这种思考方式给了我们很实用的工具。可是这种思考方式并不曾说明事情的真相。因为，实际上非存有亦是存有，存有与非存有皆是如如。不论什么东西，即便是“空”，亦是如如，无物非如如。

这种看待实相的方式在观测者的意识上引发了一些问题。我们的心总是想知道：“这个暗含的秩序暗含了什么秩序？”我们的文化一直只教我们认识外显的秩序（笛卡儿的观点）。“事物”对我们而言本来即是互相分离的。

玻姆的物理学，用他的话来说，要求的是一种新的“思想工具”。要了解玻姆的物理学就必须有这种思想工具。但是这种思想工具却将彻底改变观测者的意识，将观测者的意识重新定向，使之朝向一种“不可分的整体”去认知。在这个“不可分的整体”里，一切一切皆是形式。

但是，这样认知内在的秩序，却不会使我们看不到外在的秩序。因为玻姆的物理学本身就包含了一个相当于爱因斯坦理论的相对元素。这个相对论元素就是说，秩序（或自然界秩序）的内在性或外在性是依观测者的透视而定的。问题在于，我们目前的观点一直受限于外在秩序的透视。但是从内在秩序的透视看，则外在秩序那些看来“互相分离的元素”却是紧密相关的。即便我们现在讲的所谓“元素”，所谓“紧密的相关”，也都暗含了实际上并不存在的笛卡儿式的“分离”。但实际上，在如如的根本层次上，那些“在暗含的秩序里紧密相关”的“互相分离元素”即是暗含的秩序本身。

玻姆的物理学需要一种新的思想方式为基础。一开始的时候，这种需求好像是一种障碍。但是现在知道其实不然。在那“不可分的整体”的基础上，现在已经存在了一种思想工具。此外，从两千年之久的冥思与实修之中也汲取了一些深奥的心理学。这些心理学只有一个目的，那就是，发展一种思想工具。

东方心理学

这种心理学就是我们平常所说的“东方宗教”。东方的宗教与宗教之间本身差异就很大。譬如说：比起印度教或佛教与西方宗教的差异，印度教与佛教彼此当然比较相像。但是，如果将印度教与佛教等同视之则又错误。可是，凡是东方宗教（心理学），都在一种极根本的情况下与玻姆的物理学与哲学不谋而合。所有的东方宗教都以一种纯粹的、绝无分化的实相经验为基础；而这一实相即是如如。

当然，过分高估玻姆的物理学与东方哲学之间的相像固属天真，但是忽略了亦属愚蠢。试看下列的几段文字：

“reality”（实相）一词是由“thing”（res）和“think”（revi）这两个字根衍生而来。“reality”意指“凡是思考得到的一切”。而“凡是思考得到的一切”就不是如如。就如如的意义而言，人的观念都无法掌握其中的“真相”。

终极的知觉虽然需要一个物质结构来彰显，但终极的知觉绝非源生自大脑或什么物质结构。理解真相的机制非常巧妙，绝非源自大脑。

思想与物质之间有一种类似。所有的物质，包括我们自己在内，皆由“信息”决定。而时间与空间即是由“信息”决定。

如果不看上下文，我们便没有一种绝对的方法知道这几段文字到底是玻姆教授说的，还是某一个佛教徒说的。事实上这几段文字是从玻姆1977年4月的两次演讲摘录出来的。这两次演讲头一次是针对物理学学生，后一次是针对劳伦斯伯克利国家实验室的一群物理学家。这三段文字里有两段摘自后一场演讲。

讽刺的是，当大部分物理学家对玻姆的理论还持以一种怀疑态度的时候，我们的文化里却有数以千计的人立即接受了他。这些人因为要追寻终极实相，已经开始离开科学。

如果玻姆的物理学或类似的物理学未来会异军突起，成为物理学的主力，那么东方与西方的舞蹈将会融合得很和谐。21世纪的物理学课程将包括打坐在内。

东方宗教（心理学）的机能在于使我们的心脱离符号的桎梏。从他们的观点看，一切事物无非都是符号。文字、概念是符号，人、东西亦是符号。但是如如，那个纯粹的知觉，那个实相“如是”的经验，却是在符号之外。

可是，话说回来，每一种东方宗教也都运用符号来挣脱符号的领域，只是有的宗教用得多，有的宗教用得少罢了。于是，这就产生了问题。如果我们认为纯粹的知觉与知觉的内容有别，那么知觉的内容是怎样使纯粹的知觉完成的？什么样的知觉内容会使心灵向前跃进？什么东西使心灵耕耘自我圆满的能力来提升自己？

这种问题很难回答。不论你提出什么答案，这个答案都只是一个观点而已。观点本身就是有限的，所谓“了解”一件事就是采信一个观点而放弃其他的观点。这无疑是说，心灵是以有限的形式处理事物。可是，知觉的内容确实与心灵自我提升的能力有关。

“实相”被我们视之为真。我们视之为真的，就是我们相信的。我们相信的是以我们的认知为基础，我们的认知是以我们寻找的事物为基础，我们寻找什么是以我们想什么为基础。我们想什么是以我们感觉到什么为基础，我们感觉到什么决定我们相信什么，我们相信什么决定我们视什么为真。我们视之为真的，即是我们的实相。

不论如何，这个过程的焦点在于“我们想什么”。我们至少可以说，专注于一种开放的象征（基督、佛陀、克里希那所说的“无限变化的性质”）似乎会打开我们的心灵，而开放的心灵往往是悟的第一步。

从20世纪以来，物理学的心理形态已经转变为极端开放了。19世纪中叶，牛顿力学如日中天。所有现象，似乎无一不可用力学模式解释。而所有的力学模式的原理又都是早已确立。所以哈佛的物理学系主任才会劝学生不要研究物理；因为，物理学里面，凡是重要的题目，很少有还没解决的。（注二十）

1900年，开尔文爵士在一场皇家研究院的演讲当中回溯物理学。他说，物理学地平线上只剩下两片黑云，一个是黑体辐射线的问题，一个是迈克耳孙—莫雷实验（注二一）。而开尔文说，毫无疑问，这两片黑云不久就会散去。可是他错了，他的两片黑云象征的，其实是原本由伽利略和牛顿开始的时代行将结束。其中黑体辐射线问题使普朗克发现量子现象。此后30年之内，牛顿物理学整个改变为一种新发展的量子论。迈克耳孙—莫雷实验则是爱因斯坦相对论的预告。到了1927年，量子力学和相对论这两个新物理学的基础已经确立。

今天的物理学家与开尔文的时代不一样。今天的物理学家崇尚的是一种开放的象征。诺贝尔奖得主暨哥伦比亚大学物理学系退休名誉系主任拉比1975年说：

我认为物理学不会有结束的一天。我认为，自然界这样的新颖，所以变化亦是无穷的——不只是形式变化无穷，认识之深刻与观念之新亦将无穷……（注二二）

斯塔普1971年说：

……人类会一直探索下去，终至于发现新的、重大的真理。（注二三）

今天的物理学家所想的（“我们想什么”）是，自然的物理学就跟人的经验一样，变化无穷。

东方宗教不曾说过物理学什么，可是却说过很多人的经验。印度神话里面，圣母迦利（Kali）象征变化无穷的经验。她代表整个自然界。她是生命的戏剧、悲剧、幽默、悲伤。她是兄，是父，是姊妹、母亲、爱人、朋友。她是妖魔、鬼怪、野兽、残酷之人。她是太阳，又是海洋。她是草，是露。她是我们的成就感，我们的价值感。我们发现新事物时的战栗是她手镯上的宝石。我们的喜悦是她脸颊上的绯红。我们的重要感是她脚趾上的铃铛。

这个丰满的、诱人的、恐怖而又神奇的地母总是有东西给我们。印度人都知道，想引诱她、征服她都不可能，爱她或恨她都是徒然。所以，他们只做一件事，那就是颂扬她，他们也只能做这件事。

有一个故事说，圣母迦利即是上帝之妻西塔。上帝叫篮姆。篮姆之弟是拉克撒曼。有一次他们在丛林小径上走路。篮姆在前，西塔居间，拉克撒曼殿后。因为小径很窄，所以大部分时候拉克撒曼都只能看到西塔。可是，因为小径弯来弯去，所以他常常还是可以看到上帝篮姆。

这是一个非常深刻的隐喻，正好可以用来比喻物理学的发展。大部分物理学家（在职业上）都不耐烦隐喻，可是物理学本身如今却已经变成了一个深奥的隐喻。20世纪的物理学是一个故事，讲的是，虽然有一些物理学家仍然维持那种“证明给我看”的保守特性，但是人类的知识基本上是一个从防御到开放的历程。物理学绝不会有不再有新发现的一天。了解这一点，使物理学家和看物理学故事的人都步上了一个肥沃的高原。了解了这一点，虽然使知识分子冒着失去霸权的危险，但也会向前跃进。

所有的物理师傅都知道，物理学家不只是“发现自然界无穷的变化”，物理学家也是在与印度神话中的圣母喀立共舞。

佛教是一种哲学，又是一种实践（修行）。佛教哲学丰富而深奥。佛教的实践法叫作檀特罗（Tantra）。檀特罗是梵文，意思是“编织”。对檀特罗可言说的极少。檀特罗强调实修（做）。

佛教哲学的发展在公元2世纪以后达到巅峰，这以后再也没有人能够增美。佛教哲学与檀特罗有明确的区别。佛教哲学可以诉诸思考，檀特罗不行。佛教哲学是理性心智的一种机能，檀特罗则超越理性。印度文明里面，最深刻的思想家发现，文字与概念只能带他们到一个地步。过了此一地步之外，只有修行，而这种经验是不可说的。不可说并不曾使他们无法将修行方法改良成复杂而有效的技巧，但是的确使他们无法描述这些技巧产生的经验。

檀特罗的修行并不意味理性思想的结束。檀特罗的修行意味的是依据符号进行的思想整合到一个较大的知觉光谱里。（不过悟道的人还是会记得自己的邮递区号。）

无相道

佛教在印度的发展告诉我们，人类智力对实相终极本质深刻的探索将要达到一个高峰，或者至少要布置一个舞台。这个高峰，或者这个舞台演出的，将是超越理性的量子跃迁。事实上，在一个个别的层次上，这就是一条悟的道路。这在中国西藏密宗被称为无相道，或灵修。无相道是为理智气质的人而开，物理科学差不多就是这样的一条路。

由于20世纪物理学这样的发展，凡是涉及的人，意识都完全改变。互补原理、不确定原理、量子场论、量子力学哥本哈根解释，凡此种种所产生的实相本质的认识，与东方哲学产生的都非常接近。21世纪一些深刻的物理学家已经越来越知觉到，他们面临的事物是不可说的。

量子力学之父普朗克说：

科学……意指不断地努力，不断地向一个目标发展。这个目标，诗的直觉可以了解，但是理智绝对无法充分掌握。（注二四）

科学行将结束。所谓“科学的结束”并不是说物理理论不再“不断地努力，不断地向一个目标发展”。事实上，准确而有效的理论越来越多。（悟道的物理学家一样也会记得自己的邮递区号。）“科学的结束”意思是说，西方文明依照自己的时间、自己的方式，已经到达人类经验的更高维度。

加州大学伯克利分校的物理系主任杰弗里·周谈到粒子物理学理论时说：

我们目前（在高等物理学的某些方面）的努力，可能只是饭前酒而已，后面的才是人类知识一种崭新的努力。这种努力将越出物理学之外，并且还不能说是“科学的”。（注二五）

我们不需要到印度或中国西藏朝圣。那里有很多东西可以学，可是，在我们自己家里，在最不可想象的地方，在加速器和电脑之间，我们的无相道已经出现。

太极拳师傅黄忠良曾说：“……只要是用来说的，我们早晚要走到一条死路。”（注二六）但是，因为绕圈子也是一条死路，所以他大可以说，只要是用来说的，我们早晚都要开始绕圈子。

我们在伊莎兰的小屋谈到深夜。我们的新朋友芬克斯坦轻声说：

如果我们说粒子是一种实体，涉入这个理论（量子拓扑学）所说的最原始的事件里，我认为那将是一种误导。因为，粒子不在时间和空间运动，不带质量，没有电荷，没有我们通常所说的能量。

问：这样的话，在那个层次里又是什么东西造成那些事件？

答：你说谁是舞者？什么又是舞蹈？除了舞蹈，两者别无属性。

问：这“两者”又是什么？

答：是跳舞的东西，是舞者。我的天！我们回到书名上了。 [20] （注二七）

注解：

[1] 　激光核聚变和寻找夸克现在已经是实验物理的一部分了。理论物理现在的新疆界应该是孤子和统一规范理论。

[2] 　量子力学的严格形式有各种诠释。譬如纽曼就认为只有相似的粒子，譬如光子群，才会有波函数，单个粒子没有。现在只有少部分物理学家同意这个观点，其余的大部分都不同意。

[3] 　一个民族由经验中得来的记忆、恐惧等表现于神话中，谓之mythos——译注

[4] 　intellectualism：重智主义“这个名词可适用于任何给予精神、观念和理智以优先地位的哲学主张”。（西洋哲学辞典，第178条。布鲁格编著，项退结编译，“国立编译馆”暨先知出版社印行1976年版）——译注

[5] 　卡明斯全名Edward Estlin Cummings，是美国诗人兼画家，对反偶像、反教条、反迷思非常认真，所以连名字都坚持小写——译注

[6] 　按图55所示，偏光镜上并没有箭头。作者指的是原来说要附在书末的偏光镜。不过读者不必迷惑，图中两个方块内的垂直线和水平线，即是镜片内分子排列的方向，亦即是光受到偏振的方向——译注

[7] 　这是从特定的坐标系来说的。“立刻”这种字眼我们必须非常小心。爱因斯坦的广义相对论告诉我们，一个事件是发生在另一事件之前、同时还是之后，要看是从什么参考架构观察而定。粒子间的这种沟通叫作“空间式的”。空间式的移转看起来不会一直是同时的。

[8] 　相对论容许一种叫作超光速粒子的假想粒子存在。这种粒子存在，可是速度超过光速。超光速粒子在狭义相对论的严格形式里有一个假想的静止质量。不幸的是，没有人知道所谓“假想的静止质量”在物理学名词里是什么意思，超光速粒子和具有真正质量的一般粒子之间又会有什么交互作用力。

[9] 　爱、波、罗三人认为量子论不完整的论据，在于他们认为一个地区的实际情形，不可能看实验者在另一个遥远地区的所作所为而定（局部因果原理）。
　　他们三人指出，我们可以在A区把磁场的轴心放在垂直位置或水平位置，并因此观察到明确的结果——垂直位置时得到向上或向下自旋，水平时得到向左或向右自旋。他们又认为，我们在A区所作所为（测量或观察），不会影响到B区的实际情形。所以他们得到一个结论说，B区必然“同时”存在一个明确的上自旋或下自旋，以及一个左自旋或右自旋——非如此不足以解释我们在A区将磁场这样定向或那样定向以后所有可能的结果。
　　量子论没有办法描述这种情形，所以爱、波、罗等人才下结论说量子论提出的描述是不完整的。量子论的描述不足以代表完整说明B区系统的情况（不同自旋状态并存）时所需的资讯。

[10] 　原版的贝尔定理涉及1/2自旋粒子。以下克劳赛与弗里曼的实验则涉及光子。

[11] 　对于量子论的不完整，爱、波、罗三人的论据在于局部因果的假定。对于大部分物理学家，这项假设是值得鼓掌的；因为，他们都怀疑EPR思想实验里一个区的实际情况，是否真的受到远处另一区观测者行为的影响。他们的怀疑来自一项事实，那就是，由上、下两相等部分组成的量子状态，和左、右两相等部分组成的量子状态完全一样。在实验上，这两种组合完全无可分别。所以远处观测者的行为在此处是否有效应，亦无从观察。因此我们就不清楚此处的实际情况是否（因他而）受到了改变。
　　贝尔在1964年推翻了爱、波、罗的论据（和局部因果原理）。贝尔告诉我们，爱、波、罗论据里隐含的几个假设就已经带有B区发生什么事情，必然依A区实验者做什么事而定的意思。反之亦然。这里有几个充分的假设：（一）两区的实验者都可以将本区的磁场随意定在两种方向之一；（二）有几种特别的实验虽然不广为人知，可是结果却可以认为是在这四种实验状况里的一种产生的；（三）这四种实验状况里，量子论的统计式预测都成立（姑且说是3%吧）。贝尔的论据用简单的算术告诉我们，这三个假设隐含的意思就是，两区之一的实验结果必然依另一区的观测者想观测什么（亦即将斯特恩-盖拉赫器定在什么方向）而定。这个结论和爱、波、罗论据的局部假设矛盾。

[12] 　以我们现在所说的这些情形来说，非常重要的是，偏振检测器要定在什么方向，其选择的根源是决定性地来自过去。不过这里阿斯派克特却心照不宣地做了一个假设，那就是，选择偏振检测器方向的，可以是一个随机的量子过程（譬如辐射线衰变），也可以是实验者的自由意志。这些都不是根源于过去。

[13] 　“信息的超光速移转”说的是一个自然的基本现象，可是这个现象却是无法控制的。这就是说，我们无法控制这个现象以传递信息。萨法提在1975年提出用超光速信息移转传递符码信息的可能性。可是，斯塔普和赫伯特都指出，依据海森伯（1929年）和玻姆（1951年）的看法，不论什么现象，只要是用量子论可以充分描述的，就不能用来以超光速传递信息。空间式隔离的事件与事件之间的超光速移转现象可能与荣格的“同步”概念有关。

[14] 　如果大爆炸理论正确的话，整个宇宙从一开始就互有关联了。

[15] 　贝尔定理指出的自然界的非局部面象，经由所谓波函数崩塌的调解以后，容纳在量子论里面。这种波函数崩塌是一个体系的波函数顿然整体改变，发生的时间在于这个体系的任何部分受到观察的时候。这就是说，当我们在一个地区观察这个体系时，它的波函数不仅在这个地区立即改变，而且在远处也立即改变。对于一个描述概率的函数而言，这种行为是完全自然的；因为，概率依据的是我们对这个体系知道什么而定。所以，认识作为观察的结果一旦改变，概率函数亦应跟着改变。准此，即使是在古典物理学里，远处的概率函数的改变也是很正常的。这一点反映了一个事实，那就是，这个体系的每个部分彼此是相关的，所以，此地信息的增加随之而来的即是他处有关这个体系的信息增加。可是，在量子论里，在某些情形之下，这种波函数崩塌的情况是远处要发生什么事必须看此地的观测者选择什么观测而定。你在那里会看到什么，要看我在此地做什么而定。这种非局部效应就完全不是古典的了。

[16] 　不过有一些例外相当值得注意。其中主要的是普索夫（Harold Puthoff）和达格（Russell Targ）。他们有一本书讨论到他们在斯坦福研究所对千里眼现象所做的实验。书名《灵通》（Mind-Reach ），1977年出版。

[17] 　选择结果也会产生分支，这一点由爱、波、罗实验可以看出来。譬如说，假设在原来的分支里，磁场的轴心定在垂直位置，所以结果是上自旋或下自旋。这时的结果就分成了两个小支。一个小支是上自旋，一个是下自旋。同理，磁场轴心放在水平位置的实验里，结果也是分成了两小支。一支是右自旋，一支是左自旋。准此，任何分支的小分支都有明确的结果。所以，“如果实验者选择了另一个分支就会如何”的观念根本没有意义。因为，两种结果（上或下，以及左或右）都发生了，只不过是发生在不同的分支罢了。

[18] 　为了精确起见，物理学家常常使用哲学词汇。例如“自由意志”，在这个实验状况里自由意志的定义是，“位于A区的实验者和位于B区的实验者，两者都能够在两个可能的观察（实验）之间有所选择”。就此一双粒子系统的观察而言，这两种选择在整个研究的脉络里即视为“自由变数”。

[19] 　事实上，大部分物理学家都认为思考这种问题没有什么价值。科学界的主干都接受量子论的哥本哈根解释。而哥本哈根解释追求的是一个数学架构，用以组织并扩展我们的经验，而不是追求经验之后的实相。这就是说，对于寻找实相的模式是不是有用这个问题，大部分物理学家都比较倾向玻尔的观点，不太赞成爱因斯坦的观点。就哥本哈根的观点而言，量子论已经令人满意，进一步地“了解”对科学并没有什么好处，想进一步了解反而造成一些类似我们刚刚讨论过的问题。对大部分物理学家而言，这些问题是哲学问题，而非物理学问题。这也就是在图72上面大部分物理学家才选择“无任何模式”的原因。

[20] 　英文原书名为The Dancing Wu Li Masters ——编注

后记

我无法充分表达我对下列诸位人士的感激。在本书的写作过程中，我发现，不论是刚毕业，或者已经是诺贝尔奖得主，物理学家实在是一群亲切的人，平易近人，乐于助人，做事专心。我向来对他们都有一个刻板印象，以为他们冷酷、“客观”。但是我的发现打破了这个印象。光是为了这一点，我就很感激这些人士。

物理暨意识研究会的会长萨法提是一个核心人物。没有他，我就不可能与下列诸位认识。太极拳师傅黄忠良提供的是那完美的隐喻“Wu Li”（物理、无理、吾理、悟理）、灵感以及美丽的书法。佐治亚理工学院物理学校校长大卫·芬克斯坦是我的第一个私学老师。他们都是本书的教父。

除了萨法提、芬克斯坦之外，剑桥大学物理教授约瑟夫森、以色列巴伊兰大学物理教授杰默（Max Jammer）审读了全部的原稿。我特别感谢他们。（但这并不说他们，或者任何一个在这本书上协助我的思想家都同意我写的每一页，也不是说他们要为本书的任何错误负责。）

我也感激劳伦斯伯克利国家实验室的斯塔普以及劳伦斯伯克利国家实验室基本物理学会的创始人与赞助人罗舍。前者审读了部分原稿，后者一直鼓励非物理学家参加每周一次的物理学会议。这个会议本来一直只吸引物理学家参加。除了斯塔普、萨法提，这个学会还包括克劳泽（Iohn Clauser，Ph.D.）、埃伯哈德（Philippe Eberhard，Ph.D.）、魏斯曼（George Weissman，Ph.D.）、沃尔夫（Fred Wolf，Ph.D.）、卡普拉（Fritjof Capra，Ph.D.）等人。

加州大学伯克利分校物理学教授杰弗里斯（Carson Jefferies）支持并审读了部分原稿，我很感谢；伦敦大学柏贝克学院的物理系教授玻姆阅读了部分原稿，我很感谢。西拉格（Saul Paul Sirag）经常协助我。劳伦斯伯克利国家实验室粒子资料群的诸位物理学家，协助我收集书后的稳定粒子表。加州州立索诺马大学（Sonoma State University）的心理学教授克丽丝威尔（Eleanor Criswell）给了我很有价值的支持。堪萨斯州立大学数学教授麦卡兰（Gin McCollum）协助我，又很有耐心地照顾我。C生命研究所（C-life Institute）院长赫伯特提供他有关贝尔定理的精彩论文给我，并且允许我采用他一篇论文的题目“超越两者”作为本书一章的题目。我非常感激他们。

本书的插图全部由罗宾孙（Thomas Linden Robinson）绘制。

加州大学伯克利分校物理学系退休名誉教授暨劳伦斯科学院院长怀特（Harvey White），个人提供了他著名的概率分布模拟图照片给我。电子散射的照片是劳伦斯伯克利国家实验室的格罗斯（Ronald Gronsky Ph．D.）提供的。我从加州大学伯克利分校物理教授戴维（Summer David）那里学到了很多光谱学的东西。写这本书时，我想到了很多物理学家，但是另外还有很多人在我需要帮助时，给了我他们的时间与知识，我深深地感激他们。

1976年的物理暨意识会议是由伊莎兰研究所（Esalen Institute）赞助的。如果没有他们的指导委员会的热心，没有墨菲（Michael Murphy）的热心，这一切都不可能产生。

注释

STABLE PARTICLE TABLE1 （基本粒子表）

寻找多重宇宙
IN SEARCH OF THE MULTIVERSE

［英］约翰·格里宾　著　常宁　何玉静　等译

海南出版社
HAINAN PUBLISHING HOUSE

目录

致谢

序言 探索

导言 在广袤无垠的宇宙中，一切皆有可能

第一章 即将到来的量子猫

既不是波也不是粒子

量子的不确定性

唯一的谜

解读不可思议的事物

量子猫之母

休·埃弗莱特的多世界诠释

历史的分支树

埃弗莱特从无人问津到炙手可热

第二章 再看宇宙巧合

碳巧合

宇宙为何如此广阔？

核效率

引力太小了，令人难以置信！

宇宙学常数的巧合

平滑的宇宙海中的涟漪

三维适合人类生存，多维不适合

生命的抽奖

第三章 量子位元和时间流逝

拥有两个大脑

量子计算机探索

杀手级应用

实用性

这一切发生在何处？

多重宇宙的比喻

这一切发生在何时？

时间流逝

更广阔的天地

第四章 在所有方向上的无限

时间之箭

宇宙的热死亡

每个可能的意外

时间和距离

时间和热力学

宇宙之箭和引力下降

反弹？

回到未来

第五章 （就像）重新开始

粒子连接

无中不能生有

让宇宙膨胀

回到恒稳态？

时间之河中的泡泡

永恒的暴涨和简单的开始

玻尔兹曼的大脑、时间之箭和因果补丁物理

到无限——并且超越无限！

第六章 弦理论的多重宇宙

引力备受关注

两种方法加上第三种途径

紧致但完美地形成

M的魔力

重新审视令人难以置信的微弱引力

当世界碰撞时

依靠自身的力量

无底洞

有很多像家一样的地方

探索宇宙景观

薛定谔的猫归来

第七章 伪造它？还是制造它？

它是科学吗？

内在的信息

伪造者

黑洞和婴儿宇宙

自然地选择宇宙

一个新的视角

宇宙的创造者

设计宇宙的进化

设计的宇宙

译者后记

附录 专有名词中英对照索引

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宇宙就像漂浮在时间之河中的泡泡，它们是如此之多，如此奇异。

亚瑟·C.克拉克在《在天空的另一边》的“黑暗之墙”中写道。

如果因为理论过于古怪，我们就将其抛弃，

那我们就很可能与真正的突破擦肩而过。

马克斯·泰格马克，麻省理工学院的物理学家

致谢

早在孩提时代，我便对多重宇宙的观点产生了浓厚的兴趣；在20世纪60年代中期，我开始了对多重宇宙的科学探索。四十多年来，我与许多人探讨或书信往来，也与专门研究这一领域的诸位同仁交流切磋，这本书的问世与他们是密不可分的。我不能一一记住他们的名字，但其中的一些我会铭记于心，他们是吉姆·巴哥特（Jim Baggott），朱利安·巴博（Julian Barbour），沃里克·比尔顿（Warwick Bilton），拉斐尔·布索（Raphael Bousso），约翰·W.坎贝尔（John W.Campbell），波纳·卡尔（Bernard Carr），路易斯·达尔齐尔（Louis Dalziel），保罗·戴维斯（Paul Davies），理查德·道金斯（Richard Dawkins），戴维·多伊奇（David Deutsch），乔治·埃利斯（George Ellis），约翰·福克纳（John Faulkner），威廉·福勒（William Fowler），尼尔·格申菲尔德（Neil Gershenfeld），尼古拉斯·吉森（Nicolas Gisin），弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle），劳伦斯·克劳斯（Lawrence Krauss），路易斯·洛克伍德（Louise Lockwood），吉姆·洛夫洛克（Jim Lovelock），威廉·麦克雷（William McCrea），保罗·帕森斯（Paul Parsons），乔·普金斯基（Joe Polchinski），马丁·里兹（Martin Rees），李·斯莫林（Lee Smolin），李奥纳特·苏士侃（Leonard Susskind），马克斯·铁马克（Max Tegmark），爱德华·特莱恩（Edward Tryon），亚历克斯·韦兰金（Alex Vilenkin）和罗纳德·威尔特（Ronald Wiltshire）。同时，我还要感谢肯尼斯·福勒（Kenneth Ford） 和希荷夫则（Eugene Shikhovtsev）同意我从希荷夫则撰写的休·埃弗雷特（Hugh Everett）传记的手稿中引用相关的资料。

除了上述的专业技术人员外，我的书也得益于我的儿媳埃莉诺·格里宾（Eleanor Gribbin）的关键点评。她主修的是英语教育，几乎从未接触过科学，但她委婉地提醒了我，并不是我认为“每个人都知道”的事情，大家就真的会知道。正是由于玛丽·格里宾（Mary Gribbin）的提示，我所有的书都是在讲述一个连贯的故事，而不是仅仅呈现出我的一些奇思妙想。

多重宇宙图书馆这个比喻是在我对克雷斯出版社（Clays printers）的一次拜访过程中产生的；非常感谢他们，既让我度过了精彩的一天，又让我产生了这一灵感的火花。

序言
探索

我一直对生命和宇宙之间的关系非常感兴趣。我们是怎样来到这个世界的？为什么宇宙如此广阔？一切是如何开始的——又将如何结束呢？为了探寻这些问题的答案，我努力学习有关天文学、宇宙学、量子物理学 [1] 、进化、地球历史，以及在宇宙的“其他的地球”中生命存在的可能性等方面的知识。在此期间，我所学到的重要的一点，就是我们的宇宙由一套非常简单的法则支配，该法则不仅允许而且要求某种复杂性的增长，而正是这种复杂性导致了诸如我们人类这样的复杂事物的出现。但我也学会了思考“我们的宇宙”而不是“宇宙”，因为似乎毫无疑问，不同的法则不能在不同的时空区域起作用，在我们可见事物的界限之外，它创造了不同于我们的宇宙，也许，类似于人类这样复杂的事物不会出现在这些宇宙中。

这就是“多重宇宙 ”的观点，它常常与“人择宇宙 ”的观点联系在一起。“人择宇宙”观点指出，我们发现周围的宇宙之所以适合生命的存在，那是因为不同宇宙具有不同的物理定律，而像我们人类一样的生命形式仅仅存在于与我们的宇宙非常相似的宇宙之中。其他的宇宙非常贫瘠，不适合生命形式的存在，因此也不会有“人”生存在其中，并注意到这些宇宙的物理定律有多么的奇特。

那么上述其他的宇宙在哪里呢？我们不可能像詹姆斯·库克（James Cook）在18世纪环球航行寻找南部大陆一样，在物质世界探寻这些宇宙，但数学家和物理学家正在用比喻的方法寻找着，他们尝试通过设计方程式、研发计算机模型的方式来描述多重宇宙。实际上，他们已经发现了许多不同种类的多重宇宙。多重宇宙在空间中可能是无限的，因此具有不同的物理定律的空间各区域因无限的距离而分离，彼此永远不会接触。多重宇宙在时间中也可能是无限的，因此具有不同的物理定律的宇宙一个接一个地连成一列，就像连在金属丝上的珠子，彼此永远不会有联系。多重宇宙可能包含无穷多的宇宙，这些宇宙在不同的尺度上被分开，就像一本无限厚的书中的书页，每一页代表着一个宇宙，它不能与书中的其他书页联系。此外，也存在其他的可能性。

这本书主要是介绍如何用比喻的方法探寻多重宇宙，内容涵盖了当今人们所构想的各种可能性。从为真实的世界提供正确的描述这一层面上来说，我们很难断言其中的某一个观点是“正确的”，但我的确对个别观点情有独钟。我也希望，这些有关多重宇宙的观点之间的不同之处越来越少，而不是愈发地显而易见；所有的观点在理解多重宇宙方面都具有重要意义。最重要的一点——在过去的二十多年间发生的一次引人注目的变化，就是科学界目前开始重视这些观点，不再把它们视为理论学家阅读了太多的科幻小说后产生的胡思乱想。当前，越来越多的证据摆在我们面前，这一事实也就变得越来越难以忽视，那就是，真正的世界不仅仅是我们可以直接看见的宇宙，它涵盖了更多的内容。

尽管目前理论学家正在研究的多重宇宙的观点之中，尚未有一种观点被证实是正确的——即使不可能证实它们是正确的还是错误的——但这是一个视角的转变，其意义之重大不亚于颠覆地球中心说的观点。而且，它还与一个问题相关，即宇宙是偶然出现的，还是设计而成的。同时它也提供了一个不同于我最初的预期的答案。就多重宇宙这个概念而言，目前仍然是问题多于答案，但很显然，现在我们应该去弄清楚这些问题了，也应该了解探寻答案的过程是如何进行的。

注解：

[1] 　本书中的专名在正文中第一次出现时用黑体标注，其英文见附录——编辑注

导言
在广袤无垠的宇宙中，一切皆有可能

五百年前，人们普遍认为宇宙是很渺小的，而我们的家园——地球是宇宙中最重要的部分，同时也是宇宙的中心。太阳和五大已知行星（水星、金星、火星、木星和土星）都是环绕地球轨道运行的较小天体。地球被一个球形壳包围着，这个球形壳位于行星运行的轨道之外，且每天自转一次，而星星是附着于这个球形壳上的光点。除了昼夜更替和季节变换，这种结构似乎是永恒不变的。那种认为除地球之外还存在其他世界的观点简直就是异端邪说。16世纪末，布鲁诺（Giordano Bruno）被烧死在火刑柱上，就是因为他的思想与主流天主教学说背道而驰。他认为发光的星星都和太阳相似，宇宙中一定存在着其他类似地球的星体，生命也不仅仅是地球的专利——尽管这些信仰并不是给他定罪的主要原因。

即使是在古代，也曾有哲学家猜测地球是绕着太阳旋转的，但是16世纪以前，这种观点从未得到广泛认可。1543年，随着哥白尼（Nicolaus Copernicus）的著作——《天体运行论》（De Revolutionibus Orbium Coelestium ）的发表，人们的观点发生了变化。正是哥白尼锲而不舍的深入研究，使我们形成了现代宇宙观。他的想法的令人震惊之处，不仅在于他提出了日心说（地球绕着太阳转）的假设，更在于这一假设的隐含意义：地球只不过是绕太阳公转的众多行星中的一颗；在太空中，其他行星可能与我们的家园——地球一样重要。

哥白尼另外一个令人震惊的观点是，他认为太阳并不是天空中最重要的天体，它只不过是一颗普通的恒星。1576年，托马斯·迪格斯（Thomas Digges）在英国用望远镜观测银河系时，观测到了大量的恒星。他在一本名为《永恒的预言》（Prognostication Everlasting ）的书中写道，宇宙是无限的，恒星遍布其中。16世纪80年代，旅居英国的布鲁诺接受了这些观点。同样，伽利略（Galileo Galilei）和开普勒（Johannes Kepler）的研究也是以哥白尼的观点为基础的。17世纪，天文学家开始估算恒星间的距离，他们猜想，每一颗恒星都像太阳一样明亮，但是，因为这些恒星距离我们非常遥远，所以看起来光线才会非常微弱。1728年，艾萨克·牛顿（Issac Newton）估算出天狼星与地球之间的距离约为太阳与地球之间距离的一百万倍。这个推算与现代技术测量的距离相差无几。当时，随着人们对行星运行轨道的科学理解，天文学家开始利用几何技术计算太阳和行星间的距离，他们已经知道太阳距地球约1.5亿公里（用现代技术测量是149 597 870公里），而土星——古人认为离太阳最遥远的行星，与太阳的距离约为地球距太阳的十倍。短短两百年间，本来是完全以地球为中心的宇宙，在天文学家的眼中已经缩水，成了广袤无垠的宇宙中的小小一隅。

这些观点的消化吸收又经历了两百年，与此同时，望远镜、天文摄影和光谱学技术得到了长足发展，由此引发了天文学的下一个重大飞跃。两百年间，在土星的运行轨道之外，天文学家又发现了太阳系中的其他行星（天王星和海王星）。同时，恒星间距离的精确测量技术也在不断发展进步，天文学家可以利用光谱测量恒星的物质构成。与这两项技术相比，太阳系中更多行星的发现就显得无足轻重了。20世纪20年代之前，这些技术使我们了解了地球在宇宙中的时空方位。

托马斯·迪格斯从小型望远镜中看到，我们称之为银河系的光带是由无数恒星组成的。几十年后，伽利略在对迪格斯的研究一无所知的情况下，独自得出了相同的结论。迪格斯认为望远镜中观测到的星群是向四面八方分布并无限延展的。早在1750年，英国达勒姆郡（Durham位于英国东北部）的天文学家托马斯·怀特（Thomas Wright）在他的著作《宇宙新猜想》（An Original Theory or New Hypothesis of the Universe ）中指出，银河系所形成的横跨天空的光带是一个尺寸有限的圆盘形系统，其形状就如同磨坊里的磨盘。该理论的关键之处在于：太阳并不是由恒星所构成的盘面的中心；而且从望远镜中观测到的模糊光块，现在我们称之为星云，位于银河系之外。

怀特的理论推理遥遥领先于他的时代，但由于18和19世纪技术水平的限制，他的理论无法通过天文观测加以验证，因此他的作品后来几乎无人问津。直到20世纪，人们通过观测发现，银河系的结构竟然与怀特所提出的假设不谋而合，除此之外，人们对于自己所生活的宇宙的本质也有了更为深入的了解。

20世纪20年代以后，通过天文观测，我们已经知道银河系的确是一个近似圆盘形的系统，它包含数千亿颗恒星，每颗都与我们的太阳类似，引力把它们聚集到了一起，它们围绕着共同的中心（银河系的中心）在各自的轨道上运行。这一圆盘的直径大约为10万光年（用天文学家常用的单位表示，约为30千秒差距），因此，如果光以每秒近乎30万公里的速度行驶，要横穿这个圆盘需要10万年（1光年大约是95000亿公里）。太阳位于这个圆盘的平面上，距银河系的中心大约3.3万光年，太阳附近的圆盘平面，厚度约为1000光年（约300秒差距）。这些令人印象深刻的统计数据，远远超越了前哥白尼学说的宇宙观。但是，如果再看看接下来的发现，我们对于银河系的惊叹就变得苍白无力了：整个银河系只不过是浩瀚太空中的一个小岛，作为众多星系中的普通一员，它是很难引起人们关注的；同样，太阳也只不过是众多恒星中甚为普通的一员而已。

怀特关于银河系本质的观点是正确的，与之类似，他对星云的猜想，即星云——至少部分星云——位于银河系之外，也被证明是正确的。虽然有些星云只不过是银河系中发光的气体和尘埃，至今也被叫做星云，但我们现在称那些“外部 ”星云为“星系 ”。星系有不同的形状和大小，而银河系是已知的类圆盘星系中的近乎中等大小的成员。我们的地球围绕一颗普通的恒星运转，这颗恒星只不过是一个普通星系中上千亿颗恒星中的一颗，而我们所在的星系也只不过是上千亿星系中的普通一员而已。我们在宇宙中的位置毫无特殊之处。这就是我们对地球在宇宙中的地理位置的最基本的认识。

据估计，虽然我们只对几千个星系进行了系统研究，但原则上说，当今的望远镜可以观测到上千亿个星系。它们以星系团的形式分布在整个可见宇宙，最遥远而且可拍摄到的星系的光芒要穿越超过100亿光年的路程才能到达我们的望远镜。这和我们所说的这些星系距地球100多亿光年可并非一回事，因为根据20世纪20年代的另一重大发现，星系团正朝着相反的方向移动，彼此间相距越来越远。宇宙正在膨胀，所以，经过100亿年，这些光到达我们这里时的距离已经与这些光刚刚从它们的星系出发时距我们的距离不一样了。

宇宙膨胀（理论）是了解我们在宇宙史中地位的关键。人们无意中发现宇宙在不断地膨胀，但实际上阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）的广义相对论已经推算出这一现象，然而，他忽视了这一推算结果。20世纪20年代晚期和20世纪30年代早期，美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）对测量星系间的距离产生了兴趣，他与同事米尔顿·赫马森（Milton Humason）一起，发现星系间的距离与其光谱特征的红移成正比。这种红移顾名思义是指——光谱特征向光谱的红（长波）端的移动（这种移动是相对于实验室中测量的位置的移动）。哈勃并不关心发生红移的原因，也没有试图解释它——他只对如何利用红移来测量距离感兴趣。但不久后，其他天文学家意识到，产生这种效果的原因在于，随着时间的推移星系间的空间（严格地说，是星系团间的距离）在延伸（即星系间的距离在变大）。

宇宙学红移为何能如此之快地得到这种解释？原因在于，爱因斯坦20世纪20年代提出的广义相对论能够自然地推算出这种空间延伸效应。那时，大多数人仍然认为银河系就是整个宇宙，银河系肯定不会膨胀。因此，爱因斯坦曾在自己的方程中额外加入了由希腊字母兰布达（Λ）表示的参数，常被称为“宇宙学常数”。如果去掉这个常数，广义相对论方程就会很自然地推算出宇宙 [1] 在不断膨胀，而且这种膨胀方式与星系观测所观测到的膨胀方式是完全相同的。这种膨胀的确是由空间本身的延伸导致的，领会到这一点至关重要。尽管通过多普勒效应，星系的空间移动有可能产生红移（和蓝移），但是星系的空间移动并不能产生宇宙学红移。红光比蓝光的波长更长，而且由于我们的地球与遥远星系之间的空间在延伸，光波在到达地球的旅程中被拉长了，因此产生了宇宙学红移。

这种膨胀的一个重要特点是，它没有中心，与炮弹碎片从爆炸点向外扩散的方式不同。尽管天文学家知道星系的空间移动并不能产生宇宙学红移，但是为了便于同多普勒效应类比，天文学家引入了一个等效速度 ——“退行速度 ”，使得由星系的空间移动产生的红移同宇宙学红移具有相同的效果。在这里，速度与星系距我们的距离成正比——而且速度与任何星系间的距离都成正比。我们并非处于宇宙的中心，而且宇宙也没有中心。

一个简单的比喻就能使这一点清晰明了。想象一个球体，如篮球，上面点缀着许多随机点的油漆点。如果球体尺寸增加一倍，每一个油漆点好像都会朝着远离相邻的油漆点的方向移动。无论你选择从哪个点来衡量，其他点都似乎正在后退。这又是一个可以证明地球在宇宙中并非占据特殊位置的例子。地球并非处于一个特殊位置，它似乎是位于一个非常普通的地方，如此普通以至于俄罗斯宇宙学家亚历克斯·威廉金（Alex Vilenkin）造了一个新词“地球般的平庸 ”来描述我们的位置。

星系在空间中彼此互相远离的运动，似乎始于一次大爆炸的中心位置，虽然这种运动并不能形成宇宙学红移，但是，如果我们采取逆向思维来看待宇宙的膨胀过程，我们就会看到，宇宙学红移的发现，从表面上看，确实意味着很久以前我们周围可以看到的一切都被压缩到一个体积极小的空间中。那些描述当今宇宙膨胀的类似的等式也证实了这一点。现代科学对宇宙膨胀的测量和数学模型都表明，整个可见宇宙起源于137亿年前的一个炙热的能量火球，其体积比原子还小。

这个数字的精确度一直受到人们的关注。早在20年前，宇宙学家就争论“宇宙的年龄”到底是接近100亿年，还是接近200亿年，这场争论有时是非常激烈的，而把宇宙的年龄确定为接近200亿年，会给那些没有参与这场争论的人留下深刻印象。现在，这一数值已经非常明确，几乎没有改变的余地了，宇宙的年龄肯定是介于136亿年和138亿年之间。宇宙是从一个极小的起点大爆炸形成的，称为宇宙大爆炸。这个术语出自英国宇宙学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle），他杜撰这个词的初衷是为了嘲弄这种他认为非常荒谬的想法，然而，现在这个词已经得到广泛使用——即使宇宙并非起源于大爆炸，甚至没有任何东西发生爆炸。

宇宙的年龄是有限的，有证据表明随着时间的推移宇宙也在发生变化（“演化”）。以上两点使我们置身于宇宙史中。从某种意义上说，原来我们确实处于宇宙历史的某个特殊的时刻，尽管这种观点与地球平庸的观点（有时称之为“原则”）并不矛盾。正如我将会在本书中解释的那样，恒星和星系的演化以及构成我们身体的化学元素在恒星上的形成都是需要时间的。太阳和地球的年龄约为45亿年，因此它们诞生于宇宙大爆炸后的大约90亿年。这一时间点正是类似地球这样的富含构成生命的化学成分的行星得以形成的时间点。从这个意义上说，地球形成于一个特殊的时间点，但没有理由认为当时只形成了地球一颗行星。

这使我们回想起布鲁诺。布鲁诺猜想宇宙中充满了无数的恒星和行星，每一颗恒星都与太阳类似，很多行星上都有生命。他写道：

在太空中有无数的星座，有些是类似太阳的恒星，有些是行星；我们只能看到恒星，因为它们发光；行星是不可见的，因为它们都很小而且是黑暗的。宇宙中还有无数的“地球”在围绕它们的“太阳”旋转，这些“地球”并不比我们的地球差，和我们的地球同样重要。

这是一个早期有关“多世界 ”假设的例子，“世界”这个词有多种含义，此处世界是“行星”的同义词。17世纪初，如果你拥有一架足够强大的望远镜，原则上说，你肯定能从地球上看到其他的世界，甚至是所有的世界；如果你有耐心，经过一段很长的旅程，你甚至能够拜访这些世界。恒星都集中在像银河系这样的星系中，这个事实并不影响布鲁诺论点的要旨；但他却不知道宇宙诞生于过去的某个确定的时间，他也不知道光速是有限的。这些事实确实改变了我们对“多世界”意义的理解，到底“多世界”能否被我们观测到？我们的看法也改变了。

17世纪下半叶，通过对木星卫星的日食观测，丹麦人奥莱·罗默（Ole Rømer）确立了光速的有限性；20世纪初期，爱因斯坦确立了光速是极限速度，什么都不能超越光速这一事实。由于宇宙诞生于137亿年前，大爆炸后光线穿越空间的距离应该是有限的。这段距离并非137亿光年，因为正如我们所看到的，自从光踏上旅程以来，空间在不断膨胀。由于这个原因，细心的天文学家更喜欢使用术语“回顾时间 ”而不是“距离”。但无论使用什么术语，都不影响我们所探讨的问题。从我们的角度来看，即使我们拥有完美的望远镜，我们在宇宙中所能观察到的距离，也就相当于137亿年的回顾时间。来自宇宙中更遥远地方的光线还没有足够的时间到达我们这里。但这些光线是有可能到达我们这里的！如果从现在算起的10亿年后，地球上能有些聪明的观察者，他们将能够看到距离我们相当于回顾时间147亿年的天体。空间泡泡一直都在增大，原则上说，它能够为我们所知，并且会影响我们。

这一点同样适用于宇宙中以任何星系为中心的空间泡泡。如果宇宙的确是无限的，应该存在着无数个这样的泡泡，它们有的互相重叠，有的彼此完全分离，但所有的泡泡都处于由时间和空间构成的同一个宇宙中。从布鲁诺给世界下的定义看，有可能确实存在着无限数目的世界，但永远也不会有一个观察者能够了解所有的世界。

尽管我们所看到的宇宙体积是有限的，但宇宙很有可能是无限的。当宇宙学家谈及宇宙起源于一个比原子还小的能量火球时，他们所说的宇宙指的是整个可见宇宙。原始的超密状态可能本身就已经无限大，而我们的可见宇宙可能只代表了这个无限区域中微小的一部分而已，该区域已经膨胀到一个比原来大得多的尺寸。这一点我会在本书第五章中探讨。

无限数量的世界允许无限数量的变化，事实上，就会存在无限数量的相同的复制品。从这个意义上说，在一个无限的宇宙中，一切皆有可能，即会存在无限数量的“地球”，在那里生存着与你我完全相同的人类，他们像我们一样生活在那些“地球”上；还会有无限数量的其他的“地球”，在那里，你是首相，而我是国王，等等。但是这些类似地球的星球光临“我们的”泡泡的概率微乎其微。根据美国宇宙学家马克斯·泰格马克（Max Tegmark）的计算，离我们最近的“另一个”你可能生活在一个非常遥远的泡泡里，如果用米表示这段距离，你需要在一个数字后加上1029个零——不是29个零，而是10的29次方个零。与之相比，可见宇宙中全部恒星和星系的原子的总数量仅仅约为10的80次方，即1后面有80个零。

如果这就是有关多重宇宙的所有观点，写这本书就毫无意义了。但是，关于多重宇宙，还有更多可供探讨的内容——多得多。有争议的是，存在于同一个不断膨胀的空间和时间中的其他泡泡，并不被看作是其他的宇宙，它们只不过是我们宇宙中无法到达的地方。真正的多重宇宙的观点与我们对科学的核心理解发生了碰撞，从而引出了许多难题，如物理定律为什么是这样的？为什么宇宙是一个能够孕育生命的舒适的家。尤其是第二个问题，一百多年前，引发了一场争论，在这场争论中“多重宇宙 ”这个术语第一次用于天文领域。但从那以后，这个词已经有了许多不同的含义。在进一步阐释多重宇宙之前，首先要弄清楚我所说的多重宇宙到底是什么意思，这一点至关重要。

根据《牛津英语词典》，1895年，美国心理学家威廉·詹姆斯（William James）〔小说家亨利·詹姆斯（Henry James）的哥哥〕最早使用了“多重宇宙”这个词。但他当时感兴趣的是神秘主义和宗教体验，而不是宇宙的物理本质。同样，虽然这个词出现在G.K.切斯特顿（G.K.Chesterton）、约翰·考珀·波伊斯（John Cowper Powys）和迈克尔·莫考克（Michael Moorcock）的著作中，却与科学一点也不沾边。在我们看来，这个词第一次非常有趣地用于科学领域源于艾尔弗雷德·拉塞尔·华莱士（Alfred Russel Wallace）提出的一个论题。1903年，华莱士出版了《人类在宇宙中的位置》（Man’s Place in the Universe ），这本书进一步拓展了他发表于报纸上的两篇文章中的观点。在此书中，他提出进化是自然选择的结果。但与达尔文（Charles Darwin）的观点截然不同，他还认为“不仅在太阳系，而且在整个恒星宇宙中，我们的地球是唯一有人居住的星球”。与达尔文不同，华莱士从事宗教劝导工作，在探讨“假定的世界的多元性 [2] ”时，他的判断也许会带上宗教色彩。但是，我们应该看到，在研究“我们的存在”这个谜题时，他所使用的方法是非常现代的。他写道：

多年来，我特别关注的问题是地质时代的测量、温和的气候以及在所有地质时代中都普遍存在的相同的条件。但是鉴于同时存在的起因的数量和保持这种一致性所需要的各种条件的微妙的平衡，我更加坚信，所有的证据都充分否定了存在其他可居住星球的概率和可能性。

我们的生存需要一连串的巧合，这是第一次对这些巧合所做的正式的、科学的解释。从这个意义上说，艾尔弗雷德·拉塞尔·华莱士应被视为“人择宇宙学 ”（我们现在的说法）之父。

华莱士的书引发了一系列争论。其中，公开反对他的结论的有H．G．威尔斯（H．G．Wells）、威廉·拉姆齐（William Ramsay）（惰性气体氩的发现者之一）和奥利弗·洛奇（Oliver Lodge）。洛奇是一名物理学家，他为收音机的发展做出了开创性的贡献。正是洛奇使用了“多元”这个术语，但是他的多元是指行星的多元，而不是宇宙的多元。

科学界将这个词遗忘了半个多世纪。随后苏格兰业余天文学家安迪·尼莫（Andy Nimmo）重新创造了这个词。尼莫是英国星际学会苏格兰分会的副主席，1960年12月，他正准备在这个分会发表讲话，探讨美国人休·埃弗莱特（Hugh Everett）提出的一个有关量子理论的新观点。这就是对量子物理的“多世界诠释 ”，在这里“世界”这个词是“宇宙”的同义词（从此处开始，本书中所提到的世界也是这个意思）。但是由于词源的原因，尼莫反对使用“many universes”（许多宇宙）。因为“宇宙”这个词的本义是“所有存在的一切”，如果宇宙指的是所有存在的一切的话，你所能拥有的宇宙就不可能超过一个。1961年2月，为了在爱丁堡（Edinburgh）发表演讲，他发明了词语“multiverse”（多重宇宙）。“multiverse”的意思是“许多世界中的一个”。用他自己的话说，他想用这个词来表示“一个显而易见的宇宙，一种多样性，这种多样性可以构成一个整体……你可能会居住在一个充满了多重宇宙的宇宙中，但从词源意义上说，你却不能生活在一个包含‘很多宇宙’ [3] 的多重宇宙中”。

呜呼哀哉，都是词源惹的祸。后来，“multiverse”这个术语时常被提到和使用，但是，以后的意义却与安迪·尼莫所要表达的意义大相径庭了。1997年，这个词的现代用法得到了广泛使用。当时，戴维·多伊奇（David Deutsch）发表了《真实世界的脉络》（The Fabric of Reality ）。书中，他说，“造multiverse（多重宇宙）这个词的目的，是为了把物理现实表示为一个整体”。他还说，“这个词其实并不是我发明的。休·埃弗莱特的支持者们都在非正式地普遍使用这个词，我记得我只不过是借用而已”。他在此书中用了戴维·多伊奇对“multiverse”诠释的意义。现在，这种意义也是对其他的世界 [4] 感兴趣的所有科学家所采用的意义。“multiverse”就是存在的一切；一个“universe”（宇宙）是一群特定的观察者可观察到的“multiverse”（多重宇宙）的一部分。“我们的”universe （宇宙）是我们周围所能看到的宇宙。由此可见，要研究多重宇宙，还有什么能比从研究休·埃弗莱特本人开始更好的呢？

注解：

[1] 　我用“宇宙”这个术语来指代我们原则上能够看到的所有的一切。“宇宙”一词用来指对时空区域的可能行为的数学描述（数学模型），而且它还指可能存在于超越我们的空间和时间之外的其他的世界。广义相对论所描述的膨胀的宇宙是一个模型，但它与真实宇宙的行为相符。

[2] 　华莱士自己所做的强调标记。

[3] 　此处的universes指的是universe在词源上的意义——译注

[4] 　我建议所有受到冒犯的词源学家参考一下汉普·达谱（Humpty Dumpty）在《由镜中看世界》（Through the Looking Glass ）中所做的评论。“当我使用一个词的时候，”他嘲讽说，“它的意思恰恰就是我想要它表示的意思，不多也不少。”

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即将到来的量子猫

既不是波也不是粒子/量子的不确定性/唯一的谜/解读不可思议的事物/量子猫之母/休·埃弗莱特的多世界诠释/历史的分支树/埃弗莱特从无人问津到炙手可热

量子物理学是研究支配微观物体运动规律的科学——这些微观物体基本上约为原子般大小，有的甚至比原子还小。为了让大家更清楚地了解微观物体的大小，让我们来看看下面这个例子。每张邮票上都有锯齿，要想连接两个相邻锯齿的顶点，需要大约1000万个原子并排排成一线才能实现。在一个层面上，支配如此微小物体的物理定律有别于支配人类这么大的物体的物理定律（牛顿于17世纪发现）是不足为奇的。牛顿物理学描述的物体运动包括诸如台球在桌面上滚动并互相碰撞，波在池塘的水面上泛起涟漪扩散开来，或是向火星发射火箭这样的运动。但在另一个层面上，令人极为震惊的是，量子物理学原来与牛顿物理学是迥然不同的——这些差异不光体现在小的方面，实际上，它们有着本质的差异。话又说回来，毕竟诸如台球、池塘中的水、火箭这样的物体都是由原子构成的，那么，为什么整体的行为和构成整体的个体的行为存在着如此大的差异呢？

对于这个问题，至今仍然没有一个完全令人满意的答案。倒是有几种可能的答案，这几种答案都是有充分根据的，但这种情况本身就很难令人满意。而且凭我们的日常经验，没有一个答案是“合情合理的”。关于量子物理学，我们最需要关注的就是这一点。量子物理学超越了我们的日常经验。人类的大脑根本无法理解诸如光和电子这样的量子实体 “到底是什么”。我们所能做的就是做实验，并且通过与日常世界中我们认为自己已经知道的事物进行类比，来解释实验结果。

｜既不是波也不是粒子｜

在某些实验中，光的行为似乎与池塘里涟漪的行为很相似；在另一些实验中，它似乎又很像一串微小的台球。但是，这并不意味着光“是”一种波或“是”一种粒子，甚至也不能说明它是一种波和粒子的混合物。从某种角度看，光像波，具有波的性质；从另一种角度看，光像粒子，具有粒子的性质。因此，光是一种我们无法想象的物质。同样，电子和所有其他量子实体也是如此。或许，由于人类的经验有限，我们问错了问题。但是，至今我们仍然固执地问着问题，坚守着我们已经得到的答案。

早在1928年，物理学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）就对这种状况进行了总结，他在《物理世界的本质》（The Nature of the Physical World ）中写道：“我们所熟悉的概念没有一个能够解释电子，某些我们现在还不知道的东西在支配着它。”他指出，“我曾在什么地方看到过类似的东西——有（一）天皇里，那些活济济的狳子在卫边儿尽着那么跌那么霓”。 [1]

对于电子的理解，80年来没有发生过变化。我们仍然不知道电子（或其他量子实体）到底是什么，也不知道它们的行为方式。

事实上，如果我们摒弃头脑中光与波和粒子的联系，就会更有利于我们用《无聊话语》中的语言理解量子物理学中的一切，电子肯定会更易于我们理解。即使我们不知道量子实体到底是什么，也不知道它们的运行机制，但是，只要知道当以某种方式刺激它们时，它们肯定会有所动作，物理学家们就可以利用量子实体。这一点是非常吸引人的。这就像只要你掌握了如何使用操控装置，就能学会开车一样，你根本一点也不用知道引擎罩下到底是怎么回事。

此处仅举两个例子。计算机芯片现在几乎已经应用于所有领域，从你的手机到用来预测天气的超级计算机，而计算机芯片的设计离不开量子物理学；另外，DNA和RNA是构成生命的大分子，量子物理学还能够解释像DNA和RNA这样的大分子是如何工作的。研究量子物理学，不仅仅是不谙世故的科学工作者的一个晦涩难懂的业余爱好，它给我们带来的好处是直接而实用的。但是，在这本书中（除了第三章的一部分），我更关注的是量子物理学晦涩难懂的部分和（如果你喜欢的话）量子物理的哲学含义。再没有比薛定谔的猫以及由它衍生出来的猫的故事更古怪的了。但在我们探讨这些猫之前，首先要了解一些基本的量子物理学知识。

上文已经提醒你量子实体既不是波，也不是粒子，更不是波与粒子的混合物。作为我们理解量子世界的向导，我们的日常经验是多么的匮乏呀。要想深入了解次原子层面上发生的事情，最好的方法就是思考这些实体是怎样像波和粒子那样运动的。这至少可以帮助我们简单地了解不确定性 ——不确定性是量子世界最重要的特征之一，同时又是我们无法根据常识理解的。

｜量子的不确定性｜

在量子物理学中，不确定性是确定不移的。一个量子实体拥有两个参数，称为共轭变量，不可能在同一时间精确测定两个变量的确定值。你对特性A的了解越精确，对特性B的了解就越不精确，反之亦然。我们不能把责任归咎于我们还不完善的测量设备。这是1927年物理学家沃纳·海森堡（Werner Heisenberg）发现的一种自然规律，后来被称为海森堡的测不准原理。最重要的共轭变量对是位置/动量和能量/时间。

海森堡描述的典型例子是位置/动量关系。在这种情况下，动量就相当于速度向量，速度向量描述的是某物运动的速度和方向。海森堡发现，诸如电子这样的实体，其位置的不确定性乘以其动量的不确定性，始终大于一个特定的（极小的）数值，普朗克常数除以2π。只要你愿意，原则上，你可以尽可能接近此限制。但是，你对诸如电子这样的量子实体的位置确定得越精确，你对这个电子将去向哪里就越不确定。电子的动量（或速度向量）确定得越准确，它的位置就越不确定。这种不确定性是电子（或其他量子实体）本身的一种属性。电子自己也不能同时“知道”它在哪里和它将去向何方。

这就是波和粒子的类比的用处所在。但请记住，这只是类比。波是可以扩散的。它很可能以确定的速度朝着一个确定的方向扩散，但它无法位于一个点上。如果一个粒子足够小，那么这个粒子几乎可以位于一点上，条件是它不能以明确的动量运动。但是，如果它运动了——如果它有一定的动量的话，它就不会位于一点了。受到环境的限制，一个量子实体的行为方式越像波，它就越不可能停留在它原来的位置上；它的行为方式越像粒子，它的运动方向就越不确定。

概率是描述粒子的标准方法。如果一把电子枪朝着荧光屏的方向发射了一个电子，像在旧式电视机的阴极射线管中一样，当电子离开电子枪的那一刻，代表它的波就会在空间中扩散开来，因为它的位置是不确定的。量子物理学规律告诉我们，原则上，电子最终可能位于宇宙中的任何地方；但有一个很大的概率，那就是它很可能会撞击荧光屏，并在屏幕上制造一个光点。它制造光点的那一瞬间，其位置的不确定性就会大大缩小到电视屏幕上光点的大小。这就是所谓的波函数的坍缩。然后，这个波会从新位置开始扩散。除非电子被紧紧锁定在原子中，或者电子被其他方式捕获，随着时间的推移，它的位置会变得越来越不确定。如果它已经被锁定在原子中，它仍然会受到量子不确定性的制约，但这与我们寻找多重宇宙没有直接关系。

｜唯一的谜｜

所有这一切都很难令你的大脑信服。但量子世界的本质可以用一个简单的实验概括，这个实验中有一个空白挡板，在这个空白挡板上有两个小孔，向这两个小孔中射出光线，或电子束。理查德·费曼（Richard Feynman）曾因在量子理论方面做出的贡献获得过诺贝尔奖，他说这个实验“揭示了量子力学的核心。事实上，这个实验蕴含着量子力学中唯一的谜”。 [2] 如果你发现你仍然无法说服自己的大脑，让它明白这个双孔实验到底是怎么回事，他还评论说：“我想我可以有把握地说，没有人理解量子力学……没有人知道它怎么会是那个样子的。” [3] 所以，和你一样，很多人也有相同的苦恼。

这个双孔试验也被称为双缝实验，因为做这个实验时，这两个孔可以是用剃须刀在一张卡片或纸上划出的两条平行的缝。在暗室中，光线通过这两条狭缝照射出来，从而在卡片的另一边开始扩散，正好扩散到另一张卡片上，并在这张卡片上形成一种图案。这种图案呈明暗相间的条纹状。19世纪，人们是这样解释这种现象的：光波从两个缝隙中扩散开来，并且互相干扰，这就像把两个鹅卵石同时扔到一塘静水中，所产生的涟漪相互重叠着扩散开来一样。当波以同一步调扩散的时候，它们的力量就会相加，从而形成明亮的条纹；当波不是以同一步调扩散的时候，它们的力量就会相互抵消，从而形成暗条纹，这似乎能确凿地证明光是一种波。

但20世纪初，爱因斯坦证明，光的行为就像一串粒子流。这一过程被称为光电效应，在此过程中，射到金属表面的光把金属表面上的电子激发出来。射出的电子的能量值是特定的，爱因斯坦对它的解释是：因为光以粒子的形式照射到了金属表面，这种粒子现在被称为光子，而且每一个粒子都具有一定的能量。顺便提一句，正是因为他的光电理论，而不是相对论，爱因斯坦获得了诺贝尔奖。

因此，对于光，你可以做两种实验，一种实验表明光的行为方式像波，而另一种实验表明光的行为方式就像一串粒子流。在研究电子时，同样证明了电子既像波又像粒子，但证明顺序颠倒了过来，首先证明的是电子是粒子，然后才证明电子是波。

19世纪末，J．J．汤姆森（J．J．Thomson）在剑桥指导了一项实验。实验证明电子是粒子，得到了各方的认可。但20世纪20年代，由一些研究人员，其中包括J．J．汤姆森的儿子乔治·汤姆森（George Thomson），进行的实验却表明电子的行为方式像波。因为证明电子是粒子，J．J．汤姆森获得了诺贝尔奖；因为证明电子是波，乔治·汤姆森也获得了诺贝尔奖。没有什么比这更能概括量子世界的非常识性了。

今天，双孔实验已经演化出了多种版本，而且这些实验都做到了非常精细的地步。例如，在不同的实验中，可以发射单实体，如光子或电子，使之通过这两个孔，一次通过一个。本书中，我将描述发射电子得到的实验结果，但也曾有人对光子做过完全相同的实验。实验中，我们不是在孔的另一边放一张卡片，而是放一个类似电脑显示器那样的监测屏幕。电子每次到达这个监测屏幕的时候，它都会记录下一个光点，并且在屏幕上保留这个光点。随着越来越多的电子的到来，这些光点就会构成一种图案。研究人员在做这项实验的时候，每一个电子都是以一个粒子的形式到达屏幕的，而且每个电子都会在屏幕上形成一个光点。但随着成百上千的电子相继通过实验中的孔，在屏幕上所形成的图案就成了一种干涉图案，这是实验中波扩散形成的典型图案。

每个电子看来不仅是一次穿过两个孔然后互相干涉，而且还会在干涉图案上给自己找到合适的位置。这个位置位于先于它或在它之后到来的电子的旁边。无论是在空间上（两个孔），还是在时间上，量子世界的实体似乎了解整个实验。

在另一项实验中，实验者可以设置监测器来观察这两个孔，监视每个电子到底穿过了哪个孔。当他们这样做的时候，他们从未发现一个电子可以同时通过两个孔。他们只看见这个电子不是穿过这个孔，就是穿过那个孔。而且当他们这么做的时候，从未出现过干涉图案。屏幕上的光点会形成两个斑块，每个孔后面都有一个，如果你把电子看成是粒子的话，你就会想象出它会形成怎样的斑块了。电子似乎也知道是否有人在监视着它们——同样，光子和所有其他的量子实体都有这样的表现。

这就是为什么费曼说，双孔实验可以揭示量子物理学的核心，而且没有人知道它为什么是那样的。我们最好还是像谈论“有（一）天皇里，那些活济济的狳子在卫边儿尽着那么跌那么霓”一样，谈谈双孔实验中的电子吧。尽管我们不明白量子世界内部到底是怎么运转的，但量子力学方程式使我们可以精确描述正在发生的事情。例如，如果知道了在何种情况下电子会像波那样运动，而且也知道了电子在何种情况下会像粒子那样运动，我们就可以设计出电脑芯片。这看起来很荒唐，但确实奏效。

｜解读不可思议的事物｜

因此，人们试图用他们可以理解的图像的方式来解释它是如何运作的。这些方式被称为量子物理学诠释。首开先河的是哥本哈根诠释，因为做出这种解释的科学家大都在哥本哈根工作，故此得名。从20世纪30年代至20世纪80年代，这是关于量子世界的标准思维方式，而且至今仍在广泛传授。但在解答了许多问题的同时，它也引发了同样多的问题。

根据哥本哈根诠释，如果我们没有观察原子、电子和其他的量子实体，就想知道它们在做什么，这是毫无意义的。而且，我们永远不能确定某个量子实验的精确结果。我们所能做的是计算一项特定的实验会出现一种特定的结果的概率。这就跟你玩掷骰子时完全一样，如果你掷出一个真正的骰子，得到12分的概率是确定的，另一个确定的概率是你可能获得5分，等等。与此同时，你还知道你永远不会得到17分或4.3分。在量子实验中，也会发生同样的事情。有些结果更可能出现，有些出现的概率很小，有些是不可能出现的。

掷骰子的时候，也许你事先不知道你掷的总分，但即使你没有看到骰子，你至少知道骰子会在那里。哥本哈根诠释认为，不观察量子实体的时候，它们就会转变成一种波的混合物（有时称之为波函数），它代表不同的概率。这种混合物被称为叠加态。进行一次测量，这次测量行为就迫使量子实体在这些状态中选择一种状态，当然这要符合这些状态的概率，随后波函数就坍缩了。但只要测量已经完成，量子实体马上就会再次开始转变成一种混合物，从而形成一种新的叠加态。

仔细观察双孔实验，哥本哈根诠释认为，只要实验一端的这个电子一离开电子枪，就会转变成一种叠加态，即波会通过两个孔。波一穿过这两个孔，它们就会互相干扰，产生一种新的叠加态。随后，当到达目标屏幕时，这种波函数就会坍缩成一个点，而电子就会成为一个真正的粒子，至少暂时如此。然而，如果我们设计实验，想看看到底电子要穿过哪个孔，这种观察行为会迫使波函数在其中的一个孔中就坍缩了，然后，在实验的另一边它会从一个位置扩散开来，这种扩散没有干扰，会形成一种不同类型的图案。

亨氏·帕赫尔斯（Heinz Pagels）在他所著的《宇宙代码》（The Cosmic Code ）中，已简洁地概括了这种情况。他的评论值得我们引述，因为当时他任纽约科学院主席，肯定知道自己在说什么。他说，根据哥本哈根诠释：

一个离开了人类的实际观测谈论位于空间的某一位置（如位于两孔中的一孔）的电子的客观存在是毫无意义的。只有当我们观察电子的时候，电子好像才会突然以实物的形式出现……现实有一部分是由观察者创造的。

你可能认为这真是太荒谬了。如果你真这样认为，那你跟埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）的想法不谋而合。由于在量子物理方面的工作，物理学家埃尔温·薛定谔也曾获得过诺贝尔奖。他痛恨哥本哈根诠释（有一次，他曾经和父亲谈到量子理论，他说，“我不喜欢它，并且我希望我从来没有和它扯上关系”），为了凸显哥本哈根诠释的荒谬性，他虚构出了著名的“箱子里的猫”的实验。这一场景纯粹是虚构的——这是一种“思维实验”。没有任何一只猫曾经遭受过薛定谔所描述的那种屈辱，但这一实验有力地反驳了哥本哈根诠释。

在薛定谔对这个实验的描述中，他用复杂的盖革计数器监控放射性原子。我的试验与他略有不同，同时，还引出了量子世界的另一个古怪特性。

｜量子猫之母｜

想象一个约鞋盒大小的箱子，这个箱子中除了一个电子外，空无一物。哥本哈根诠释认为，该电子的波函数会扩散开来填满整个箱子，因此，如果我们看看箱子里面，在箱子的任何一处发现该电子的机会是相等的。现在，设想把一块光滑而垂直的隔板插入箱子的正中间，就像魔术师用隔板把一位女士锯为两半的幻觉一样。常识告诉我们，该电子现在一定被困在了半个箱子里——如果箱子里装的是一个弹跳的小球的话，的确会发生这种事情。但哥本哈根诠释告诉我们，该电子的波函数仍会充满箱子的两部分。如果我们看看箱子里面，这就相当于我们在箱子的任何一部分中发现该电子的概率是相等的。

现在，让我们来谈一谈量子世界的另一个古怪的特性。想象一下，这个箱子被完全分成两个独立的部分，就像成功地把一位女士锯为两半的幻象一样，因此，这两部分可以分开，中间还会留有间隔。哥本哈根诠释仍然会说，该电子的波函数会平均地填充箱子的两部分。你可以带着箱子的一半去往月球或更远的地方，波函数仍然会平均地填充箱子的两部分，即使箱子两部分之间的间隔处并不存在波函数。只有当你看向箱子的某一半时，波函数才会坍缩成位于某一个点的电子。你看了箱子的哪一半无关紧要。如果你看了箱子的A部分，而且看到一个电子，波函数就会从箱子的B部分中消失；如果你看了箱子的A部分，并没有看到一个电子，波函数就会从箱子的A部分中消失，而该电子肯定会在箱子的B部分中。如果你确实看到了电子，一旦你停止观看，波函数就会再次扩散开来，但只会填满我们曾观察到电子的那半个箱子。

1935年，薛定谔发表他虚构的所谓的“猫悖论 ”时，主要关注的并不是量子的这种古怪特性。他强调的是量子的另一种古怪特性——状态的叠加。我对这一问题的描述要回到箱子已被分为两部分的那个阶段，此时，我们在箱子的任何一部分中发现该电子的机会是50：50。试想一下，这个箱子位于一个密闭的大房间中，有一只猫安静舒适地生活在这个房间中，而且房间里有足够的饮食供其吃喝。但这个箱子与一个探测器相连，该探测器可以在某些指定的时间进行测量，从而得知电子是否位于箱子的某一特定部分。如果在这部分中电子不存在，什么都不会发生。但是，如果检测到电子，薛定谔称为“残忍的装置”就会打碎毒药瓶，毒药就会充满这个房间，杀死猫。

猫到底被杀死没有？常识告诉我们，有50：50的机会，猫会活下去，还有50：50的机会，猫会死亡。哥本哈根诠释说，因为没有外部观察者看见箱子的内部到底发生了什么，当探测器监测箱子的一部分时，该电子的波函数不会坍缩，整个房间中的波函数会处于叠加态，一种状态对应的是一只活猫，另一种状态对应的是一只死猫。用薛定谔的话说，“整个系统的波函数会将这种叠加状态表现为，在房间的任何一部分中猫都处于半死不活（抱歉用了这个说法）的状态”。 [4] 在同一时间，猫既死了又活着（或者，如果你喜欢的话，还可以说猫既不死又不活），它会一直处于这种状态直到有人打开房门，看向屋内。那一时刻，波函数就会坍缩——不是门一被打开，波函数就会坍缩，波函数的坍缩似乎是发生在自动监测设备看向箱子内部的瞬间，那就可能意味着会出现死猫。

这一古怪之处还没有结束。其他物理学家们很快就指出，这可能会导致无限回归。如果你是看向房间内部的唯一的一个人，你是会使波函数坍缩呢，还是会成为叠加态的一部分呢？如果有一位朋友给你打电话，询问实验结果，波函数是会在此刻坍缩呢，抑或是你的朋友会成为叠加的一部分呢？如果采取逻辑上的极端观点，这一系列的问题就会引发一个很多宇宙学家认真探讨的问题，是谁（或什么）可以观察整个宇宙，并使它的波函数坍缩为一个确定的状态？为什么万物不是处于某种叠加态呢？

如果有比哥本哈根诠释更好的解释，哥本哈根诠释很久以前就被丢弃了。但是，至今仍没有比它更好的解释，只有不同的解释， [5] 从某种意义上说，它们跟哥本哈根诠释解释得一样好，它们也像哥本哈根诠释一样，可以很好地预测到量子实验的结果，但却仅此而已，因为它们根本无法预测哥本哈根诠释预测不了的东西。它们也都涉及了不可避免的量子古怪性问题，如信号可以穿越回到过去，又如相距很远的量子实体间的即时通信。因此，你选择哪一种量子诠释，取决于你感觉哪一种古怪性对你来说最舒服（或最不舒服）。多世界诠释与多重宇宙的探索相关，而且迄今为止的任何实验测试都表明它与所有其他的诠释（包括哥本哈根诠释）一样好，多世界诠释是休·埃弗莱特（Hugh Everett）于20世纪50年代提出的。

｜休·埃弗莱特的多世界诠释｜

1930年11月11日，休·埃弗莱特出生在华盛顿特区。显然，他很早就对生活中的重大问题（如宇宙及与之相关的一切）产生了浓厚的兴趣。13岁那年，他曾给爱因斯坦写信，询问是什么使宇宙成为一个整体。1943年6月11日，爱因斯坦给他回信说，“不存在诸如不可抗拒的力量和不可移动的天体这样的东西”。 [6] 高中毕业后，埃弗莱特就读于坐落在华盛顿的美国天主教大学，主攻化学工程，并在1953年获得学士学位。他大学的一位朋友，凯伦·克鲁斯（Karen Kruse），后来嫁给了科幻作家波尔·安德森（Poul Anderson）。波尔·安德森本人也是一位物理学家，后来成为埃弗莱特多世界诠释的推崇者，他的几本小说都受到了多世界诠释的影响。

在获得学士学位之际，埃弗莱特本人的兴趣已转向理论物理，但为了继续深造，他需要资金支持。由于成绩优异，著名的美国国家科学基金会愿意给他提供奖学金，进入普林斯顿大学的数学系攻读博士学位，他非常高兴地接受了。当时正值冷战高峰期，获得这笔奖学金的条件就是他得从事博弈论的研究工作，博弈论这个名字听起来很顺耳，实际上，它具有重要的军事价值。埃弗莱特完成了自己分内的工作，但他在普林斯顿大学一站稳脚跟，就开始寻求转到物理系的途径。1954年9月，他到普林斯顿大学就读的第二年初，就转到了物理系学习，一开始他的论文导师是弗兰克·休梅克（Frank Shoemaker）。虽然埃弗莱特的博士专业主攻物理学，他仍旧继续从事博弈论的工作。

刚刚正式成为一名物理学家，埃弗莱特就提出了令他至今仍为人们所知的伟大的构想。埃弗莱特参加了一个聚会，聚会上人们喝了大量雪利酒。聚会后，埃弗莱特和他的同学查尔斯·米斯纳（Charles Misner）（他后来成为研究相对论的著名专家），还有一位来访者——奥格·彼得森（Aage Petersen）通过幻想自娱自乐。他们幻想着那些量子谜题（如薛定谔的猫的比喻）到底暗示了什么？并且他们幻想出来的答案越来越荒诞不稽。这个话题的选择要归功于彼得森的到来，彼得森当时是量子先驱之一尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）的助手。尼尔斯·玻尔是哥本哈根诠释的主要倡导者。像薛定谔的猫这样的谜题，其难点在于无法理解和解释波函数坍缩时到底发生了什么。埃弗莱特最初提出这一伟大的想法时，或多或少像是开了个玩笑，当时他问道，要是波函数不坍缩会怎么样呢？要是叠加态永远保持下去会怎样呢？

第二天清晨，天气非常寒冷，但对于埃弗莱特来说，这种疯狂的想法一点也不显得荒诞，埃弗莱特决定用量子理论方程来研究它。然而当时，他首先得完成其他一些工作——1954年12月，他完成了关于博弈论在军事上应用的讲座。另外，于1955年春天参加了研究生毕业考试，并获得了硕士学位。因此，直到1955年夏天，他才开始用合适的数学语言写出他的伟大想法及其暗示。最后，他完成了论文的草稿〔该草稿是他的女友南希·戈尔（Nancy Gore）帮他打完的，次年，埃弗莱特与她结了婚〕。这篇论文的主题已超出了弗兰克·休梅克的专业范围，因此，带着这个草稿，埃弗莱特转投到约翰·惠勒（John Wheeler）门下，约翰·惠勒成了他的论文导师——事实上，在埃弗莱特起草该论文之前，他就已经与约翰·惠勒探讨过他的想法。

惠勒是最适合做埃弗莱特导师的人。他出生于1911年，20世纪30年代中期，刚刚拿到博士学位后不久，他曾在哥本哈根与尼尔斯·玻尔一起工作过几年。回到美国后不久，他就成了理查德·费曼的导师，当时，费曼是普林斯顿大学的博士研究生。作为广义相对论的专家，他后来于1967年创造了“黑洞”这个现代天文领域的名词。惠勒总是乐于接受新思想，并乐于鼓励其发展，即使他并不总是赞同这些观点。

1955年9月是埃弗莱特在普林斯顿大学就读的第三年，他向惠勒提交了两篇简短的论文，文中发展了他自己的观点。这两篇论文以及埃弗莱特的其他文献目前都保存在美国物理研究所尼尔斯·玻尔图书馆的档案室中。在其中的一篇论文中，埃弗莱特首次提及观察者“分裂 ”，他认为每当进行量子测量时（如看向鞋盒中寻找电子），就会出现观察者“分裂”。惠勒在论文的空白处写道：“分裂？最好换个词。”但是，埃弗莱特不同意，他打了个比方，说这种分裂就像是一个“拥有良好记忆的、聪明的阿米巴变形虫 ”的分裂，但是，惠勒对此并不热衷。今天，它似乎已经成为解释埃弗莱特的量子物理学的工作机制的一个近乎理想的方法。

在这张图片中，例如鞋盒中装有一个电子这样的情形，在隔板插入盒子中间后，当观察者打开位于盒子一侧上的盖子，并且看向盒子的这一侧的时候，并没有发生波函数坍缩。两种结果（即在盒子这一侧有或没有电子）都可能发生，因此，两种结果都是同样真实的。波函数没有坍缩，但是整个宇宙，包括观察者自己，分裂成了两个独立的宇宙。在一个现实的宇宙中，有个观察者看到一个电子。而在另一个现实的宇宙中，有个观察者，直到此刻他与刚才的观察者都完全一样，没有看到电子。通过分裂的繁殖方式，阿米巴变形虫一分为二。如果存在一个有良好记忆的、聪明的阿米巴变形虫的话，在分裂之前，只有一只阿米巴变形虫，但分裂之后，将会有两只阿米巴变形虫，直到此刻为止，它们拥有相同的记忆。但它们会沿着不同的路径过着截然不同的生活。量子与变形虫不同的是，宇宙或观察者不会分裂，但是，就在测量或观察的那一刻，整个波函数，即叠加态，分裂成了两个独立的叠加态。埃弗莱特的伟大成就在于他用精确的数学语言把它表达了出来，并证明他对量子物理学的解释与玻尔对量子物理学的解释，即哥本哈根诠释，在可验证的各个方面都是完全相同的。

埃弗莱特按照惠勒的点评对论文稍作修订，由南希·戈尔打印出来。1956年1月，这份137页的论文分发给了包括玻尔在内的许多专家，以便听取他们的意见。1956年春天，埃弗莱特离开了普林斯顿大学，在五角大楼开始了他的职业生涯，为武器系统评估组研究绝密材料，不久，他就成为该组数学部的负责人。他的许多工作至今仍然是机密的，但据了解，他曾经参与许多研究，其中包括确定选择核打击目标的最佳方法，还包括确保相互摧毁（MAD）这一概念的发展。1956年9月，埃弗莱特回到普林斯顿大学参加博士毕业考试。1957年3月，根据反馈的意见，特别是惠勒的很多建议，埃弗莱特对论文进行了修改，将它缩减为一篇非常简短的论文并且提交了这篇论文。“分裂”这个词没有出现在这篇论文中，惠勒说服了埃弗莱特，他认为就获得博士学位而言，慎重就是大勇。

1957年4月，按照博士学位的要求，埃弗莱特正式获得了博士学位。当年7月，他在《现代物理学评论》上发表了一篇名为《量子力学的“相对态”构想》的论文，这篇论文与他最终提交的博士论文大致相同。论文发表后，几乎无人问津。物理学家布莱斯·德威特（Bryce DeWitt）是对它感兴趣的为数不多的几个人之一，但即便是他最初也反对这种观点，即每次面临一个量子选择的时候，物质世界就会被分割，而且这样的过程可以无限地重复下去。埃弗莱特对他说，这一理论的内涵要比抽象的哲学推理重要得多，德威特最终还是接受了多世界的观点，并且积极向大众推广这种观点——但这已经是发生在十多年后的事了。

埃弗莱特选择“相对态”这一术语，目的是为了强调他的观点与爱因斯坦的广义相对论之间的关系。根据爱因斯坦的理论，宇宙中不存在任何特殊的地方——所有观察者都同样有权拥有自己的观点。尽管埃弗莱特并没有完全用这种方式表达，但他的理论认为在多重宇宙中不存在特殊的宇宙——所有的量子态都是同样真实存在的。把埃弗莱特的观点与爱因斯坦的观点结合起来——在多重宇宙中的所有观察者都同样有权拥有自己的观点。惠勒在《现代物理学评论》上（埃弗莱特的论文也发表在这一期上）也发表了一篇论文，他关注的是：“广义相对论的原理认为所有对称的、同级的系统都是平等的。”他写道，“其他的物理学原理是无法与之相比的”。所有观察者都是同样真实的。虽然多世界诠释并非多重宇宙的唯一解释，但对这一论题的其他诠释都无法驳斥这种见解。

这一点值得强调，因为人们仍在争论“相对态”构想到底有什么物理学主义，好像是埃弗莱特没有把它解释明白。这与事实相去甚远，实际上，他已经解释得非常清楚了。姑且不说惠勒让他在论文中删除了分裂和聪明的阿米巴变形虫，在《现代物理学评论》上发表的论文脚注中，埃弗莱特写道：“从多世界理论看，所有 [7] 的叠加元素（所有的‘分支’）都是‘真实的’，没有任何一个比其他的更‘真实’。没有必要假设除了一个以外，其他的都被摧毁了。”而且，他在没有删减的论文草稿 [8] 中写道：

在这一点上，我们遇到了一个用词上的难题。在观察之前，我们只有一种状态，这种状态中只有一个观察者，但是观察之后，对于这个观察者来说，出现了许多种状态，而且所有的这些状态都属于一种叠加。这些状态中的任何一种状态，对于观察者来说，就是一种状态，所以我们可以说，在不同的状态下有不同的观察者……在这种情形下，当我们强调一个单一的物理系统的时候，我们就使用单数，当我们强调不同叠加元素的不同体验的时候，我们就使用复数。（例如，“观察者对数量A进行观察，观察后，引发的叠加中的每一个观察者都会看到一个特征值 ”。）

有些人可能会问，为什么我们感觉不到这种分裂？对于这类问题，他也事先做出了回应。他在发表于《现代物理学评论》的论文中还写道：

一个分支完全无法影响另一个分支，还意味着所有观察者都无法觉察到任何“分裂”过程。

有人主张这一理论所展示的世界图景与我们的经验相抵触，因为我们根本觉察不到分裂过程。这些人的观点就像人们质疑哥白尼的理论一样。哥白尼认为地球在运动是一个物理事实。那时候，人们认为这种观点不符合常理，因为我们感觉不到这种运动。在这两种情况中，这些人的观点都会被攻克，因为理论本身预测到我们的经验将会告诉我们真相。（对于哥白尼的观点，牛顿物理学就能告诉人们地球上的居民是感觉不到地球的运动的。）

但是，分裂之后，多宇宙彼此间将完全隔离。“不同状态下的观察者之间不可能互相沟通”，埃弗莱特在论文草稿中写道。

｜历史的分支树｜

某些方程可以描述多重现实的存在。根据相同的方程，埃弗莱特的多重宇宙（也被称为“平行世界 ”）的不同分支间是无法沟通的。但是，存在一种有趣的可能性，严格说来，这种可能性超出了本书的范围，但这种可能性太迷人了，在这里我得简单地提一提。

这种可能性就是时间旅行。早在平行世界的观点还没有成为受人推崇的科学理论之前，它就已经出现在了科幻小说中，时间旅行的想法与之类似。在许多有关平行宇宙的故事中，有时主角不知何故“在时间上侧移”，“经过一段时间”移动到另一个宇宙，有时整个故事就发生在一个平行的现实中，这段历史从我们的时间轴上过去的某个关键的时间点分支出来——例如，在轴心国赢得了第二次世界大战这个时间点。

由此会形成这样的图像，即我们的历史就像一棵树，树上有很多分支，这些分支代表着不同的宇宙，这些宇宙的出现是因为它们在不同的时间从树干上分支出来，从而产生了不同的结果（即不同的宇宙）。这一比喻其实是非常不尽如人意的，因为如果埃弗莱特的理论是正确的，那么这棵树就没有“主干”，而且树的分支要复杂得多，很多时间旅行的故事都会描述时间旅行者回到了过去，而且，他们还有意或无意地改变了历史，因此，当他们返回到“现在”的时候，现实已经与他们刚刚离开时截然不同了。

综合这两种观点，我们可以看到，在历史的一个分支（一个宇宙）中，时间旅行者可能会回到过去，然后再返回到历史的另一个分支（另一个宇宙）中。这并不是说他或她已经改变了历史，这两种历史一直存在着。例如，在典型的“祖母悖论 ”中，时间旅行者回到了过去，却无意中导致了她祖母的死亡，而在那一时刻她的母亲还没有出生。在这种情况下，如果只有一个时间轴，时间旅行者永远也不会诞生，她永远也不会回到过去，所以她的祖母会存活下来等等。多世界理论对这个故事的解释是，时间旅行者回到了过去而且祖母被杀了，但这正是另一个宇宙的分支点。这个旅行者可能返回到一个分支，在这个分支中她会发现一个现实，即她从未存在过；她还有可能返回到从前的那个分支，在那个分支中，她会吃惊地发现祖母竟然没有死亡。无论哪种分支都是真实的，不是自相矛盾的。

作者这样写，目的都是为了创作出更具娱乐性的小说。但令我们吃惊的是，已知的物理定律无法推翻时间旅行的观点，尽管建造一部时间机器将是非常困难的。 [9] 广义相对论公式（广义相对论是至今为止我们拥有的关于空间和时间的最佳理论，它已经通过了设计出来的所有测试的检验）推断出时间旅行的可能性，但在时间机器制造出来以前，我们还不能回到过去。这就是为什么来自未来的客人还没有光临现在的原因——时间机器还没有建成呢。

现在，还是让我们言归正传，回到多重宇宙吧。“祖母悖论”让我们想起了薛定谔的猫这个比喻。“祖母悖论”这样的谜题与埃弗莱特的多世界诠释帮我们解决的谜题类似。

由于最初的猫谜题的设置方式，只会出现两种可能的结果——用量子物理学语言表达就是两个特征值。猫要么是死，要么是活。根据埃弗莱特的解释，这意味着存在两个同样真实的世界，它们彼此叠加，但始终不能相互影响——一个宇宙中有一只死猫，另一个宇宙中有一只活猫。这就很容易让人联想到一个更复杂的场景，在这种场景中，结果是由滚动的骰子决定的，骰子扔出去之后可能会出现更多的结果。让我们来扩展一下薛定谔的观点，有可能会有许多猫居住在它们自己的隔室中，最终到底其中哪只猫会被杀死将取决于掷骰子的结果。做完这个实验后，将会出现相应数量的平行宇宙，我们得考虑这些宇宙中的量子猫的多种多样的状态。但正如人们经常假设的那样，平行宇宙的数量是有限的。虽然在多世界诠释中，“多”这个词将是一个不可思议的大数，但毫无理由认为它实际上是无穷大。在这片广阔的平行宇宙中，紧挨着我们宇宙的那个宇宙跟我们的宇宙相差无几，稍远一点的宇宙（稍早些时候从我们的宇宙分支出去）会与我们的宇宙有些不同，而多重宇宙中远离我们的那些宇宙与我们的宇宙是截然不同的。

我们为什么要认真解读多世界诠释呢？最好的理由是，至今还没有人能找到任何其他途径，可以用量子术语描述整个宇宙。惠勒从一开始就意识到这一点；1957年，他在发表于《现代物理学评论》的论文的最后一句话中写道：

除了埃弗莱特的相对态概念之外，目前还没有一种自洽的思想体系，可以解释像广义相对论中的宇宙这样的封闭系统的量子化是怎么一回事。

1957年，这种说法的影响要比今天小得多。50年前，我们对宇宙的理解与现在相比是非常有限的——当时，甚至仍有宇宙学家在进行激烈辩论。他们中有人认为，我们现在所认识的宇宙起源于发生在某一特定时刻的大爆炸；还有人认为宇宙一直处于稳定状态。20世纪末和21世纪初的伟大科学成就之一，是确定了宇宙确实开始于一次大爆炸，这次大爆炸发生在大约137亿年前，从那以后，宇宙一直在不断膨胀，这与广义相对论对空间和时间的描述是一致的。宇宙学家对他们了解的可见宇宙越是肯定，他们就越会接受多世界诠释，因为它是协调这种观点与量子物理的唯一途径——这就是为什么埃弗莱特的观点现在比以前更受人推崇的原因。

｜埃弗莱特从无人问津到炙手可热｜

布莱斯·德威特（Bryce DeWitt）使埃弗莱特的观点首先为专家所了解，进而间接地为大众所关注。德威特从一开始就关注到了埃弗莱特的观点，1957年，他和埃弗莱特不断进行书信往来。事实上，埃弗莱特在《现代物理学评论》上所发表的论文的脚注中提到的对比，即人们感觉不到这种分裂与人们感觉不到地球在运动之间的比较，都要归功于这些书信往来。德威特年长埃弗莱特近八岁（他出生于1923年1月8日），1943年毕业于哈佛大学。因为战争，直到1949年他才拿到博士学位（也在哈佛大学），并相继在印度和欧洲〔他的妻子是一位法国物理学家，名叫塞西尔·默莱特（Cecile Morette）〕待了较短的一段时间，之后他定居在教堂山上（Chapel Hill）的北卡罗来纳大学，在那里，他从事量子引力理论的研究。

1968年，他已经是该领域的资深人物了。当时，身为物理学家和科学哲学家的马克思·雅默（Max Jammer）拜访了德威特。马克思·雅默正打算写一本书，介绍量子物理学及其各种诠释。令德威特吃惊的是，马克思·雅默从未听说过埃弗莱特，而且他还突然间意识到，埃弗莱特1957年的论文几乎已经被人遗忘了。（在他以前所写的书中，马克思·雅默曾在脚注的目录里提到过埃弗莱特1957年的论文，但是，马克思·雅默根本没有读过这篇论文。这种情况在别人的著作中也是屡见不鲜的。）鉴于埃弗莱特不再从事物理学工作，德威特下定决心要尽力改变这种情况，后来他写了一篇关于多世界诠释的文章，1970年9月发表在《今日物理》上。正是这篇文章使许多物理学家（包括我自己）关注到了埃弗莱特的理论。该理论指出“宇宙在不断地分裂成许多宇宙，这些宇宙相互间是不可见的，但它们都同样是真实的世界”；该理论还探讨了薛定谔的猫，并阐明“量子跃迁会发生在每一个星球、每一个星系，宇宙中的每一个偏僻的角落。每次量子跃迁都会将我们地球上的世界分裂成无数个自我复制品”。

德威特在描述他第一次接触多世界概念的时候说：“我仍然清晰地记得，当我第一次遇到多世界概念时所受到的震动。10100+ 个略有缺陷的自我复制品，都在不停地分裂成进一步的复制品，到最后已经面目全非。这种想法是很难符合常识的。这是一种彻头彻尾的精神分裂症。”他打了一个比喻，“（该）状态向量就像一棵有无数分支的树”。但他还指出，“一个有限宇宙的波函数本身一定只包含有限数量的分支”。根据相关记载〔参见尤金·史科夫特瑟夫（Eugene Shikhovtsev）的文章〕，埃弗莱特曾说，他“当然赞成德威特介绍他的（埃弗莱特的）理论的方式”。

德威特的学生尼尔·格雷厄姆（Neill Graham）在博士论文中，进一步详细阐述了埃弗莱特的许多观点。而且德威特和格雷厄姆于1973年共同编辑出版了《量子力学的多世界诠释》（The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics ）文集，其中收录了埃弗莱特未经删改的博士论文，埃弗莱特以及惠勒在《现代物理学评论》上发表的论文，还收录了《今日物理》上的一篇文章。正是这本书使得“多世界诠释”这个术语为大众所熟悉。在此书序言的开头，两位编者指出“这种由多世界构成的现实……反映出宇宙在不断分裂”。1974年，马克思·雅默的书 [10] 问世了，书中着重介绍了多世界诠释。雅默写道，“多重宇宙理论无疑是迄今为止科学史上最大胆和最雄心勃勃的理论之一”。

德威特和格雷厄姆把埃弗莱特和多世界诠释介绍给了其他物理学家。1976年12月，一篇名为《量子物理学与现实》（Quantum Physics and Reality ）的文章发表在科幻杂志《模拟》（Analog ）的“科学事实”专栏中，该文章使得这一理论得到了更为广泛的传播。这篇文章的副标题写道：“可供选择的宇宙不只是科幻作家的噱头，它们还是量子物理学家的救命稻草！”这篇文章的作者迈克尔·泰博（Michael Talbot）和劳埃德·比格（Lloyd Biggle Jr.）在此文中清楚地阐明了这种观点。

与《量子力学的多世界诠释》文集比较，更多的人（尤其是学生）喜欢阅读《模拟》，这使得埃弗莱特的形象深入人心。此时，德威特和惠勒都任职于奥斯汀（Austin）的德克萨斯大学。1977年，他们在那里组织了一次会议，讨论意识以及计算机能否有意识的问题。埃弗莱特应邀出席了这次会议，并且成为此次会议的明星，他为众多的听众做了演讲，因为烟瘾很重，他在四个小时的演讲中被特别允许吸烟。这是那个礼堂有史以来唯一的一次例外。

这是埃弗莱特最后一次“公开露面”，也是他以著名科学家的身份唯一的一次露面。但在奥斯汀之旅中，发生在他身上的最重要的事件，也许是他与来自英格兰的戴维·多伊奇（David Deutsch）的会面。戴维·多伊奇是惠勒的学生，实际上，他也是德威特的学生。他对量子物理方程所描述的“宇宙”极感兴趣。一天午饭时，他们两个人认真地探讨了这个问题，多伊奇回忆说，埃弗莱特对“状态向量”这个更抽象的技术术语不是很感兴趣，却对“多宇宙”这个术语表现出了极大的热情。

多伊奇后来成为多世界观点的主要倡导者。他现在任职于牛津大学，最近，他揭示了多世界诠释中量子世界的概率规则是如何自然生成的——这种方式使我们对概率测量结果产生了错觉，从而取得了重大突破。

但如果说埃弗莱特的量子物理学解释有一个美好结局的话，他本人就不那么幸运了。约翰·巴里（John Barry）曾是埃弗莱特的一个同事，他把埃弗莱特描述成一个“卓越、狡猾、不可靠”的人。 [11] 他是一个冷酷的人，酷爱电脑，对家人来说他却是个陌生人，他烟瘾极重、酗酒成性（可能是个酒鬼），而且饮食也不健康——他与任何愿意听的人争论，他会大声疾呼，医疗科学认为胆固醇具有危害性是错误的。1982年7月19日，埃弗莱特因心脏病发作逝世，享年51岁，医疗科学取得了最后的胜利。从他在《现代物理学评论》上发表文章，到他去世的那一天，已经过去了25年。1996年，埃弗莱特的女儿利兹（Liz）自杀身亡。1998年，他的妻子南希死于肺癌——原因可能是由于长期呼吸埃弗莱特的二手烟。唯一幸存的家庭成员是休·埃弗莱特的儿子马克（Mark），他是摇滚乐队——鳗鱼乐队（Eels）的词作者和主唱。他忧郁的音乐风格使我们洞悉了在这样一位不正常父亲的教导下，他过着怎样的生活。我们只能希望在其他的宇宙中，他们能生活得好一些。

这使我想起一件事，这件事使得人们难以接受多世界诠释。就这么多的宇宙而言，多世界诠释真是太浪费了。从物理和数学领域看，多世界诠释非常有意义，而且它所提出的假设是特别精简的——埃弗莱特所做出的唯一假设是方程在告诉我们真相。但是，正如德威特所说，“10100+ 个略有缺陷的自我复制品，都在不停地分裂成进一步的复制品，而最后面目全非。这个想法是很难符合常识的”。

让我们直面这种理论吧——我们人类真正感兴趣的问题是：我们如何到达这里？我们自己的世界将到哪里去？要解释我们在这里这个事实，你真的只需要一个物理世界吗？以上是人们过去的想法。但是，在过去的20年里，人们越来越清楚地看到我们的宇宙有些古怪——怪就怪在它使我们能够在这里提出这样的问题。这就为我们认真思索多重宇宙提供了强大的动力，我们可以不考虑埃弗莱特在这一主题原型上的变化有哪些具体的优点。是量子物理学给我们提供了研究多重宇宙构想的一个坚实的科学基础，但却是宇宙中存在的一系列巧合让我们首先看到了研究多重宇宙构想的必要性。

注解：

[1] 　亚瑟·爱丁顿引自路易斯·卡罗（Lewis Carroll）的著作《无聊话语》（Jabberwocky ）。
　　译文引自赵元任译《阿丽思漫游奇境记——附：阿丽思漫游镜中世界》（英汉对照），商务印书馆，北京，1988。原注：这首诗中有许多生造的字，故译文作相应处理。

[2] 　理查德·费曼，罗伯特·雷顿（Robert Leighton）和马修·山德士（Matthew Sands），《费曼物理学讲义》（The Feynman Lectures on Physics ），第三卷，艾迪生-韦斯利出版社，马萨诸塞州，1965年。术语“量子力学”基本等同于“量子物理学”。

[3] 　《物理之美》（The Character of Physical Law ）。

[4] 　惠勒（Wheeler）和米哈乌（Zurek）对薛定谔的文字所做的翻译。

[5] 　我在自己的书《薛定谔的小猫》（Schrödinger’s Kittens ）中曾经讨论过。

[6] 　关于埃弗莱特的引述摘自尤金·史科夫特瑟夫（Eugene Shikhovtsev）未发表的《传记概略》（Biographical Sketch ）。

[7] 　埃弗莱特的重点标注。

[8] 　埃弗莱特没有删减过的论文草稿发表于德威特（DeWitt）和格雷厄姆（Graham）出版的论文集中。

[9] 　见基普·索恩（Kip Thorne）的书。顺便提一下，索恩是惠勒的另一个学生。

[10] 　《量子力学的哲学》，威利（Wiley）文学出版公司，纽约。

[11] 　《科学美国人》（Scientific American ），2007年12月，第78页。

chapter
2
再看宇宙巧合

碳巧合/宇宙为何如此广阔？/核效率/引力太小了，令人难以置信！/宇宙学常数的巧合/平滑的宇宙海中的涟漪/三维适合人类生存，多维不适合/生命的抽奖

是什么让我们的宇宙如此特殊？是某些自然法则使得我们的宇宙如此适合生命的生存，但有证据表明这些自然法则是非常奇特的。1989年，我和马丁·里斯（Martin Rees）合著了《宇宙巧合》（Cosmic Coincidences ） [1] ，书中我们仔细审视了这些证据。后来，马丁·里斯出版了《六个数》（Just Six Numbers ），在此书中，他对其中的某些观点进行了详尽阐释。马丁·里斯现任英国皇家天文学家和英国皇家学会会长。在本章中，我将简要介绍这些宇宙巧合——事实上，宇宙巧合不只六种，但是，里斯所说的这六种巧合已经足以说明问题了。正是这些巧合，以不同形式凸显了认真思考多重宇宙观点的必要性。

由于我们的生存依赖这些巧合的存在，所以，有时把关于这些宇宙巧合的研究称为“人择宇宙学”。选用这个名称是令人遗憾的，因为它意味着人类有某种特殊之处。但至关重要的是，对于宇宙中的生命来说，巧合是必不可少的，或者更具体地说，生命的存在取决于巧合。1973年，为纪念哥白尼诞辰500周年召开了一次会议。在此次会议上，理论家布兰登·卡特（Brandon Carter）创造了“人择宇宙学”这个术语；1974年，此术语出现在会后出版的论文集中。该论文集解释了卡特选用这个名字的原因，但此后，他一直后悔不已；哥白尼革命使人类不再是宇宙的中心，而卡特选用这个词，恰恰指出了虽然我们所处的位置不一定是宇宙的中心，但从某种意义上说，我们的存在处于特殊的地位。1979年，伯纳德·卡尔（Bernard Carr）和马丁·里斯在《自然》杂志上发表了一篇论文，在该文中，他们总结了当时他们已知的所有相关的巧合，从而使宇宙巧合这个术语得到普及。但在这个术语问世很久以前，就已经有人为“人择推理 ”（现在的说法）这一理论举了两个最好的、最容易理解的例子——其中一个例子出自英国理论家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle），另一个例子来源于美国人罗伯特·迪克（Robert Dicke）。

｜碳巧合｜

20世纪下半叶，随着人们对宇宙的深入理解，这些巧合才可能被人们理解。正如我们所见，现在有大量证据表明，我们周围的可见宇宙起源于大约137亿年前的一个炙热的高密度火球——俗称大爆炸。从那时起，宇宙就在不断地膨胀和冷却，但在膨胀的宇宙中，气体云被引力拉到一起形成恒星和星系。形成恒星和星系——连同行星和人——的物质处于暗物质的海洋中，只有通过引力才能探测到暗物质，而暗物质正是通过引力把物质拉扯到一起的。关于暗物质和宇宙，我可以详尽地给大家介绍，但它们与此处要介绍的这两种巧合关系不大。事实上，当霍伊尔和迪克关注这两种巧合的时候，他们谁都没有意识到暗物质的存在。

我们是由原子构成的，原子本身是由质子、中子（位于原子中心的原子核中相对较重的粒子）和电子（在此处可以把电子视为位于原子外层的相对较轻的“粒子”）构成的。为了把原子和暗物质区分开，人们经常把原子称为重子物质。通过观测大爆炸遗留下来的辐射（宇宙背景辐射），并将观测结果与理论计算比较，我们发现，形成于宇宙大爆炸的重子物质，几乎完全是以两种最简单的原子元素的形式出现的，它们是氢和氦。其中约75%是氢，每个氢原子由一个质子和一个电子构成；25%是氦，每个氦原子的原子核中有2个质子和2个中子，每个氦原子的外层中有2个电子。对那些宇宙形成初期诞生的最古老星球进行光谱分析后，人们证实了这一观点。所有其他元素都是通过核聚变过程，在恒星内部形成的，而随着恒星的老化与消亡，这些元素会扩散到宇宙空间中，从而为星球的更新换代提供原材料，最终，会形成像地球一样的行星。这是一个缓慢的过程。即使在今天，那些重元素 ——除了氢和氦以外的所有元素——占宇宙中重子物质总量还不到2%。正是这一小部分重元素使得行星和人的存在成为可能。但是，我们太阳系的大部分质量位于太阳内部，其形式仍以氢和氦为主。

对生命来说，有四种化学元素是至关重要的，它们是：氢、碳、氧和氮。在霍伊尔的人择理论中谈到了其中两种元素：碳和氧。

重元素在恒星内部形成的主要途径是氦原子核互相结合，逐渐形成越来越大的原子核。例如，一个碳原子核包含6个质子和6个中子，基本上是由3个氦原子核（每个氦原子核中包含2个质子和2个中子）结合在一起形成的；氧原子核包含8个质子和8个电子，基本上是由4个氦原子核结合在一起形成的——而且，更值得注意的是，在一个碳原子核上添加一个氦原子核就会形成一个氧原子核。其他类似的过程会把一些以这种方式形成的重原子核转换成其他元素的原子核，而对于我们来说，想要看出这些元素的原子核是否由氦原子核形成，却并非易事，但这些细节在此处无关紧要。重要的是，整个过程从一开始就遇到了瓶颈。

碳究竟来自何处？你可能会认为把氦原子核添加到周期表中的下一个元素——铍的原子核（铍原子核包含4个质子和4个中子）上，就会形成碳。但铍原子核——把2个氦原子核结合在一起就会形成铍原子核——极不稳定，它几乎一形成，就会破裂。如果在一颗恒星内部，2个氦原子核真的碰巧发生了互相碰撞，并结合在一起，从而形成了铍原子核，可能还会有时间让第三个氦原子核与这个铍原子核发生碰撞；但在20世纪50年代早期看来，更有可能发生的事似乎是，第三个氦原子核与铍原子核发生碰撞时，会将不稳定的铍原子核撞碎，而不是使这三个氦原子核相互结合，从而形成碳原子核。如果没有碳，就没有氧气，也就没有其他重元素。进而也就不会有生命——更明确地说，就不会有像我们这样以碳为基础的生命形式。

弗雷德·霍伊尔的理由是，正因为我们存在，所以在这个核聚变瓶颈中，肯定存在一种方式使氦原子核相互结合，形成了碳原子核。1954年，他想出了一个由氦转化成碳的可能方式。这种转化取决于一种可能性，即碳原子核可能存在于所谓的“激发态 ”中，这种激发态的能量与一个铍原子核和一个氦原子核的能量产生“共振”。只有存在这个事实，才能使我们推断出有共振，除此之外，再无其他理由可以推测出共振的存在。正是因为碳存在于我们的宇宙中，霍伊尔说，所以，其原子核一定是以正确的方式发生了共振。

这种共振有点像是用一根吉他弦演奏不同的音符。这根弦演奏的最基本的音符会产生最低音符，称为基音，但用同一根弦也有可能演奏泛音。一根琴弦不能演奏每一种音符，它只能演奏基音的各种泛音。原子核同样如此，它自身的能量是确定的，它不能存在于任何大小不同的能量中。但它可以吸收能量，或许可以从一个伽马射线的冲击中吸收能量，从而在短时间内处于“激发态”中，这段时间过后，它会释放多余的能量，从而回落至最低能级，此处称为“基态”（ground state）。如同泛音一样，只有当适量的能量进入原子核，并使其跳转到一种可能的激发态中，这一过程才能实现。同样，如果把一把吉他放在扩音器旁边，有人弹奏了一个音符，这个音符通过扩音器放大，成为一个响亮的音符，如果这个音符的波长合适的话，吉他的一根或很多根弦都会随着这个音符一起震动——就会发生共振。

物理学家用电子伏特（eV）或其倍数，如兆电子伏特（MeV），来度量能量。1954年，他们已经知道，一个铍原子核和一个氦原子核相结合，所需能量为7.3667兆电子伏特。霍伊尔认为，一定存在一种碳的激发能量级，这种能量级要比7.3667兆电子伏特高一点，只有这样才能使进来的氦原子核的动能适量地超出总能量，从而产生共振。如果真是这样的话，进来的氦原子核就不会把不稳定的铍原子核撞裂，它会形成一个激发的碳原子核，随后，碳原子核就会按照通常的方式，将多余的能量辐射出去，最后进入到基态。

霍伊尔把他的这种设想告诉了实验物理学家，他们几乎当面就开始嘲笑他。他对原子核性质的预测，是以我们的存在为前提的，因为我们存在，所以原子核必须具备必要的性质，这种想法看上去太荒唐可笑了。但他说服了这些实验物理学家，使他们愿意对碳原子核进行必要的实验。做完实验后，这些实验物理学家发现，他们得到的激发能级为7.6549兆电子伏，而这一能级刚好高于氦和铍相结合所得到的能级，从而可以引发共振。让我们扩展一下刚才所做的音乐类比，后来人们通过计算发现，核相互作用必须“调音”到0.5%的精确值，才会产生共振。

这还不是全部。正如我在前文所说，氧原子核是通过恒星内部氦原子核与碳原子核的相互结合产生的。因为碳原子核是稳定的，而且它们在恒星内部形成了很长一段时间，如果这一进程以同样的方式发生共振，所有的碳将迅速转化成氧。当这一过程发生的时候，一个碳原子核和一个氦原子核相结合需要的能量为7.1616兆电子伏。一个氧原子核的激发能级是7.1187兆电子伏，这一能级太低了，以至于不会发生共振。如果你再加上进来的氦原子核的动能，这一差距还会略有增加。在这种情况下，共振是不可能发生的——但共振的产生只不过就差那么一点点能级。

这是一对非同寻常的巧合。如果激发的碳能级稍微低一点，宇宙中就没有碳，因为碳不能被制造出来。如果氧能级稍微高一点，宇宙中也没有碳，因为所有的碳都会转化成氧。无论是哪种情况，像我们这样以碳为基础的生命形式都不会存在。用霍伊尔自己的话说：

（一种）观点认为，正在探讨的数字中的一些数字，如果不是全部数字的话，是有涨落的，这种观点还认为在宇宙的其他地方这些数字的数值会有所不同。我赞成（这种）观点……令人好奇的是，在C12 和O16 中放置的能级，数值刚刚好。这可能仅仅是由于像我们这样的生物依赖碳和氧之间的平衡，我们仅仅能存在于宇宙中的某些部分中，在这些部分中，这些能级碰巧是这样的数值。 [2]

但是，霍伊尔并非只提出了这一种观点。他还表示，如果换个视角，“就物理定律在星球内部所产生的影响来看，物理定律好像是被故意设计出来的”。而且，他还认为，对于他来说，宇宙是预先设计好的。1965年，通过假设存在一个设计者，来解释碳和氧原子核的能级，对于很多物理学家来说似乎有些极端；但是，正如我将在第七章探讨的那样，今天这样做看起来似乎不再像以前那么极端了。

｜宇宙为何如此广阔？｜

重元素是在恒星内部制造出来的，一旦你知道了这一点，迪克的巧合就会比霍伊尔的巧合更容易理解，而且迪克的巧合同样令人印象深刻。其实，迪克当时并没有使用“巧合”这个词；1961年，他真正提出并在出版物中详细论述的是一种解释，这种解释以我们的存在这一事实为基础，解释了为什么我们周围所见的宇宙是如此的广阔与古老。

宇宙已经存在了137亿年，而光一年内可行驶的距离是一光年，所以，原则上，无论看向空间的哪个方向，我们可以看到的最远距离是137亿光年。在宇宙中还可能有更多的区域——也许有无限多的区域——超越了这个视界，但我们却无法看到这些区域，因为来自这些区域的光还没来得及到达我们这里。由于这个缘故，我们可以把这段距离四舍五入为约100亿光年。过去，这个宇宙视界离我们较近；将来，它将会离我们越来越远。那么，为什么在宇宙处于当前发展阶段的时候，我们能够存在，并且还能够探索可见宇宙到底有多广阔呢？

你可能会认为这只是进化的一部分——进化迟早会让我们在宇宙中出现。但是，制造出像碳元素这样的重元素的恒星，需要数十亿年才能走完其生命历程，并且在其消亡的时刻，把这些重元素散布到太空中去。然后，还需要数十亿年的时间才能在围绕较年轻恒星运转的一个（或多个）行星上进化出智能生物。粗略地说，像我们这样的生命形式出现在宇宙中，并且能够关注到周围的环境，需要大约10亿年的时间。

展望未来，在遥远的将来，恒星将燃烧殆尽，孕育生命的行星将不复存在。实际上，我们是在我们可能出现于宇宙的最早时间出现的。从宇宙尺度上，乍一看，广阔的可见宇宙似乎凸显了人类的微不足道，实际上，它是我们生存的基本要求。

｜核效率｜

马丁·里斯强调的巧合，与生命和宇宙的亲密关系这个简单的例子相比，专业性更强，但这些巧合值得我们略微详尽地探讨，以此来强调宇宙真是很奇怪。这些特别数字中的第一个数字与霍伊尔的人择理论密切相关，并与将物质转换成能量的核过程的效率有关，这一过程符合爱因斯坦的著名公式E=mc2 。

事物有一种自然倾向，即寻求可获得的最低能级。这方面我们最熟悉的例子是水往山下流。在引力场中，某物所处的位置越高，它拥有的能量就越多——当你抬起某物的时候，抬这个动作就被转化成了此物的重力势能。当此物体落下来，或当水往山下流的时候，重力势能就会被释放出来，转化成运动的能量，即动能。轻原子核相互融合形成重原子核，这是因为重原子核内部每个粒子（每个质子或中子）的能量比轻原子核内部粒子的能量少。

质子和中子统称为核子，且氦中每个核子的能量比氢中每个核子的能量少，碳的比氦的少，氧的比碳的少，依此类推一直到铁。假设它们能够克服相互排斥（因为它们带有正电荷），在此过程中，原子核就会相互结合，并释放能量。虽然它们带正电荷，但能把它们结合在一起的却是一种力，我们称之为强核力，这种强核力比电力强大，但其作用范围很小；因此只有原子核非常接近时，才能互相融合，在极端情况下，如恒星内部极高的密度和温度的条件下，这种情况就会发生。但是，当它们真的彼此靠近的时候，它们就会紧紧抓住对方不放。

对于比铁原子核更重的原子核，这种情况就不会发生了。这些元素的每个原子核的能量要比每个铁原子核的能量多，而这些元素的形成只能依赖巨大的恒星的爆炸，即所谓的超新星，因为这种爆炸可以迫使能量进入到原子核中。这就是为什么，与氧和铁这类元素相比，这样的重元素比较罕见的原因，但这并不影响较轻原子核。

实际上，这个链条的最初阶段释放出的能量最多。虽然在大爆炸中生成了很多氦，但更多的氦是在诸如太阳这样的恒星内部生成的，这是一个多步骤的过程，在此过程中，氢原子核相互结合，形成氦原子核。氢原子核只是单个的质子，随着时间的推移，其中有些必须转化成中子。每个氦原子核是由2个质子和2个中子形成的，但每次形成一个氦原子核，这个氦原子核的质量正好是2个质子和2个中子质量之和的99.3%。剩下的0.7%已转换成能量，使得太阳及与之类似的恒星不断发光。这一过程中的“核效率”是一个值为0.007的系数。就恒星内部物质转化成能量而言，这是迄今为止最重要的一步。所有的其他过程，其中包括铁的生成过程，都只把10%的物质转化成能量。因此，这个链条中的第一个步骤的效率是决定恒星寿命的最重要的因素——一旦所有的氢都用完了，其他的核聚变过程就无法使恒星长期发光了。

更重要的是，这个链条中第一步的效率，系数0.007，也与强力（即上文所提到的强核力，它可以把原子核结合在一起）的力量相关。如果这个数字——0.007——稍微大百分之几或稍微小百分之几，就会对强力造成影响，从而破坏共振，我们已经知道，当一个氦原子核碰撞一个短命的铍原子核的时候，只有通过共振才能形成碳。这个数字也影响着氦本身的形成方式。正如我所说，这是一个多步骤的过程。第一步，会形成一个只包含单个质子和单个中子的原子核，强力将这个质子和中子捆绑在一起，我们称之为氘或者“重氢 ”。核效率的值越小，相对应的强力的力量也越小。如果核效率仅为0.006，强力就会太弱，以至于无法将单质子与单中子绑定在一起，宇宙中就不会有氘或氦，更不用说比它们更重的元素了。

另一方面，如果核效率高达0.008，强力会非常强大，进而使两个质子结合在一起，根本不用牵涉到中子，从而制造出一种奇特的氦。大爆炸中所有的氢都将被转化成这种氦。其含义是复杂的，但别的方面不说，它至少将意味着像太阳这样的恒星不可能存在，因为通过我所描述的方式，无法产生氢，也就无法使之转换成氦。如果确实存在恒星的话，它们燃烧殆尽的速度会远远超过我们宇宙中的恒星燃烧殆尽的速度，也许，在围绕这些恒星运转的任何行星上，智能生物根本就来不及演化出来。无论如何，根本就没有水，众所周知，水是生命之源。

存在于这种假定宇宙中的实际元素的混合物，取决于核效率的精确值。但正如里斯总结的那样，“如果这个数字是0.006或0.008，而不是0.007的话，以碳为基础的生物圈就不可能存在”。而这仅仅只是一个宇宙数字，还有更多的数字需要同样的微调才能适合我们的生存。

｜引力太小了，令人难以置信！｜

从逻辑上说，强力是影响物质世界的四种力中最强的一种力。还有一种力，只在原子核和粒子的层面上起作用，这种力称为弱力，另外两种力是我们日常生活中非常熟悉的，它们是电磁力和引力。尽管日常生活中我们体会最明显的力是引力，但迄今为止，它是四种力中最弱的力。引力之所以对我们如此重要，是因为由于整个地球（近60万亿亿公斤的物质）的牵引，我们才会有体重。这么大的数字用指数计数制表达就简单多了。如果用指数计数制表达，地球的质量就是6×1024 公斤，即6后面跟着24个0。地球的全部质量所产生的引力集中到一起，才能使我们站在地球表面上，而不至于飞到空中，这就是我们所能感觉到的自己的体重。

要想正确理解引力的大小，可以将引力与电磁力进行对比——也可以将引力与电磁力的一个方面——电力，进行对比。这两种力都遵守平方反比定律，即两物体间的作用力与距离平方成反比关系。因此，我们是在比较同类事物。无论两个质子间的距离是多少，它们之间的电力的排斥力是它们之间引力的1036 倍。

在原子核和原子层面上，引力是微不足道的，分子由电力固着在一起，原子间引力的相互作用对分子根本没有什么影响。当然，这些电力不仅仅可以产生排斥力，还可以产生吸引力，就是这种吸引力把原子中的电子和原子核结合到一起，并使原子结合到一起，形成分子。正是在苹果柄上的少数原子（与整个地球中的原子相比是少数）间发生作用的电力，抵抗着地球中所有原子的引力的拉扯，使得苹果长在树上。在此层面上，电力和引力之间存在着一种竞争，电力试图把事物结合在一起，而引力试图把事物分开。当苹果重得掉下来的时候，地球的引力赢得了这场特殊的战斗，但它简直已经把它所有的力量都用在了这个苹果上。

发生这种事的原因仅仅是由于引力和电力在一个重要的方面存在着差异。电荷有两种，正电荷和负电荷，而且它们之间可以互相抵消。单个原子没有总电荷，地球也没有总电荷。但引力是可以累加的，一个物体所含的原子越多，它的引力就越强。等你把一个物体的尺寸增大到月亮或一个行星那么大的时候，它自身的引力就足以把其内部的所有物质拉拢到一起形成一个球体。但这个球体内部的每个原子仍会保留其原来的特性。当你把一个物体增大到太阳那么大的时候，它自身的引力就足以将位于球体中心的原子击碎，并把原子核挤压到一起，从而发生核聚变。恒星的大小以及什么时候恒星中的核燃料会燃烧殆尽，正是由引力的强弱决定的。

用10（指数计数制）换算，我们人类的质量正处于原子和恒星质量的中间。太阳的质量，取其整数，为2×1030 公斤。一个像碳这样的原子的质量大约是1×10-26 公斤，指数中的减号表示小数点后有25个0和1个1。一个成年人的质量，取其整数，约为100公斤，或1×102 公斤。这就意味着，一个人的质量大约是原子质量的1×1028 倍，而一颗恒星的质量大约是人的质量的1×1028 倍。要想得到太阳的重量，得把多少人的重量加在一起才行呢？这个数量就等于人体中原子的数量。

这本身并不是一种巧合。人是宇宙中已知的最复杂的事物，因为大量的原子（大约1028 ）以复杂的方式连在一起才能构成一个人。我们每个人都是由100万亿个细胞构成的，这些细胞共同起作用，才能形成一个单一的生命系统。你身体中细胞的数量至少是银河系中明亮的恒星的数量的一百多倍。原子是很简单的事物，分子较之复杂一些，细胞和人类更为复杂。但是，在恒星中，事物再次变得很简单。如果你找到1028 个人，并把他们放在一处，你并不会得到一个超级复杂的生命系统。引力会压碎一切，所有复杂的结构都会遭到破坏，使之成为像太阳那样的恒星，在这颗恒星的核心，一切事物都像原子核那样简单。

人类是一种复杂的生物，除此之外，人类也接近一个极限，即一个活跃的动物能生存在地球上，其尺寸的最大值。由于电力（把事物聚拢在一起）和引力（把事物分开）之间的竞争，如果某种生物的体形较小的话，它从高处掉下来，生存的概率就更大一些——即使是人类的孩子反复跌倒后，都会毫发无伤地弹跳起来。但大型动物即使是被绊倒了，都有可能摔断四肢，更遑论从树上或悬崖上摔下来。如果想比人的个头大并且还能生存在地球上，你必须要如大象那样健壮而笨重，或像鲸鱼一样生活在大海里，在海里，水可以给你提供支撑。粗略地说，凭经验而言，一个生物的体积（即它的质量）与其线性尺寸（即其高度）的立方成正比，但其骨骼强度只与其横截面成正比，而横截面又取决于线性平方。由于质量与体积成正比，而牵拉身体（产生重量）的引力与身体的质量成正比，当身体体积增大的时候，身体（从高处）落下来时，作用在身体上的引力是身体中的骨骼无法承受的。早在17世纪的时候，伽利略就明白了这个道理。他写道：

大自然也不能制造出大到无法测量其尺寸的树，因为它们的枝干会因为自己的重量而从树上掉下来，同样，如果人类、马匹和其他的动物的体重增加到十分巨大的程度的话，大自然也不可能为他们制造出能帮助其身体的各项功能正常运转的骨骼。

有句古老的谚语对此做了很好的总结：“站得高，摔得痛。”

让我们再从另一个角度，探讨这个看上去似乎微弱得令人难以置信的引力吧。假设引力比现在强一百万倍，即使这样，它仍然只有电力的1030 分之一。这将不足以影响到原子和分子过程，所以原子和分子层面上的一切——特别是化学性质——还会像在我们宇宙中那样运转。但由于要权衡平方反比定律和体积法则，用于制造恒星的物质的数量只需要我们的宇宙的十亿分之一（即100万的平方根的三次方），而且行星也会相应小很多。任何生活在这颗行星表面上的生物也必须非常小，否则它从高处落下来，就会被摔碎。在这颗行星上，不可能存在和我们一样大的生物，也不可能存在和我们一样复杂的生物。

最重要的是，这种强引力的宇宙也是诞生于它自身的宇宙大爆炸，随后，这种宇宙就会发生膨胀，然后，这种宇宙中的强引力会把云状物质拉拢到一起形成星系，但从拉拢效果来看，这种宇宙中的强引力要比我们的宇宙中的引力更为有效，因此，所形成的星系要比我们宇宙中的星系小得多，所形成的恒星也会小得多，恒星间相距很近，以至于它们经常会发生亲密接触。在我们的宇宙中，像太阳这样的恒星寿命约为100亿年，而这种宇宙中的恒星，在其燃料燃烧殆尽之前，也就只能存活约1万年。由于这种宇宙中的化学性质与我们宇宙中的化学性质相比，没有什么特别之处，因此，在这种宇宙中，进化根本就来不及发生。如果人类要想生存的话，这种宇宙中的引力必须就得像我们宇宙中的引力一样微弱才行，这的确是一个真正的宇宙巧合。

｜宇宙学常数的巧合｜

另一个真正的宇宙巧合与宇宙的膨胀速度有关。广义相对论方程描述了引力、物质、空间和时间之间的关系。这意味着，这些方程可以准确描述宇宙的膨胀。该方程可以加入一个常数，称为宇宙学常数。前文中我们已经遇到过这个常数，并且用希腊字母兰布达（lambda）（Λ）表示。直到最近，这个常量似乎可以设为零。如果不加入宇宙学常数，这些方程就会把宇宙描述为：宇宙从大爆炸诞生以后，就不断膨胀，随着时间的推移和引力对膨胀的阻碍作用，这种膨胀会放缓。这一过程就像把一个球抛到空中，开始的时候，它会快速移动，但由于引力的牵引，它会减速。但20世纪90年代末，对遥远星系的观测表明，相对来说，就是在不久前（与宇宙的年龄相比），这种膨胀已经开始加速。解释这一点的最简单和最自然的方式，就是假设确实存在一个数值很小但不为零的宇宙学常数。

在这些描述重力、空间、时间和物质的行为方式的方程中，宇宙学常数可以衡量空间的某种弹性，这种弹性类似于一个压缩弹簧的弹性——真空本身具有的一种能量，该能量使得空间膨胀。该能量有时也被称为Λ场（Λfield）。宇宙学家认为，宇宙诞生时存在着与Λ场非常相似的能量，这种能量在宇宙诞生之时，给宇宙施加了一种更强大但很短暂的向外推力，正是这种推力促使宇宙不断膨胀。所不同的是，宇宙学常数很小，而且自从宇宙大爆炸以来，每立方厘米空间中的宇宙学常数似乎都是相同的。

当宇宙还很年轻、高密度物质挤压在一起时，引力的力量大大超过了真空的弹性，宇宙的膨胀几乎与爱因斯坦不带宇宙学常数的方程所描述的完全相同。但是，随着宇宙的膨胀，物质的密度已经下降，这意味着随着时间的流逝，每立方厘米空间中的引力作用已经下降。最后，会下降到一点，在这一点上试图减缓宇宙膨胀的引力，与跟宇宙学常数密切相关的力，即，使宇宙加速膨胀的力，相比会变小。这一过程发生在数十亿年前——现在仍然需要进行大量观测才能知道它发生的确切时间。

像所有能量一样，Λ场也有质量。通过对宇宙膨胀方式的观察，宇宙学家计算出，每立方厘米空间中的Λ场的质量相当于10-29 克，也可以说，在每立方米空间中，Λ场质量相当于4或5个氢原子的质量（请记住，1立方米等于100万立方厘米）。宇宙刚刚经历了从减速向加速的转换，因为目前宇宙中物质的密度比这一数字稍小一点（约三分之一那么大），但粗略地讲，物质的密度和Λ场的密度基本相同。这是宇宙史上一个独一无二的时代，宇宙学常数有许多谜团，而我们为什么会碰巧处于这个特殊的时刻，就是其中之一。

更难解的谜团是，为何Λ场的能量如此之小？那些描述粒子和场的行为的方程允许Λ场的存在，Λ场与量子的不确定性相关。麻烦的是，这些方程得出的Λ场的最自然的值是非常巨大的——它比真实的Λ场大10120 倍。然而正是这种寿命短暂的场完美地解释了宇宙是如何开始膨胀的，所以物理学家对这些方程充满信心。他们很乐意接受值很大的Λ场，也乐于接受值恰好为零的Λ场（在这些方程中，总是容易得到一些常量，可以把这些常量抵消，使之恰好为零），从基本原理角度看，很难解释为什么应该有一个值很小但并不完全为零的宇宙学常数。这些方程允许这种常数的存在，但它们不太可能会这么小。

答案可能与我们的存在有关。如果宇宙学常数比它实际的数值稍微大一点点的话，Λ场所产生的宇宙斥力从宇宙诞生初期就会主宰整个宇宙，从而战胜引力并阻止云状物质坍缩成恒星、星系、行星和人类。我们之所以会在这里，是因为宇宙学常数较小。这种认识促使人们用一种人择的观点来解释Λ场的观测值。这种人择观点最初是由史蒂芬·温伯格（Steven Weinberg）提出的，20世纪90年代中期以后，其他研究者对它进行了改进，特别是亚历克斯·威廉金（Alex Vilenkin）。

怎样才能拥有一个允许智慧的观察者存在并让他们苦心思索上述问题的宇宙呢？人择观点认为要想拥有这样的宇宙，你需要一个非常小的宇宙学常数，在星系即将或刚刚形成之初，这个宇宙学常数应该小到足以主宰宇宙的膨胀。这个常数可以是小于这个限制（即足以主宰宇宙膨胀）的任何值，但如果你可以从各种各样的小于这个限制的值中，“选择”一个值的话，有统计论据表明，最可能的值不会比这个人择限制小很多。同一个统计论据还预测，如果你从人群中随机选择一个人，这个人是个矮子的可能性并不大。因此，当我们发现我们所生存的宇宙中的宇宙学常数比其可能的最大值稍微小一点，而不是小很多，而且它允许智慧的观察者存在的时候，我们不应感到惊讶。这就是亚历克斯·威廉金常说的“地球般平庸原理”的一个例子。毫无疑问，允许星系存在的Λ场，其可能的最大的值是与某一密度相符的，这一密度大约为当今宇宙中物质密度的10倍。但是，与这个Λ场的实际值相对应的密度大约比今天宇宙中的物质的密度大3倍。而我们正处于宇宙从减速向加速转换的时期，因为，正是在这一时期，星系主宰着整个宇宙。

如果可以选择宇宙——如果多重宇宙是真实的——那么，在多重宇宙中应该有很多适合像我们这种生命形式生存的宇宙，这种宇宙中的宇宙学常数值应该正好是宇宙学常数的观测值。通过以上论述，多重宇宙存在的证据逐渐积累起来，但是，还有更多证据呢！

｜平滑的宇宙海中的涟漪｜

下面我们要同时探讨两个宇宙学数字，同时探讨这两个宇宙学数字是很有道理的，因为它们共同告诉我们，宇宙平滑得出奇，但宇宙中又包含了很多足以允许我们生存的褶皱。如果你仰望夜晚的天空，或当你审视着用灵敏的天文相机拍摄的夜空的照片的时候，这种平滑并不明显。我们所能看到的只不过是，黑幕下的光斑——恒星和星系。然而表象有时具有欺骗性。

穷其一生，天文学家都无法看到星系划过天空，即使是把一千个人的寿命加在一起，在这段时间内，他们也无法看到星系在天空中移动。以人的标准看，星系在高速行驶，就是因为它们离我们太远，所以它们的运动并不明显。但通过多普勒效应（Doppler effect），我们可以测量单个星系的运动和旋转方式。某个物体所发出的光的光谱的改变，可以揭示该物体的运动方式。通过单个星系的旋转方式和单个星系在成群的星系即星系团中的运动方式，再通过计算机模拟膨胀的宇宙中，引力将物质拉扯到一起形成星系的方式，我们能够非常准确地知道宇宙中到底有多少物质，以及这些物质大体上是如何分布的。

在测量宇宙中物质总量时，宇宙学家并不是把宇宙中的全部实际质量加在一起，而是计算宇宙的平均密度，宇宙的平均密度通常是用希腊字母奥米伽（omega，即Ω）表示。Ω的确切值与宇宙的膨胀速度相关，同时，也与宇宙的最终命运相关。让我们暂时撇开宇宙学常数不谈，膨胀（使宇宙越来越大）与引力（试图阻止宇宙膨胀并使宇宙坍缩）间存在着竞争。如果密度足够大，引力就会获胜；如果密度小的话，膨胀就会胜利，而宇宙就会不断膨胀下去。但是有一个特殊的密度值，称为临界密度，在这种密度下，膨胀和引力处于平衡状态。如果膨胀和引力处于平衡状态的话，宇宙会不断膨胀下去，但这种膨胀会越来越慢，直至它实际上徘徊在坍缩的边缘。

简单地说，引力作用的方式意味着，如果宇宙曾经具有临界密度的话，它就会停留在这个刀刃上（即徘徊在坍缩的边缘），因为虽然随着宇宙的膨胀，密度会减少，而且从这个意义上说，引力也会减弱，但是，与此同时，宇宙的膨胀也会放缓到一定的程度，以保持这一平衡。为方便起见，宇宙学家将临界密度定义为Ω=1。他们测量出今天宇宙中物质的实际密度是临界密度的几分之一。临界密度相当于每立方米空间中存在约5个氢原子——这一数字也许为我们敲响了警钟。

观测和计算机模拟表明，今天宇宙中物质的密度略大于临界密度的四分之一。更确切地说，Ω（物质）=0.27，相当于每立方米空间中约有1个氢原子。乍一看，单从这个证据推断，宇宙似乎注定要永远膨胀下去。但这一数字有些古怪之处，宇宙学家早在几十年前就提出了这个谜题。

只有当Ω值恰好为1时，引力和膨胀之间才会保持平衡。如果宇宙从大爆炸诞生时的密度，比临界密度略大一点点，引力会迅速将物质吸引到一起，从而会阻碍宇宙的膨胀，使Ω值变得越来越大。这将使宇宙自身在“大坍缩 ”中崩溃。如果宇宙从大爆炸诞生时的密度比临界密度略低一点点，膨胀就会使事物变得越来越稀薄，同时会使Ω值越来越小。这两个过程都是偏离的过程——随着时间的推移，对于Ω=1的偏离会迅速加大。

宇宙大爆炸发生在137亿年前，而宇宙在这段时间内一直在膨胀，这种膨胀几乎很少受到宇宙学常数的影响。为了使宇宙的寿命能够持续这么长时间，而且为了使宇宙在这段时间内不会变得稀薄，以至于根本无法形成恒星和星系，在宇宙形成之初的第一秒，Ω值一定非常接近1。事实上，任何对1的偏离必须小于1/1015 （10的15次方分之一，即100万亿分之一）。也就是说，宇宙的密度从一开始就不是1，它与1相差的数量为小数点后面带14个零和一个1。如果初始密度是随机“选择”的，我们人类存在的概率就几乎为零了。由于临界密度是唯一特殊的密度，因此，不难想象一定存在某种自然定律，这种定律要求Ω必须等于1，但是很难想象会存在一种自然定律要求Ω=0.27。20世纪90年代，许多宇宙学家都相信，对它的唯一解释是，Ω值确实正好为1，而且一直都是1。在这种情况下，构成宇宙另外四分之三的“失踪”的物质到底在哪里呢？

还有一种复杂情况。对核相互作用的了解，使物理学家成功地计算出，在大爆炸所产生的物质的混合物中，一定包含75%的氢和25%的氦，核相互作用也同样成功地解释了，其他元素是如何在恒星中制造出来的，它还告诉我们，在大爆炸产生的火球中制造了多少核（重子）材料。就密度而言，宇宙中重子材料——制造恒星、行星和人类的材料——总量不可能超过临界密度的4%。通过星系的移动方式可以得知其他物质的存在，它们占了临界密度的23%，这些物质肯定是以某种暗物质的形式存在的，但在地球上尚未发现这种物质。寻找这种暗物质是当今粒子物理学最迫切的奋斗目标之一，但我们目前可以明确地说，而且对这本书而言也非常重要的是，暗物质确实存在，并且非常均匀地分布在空间中，而且正是暗物质的引力将重子物质（主要是氢和氦）拉入引力坑洞，星系在引力坑洞中的形成过程，类似于水坑在维护得极为糟糕的道路上的形成过程。

我相信你已经明白接下来会发生什么事了。20世纪90年代末，有些观察者非常震惊地发现，宇宙正在加速膨胀。他们之所以感到惊讶，是因为他们不是宇宙学家，不知道宇宙学家正在试图找到一种方法，将宇宙总密度凑足到临界密度。但是，许多宇宙学家听到这条新闻后都感到非常高兴。另一种解释宇宙中的Ω=1的方式是，认为宇宙“从空间上来说是平坦的”；1996年，就在发现宇宙在加速膨胀的两年之前，我出版了一本书，书名为《大宇宙百科全书》（Companion to the Cosmos ）。正像我在本书前文中所总结的那样，在此书中，我也对这种情况进行了总结，书中写道：“如果宇宙学家希望保留宇宙的空间是平坦的观点……他们可能不得不重新引入宇宙学常数的观念。”要想将所有的物质完美地组合到一起，必须要有一个能量密度相当于临界密度73%的Λ场，现在，有时将这种Λ场称为“暗能量”。但这仍留下了一个难题，即为什么Ω应该无限地接近1？而解决这一难题的最好办法，就是看一看宇宙学家所说的宇宙空间是平坦的，到底是什么意思。

宇宙的三维平坦性就相当于一张纸铺在我的二维桌子上的平坦性。地球的表面几乎是一个二维表面，从这种意义上说，它就像一张平坦的纸，但它自身会发生弯曲从而形成一个球体。人们认为地球的表面是封闭的，因为它没有边缘，如果你从地球表面上的某一点出发，朝着一个方向持续走下去，最终你会回到出发的地点。广义相对论告诉我们，三维空间可以以类似的方式弯曲，而且这些推测已经得到了证实，人们通过观察发现，当光经过像太阳这样的大质量的天体的时候，好像发生了弯曲。发生这种弯曲实际上是因为，光在穿越弯曲的空间时，会寻找最短路径。在三维空间中，这个有封闭表面的球体就相当于一个没有边缘的封闭的宇宙，这种封闭的宇宙自身也会发生弯曲，在这种宇宙中，如果你朝着一个方向持续走下去，最终你会回到出发的地方。这样的宇宙类似于一个非常大的黑洞。在二维空间中的另一种可能性是，其表面的形状为马鞍状或山口状，向四面八方永远延伸下去。这是一种开放的表面，这种表面没有边缘，因为它是无止境的，在这种表面上，你可以永远朝着一个方向走下去，而永远也不会回到同一个地方。在三维中，与它相对应的是一个开放的宇宙。如果没有宇宙学常数，一个封闭的宇宙的膨胀总有一天会停止，它自身还会发生坍缩。一个开放的宇宙注定要永远膨胀下去，如果有宇宙学常数的话，封闭的宇宙也可能会永远膨胀下去。

三维空间的形状取决于其内部的物质密度（或取决于其内部的物质和能量），因此，用这种方式描述的封闭的、平坦的和开放的宇宙正好与前文中探讨的膨胀宇宙的三种命运相符，其中与平坦的宇宙相对应的是宇宙的密度为临界密度，即Ω=1。

膨胀抚平了宇宙中的褶皱，并使之变得更平坦。把它跟皱巴巴的西梅干对比一下，把西梅干放在水中胀大，它上面的皱纹就会被理顺，表面也会变得更平滑（其原理与用美容疗法去除人脸上的皱纹的原理相同）。试想如果把西梅干膨胀到地球的大小，其表面真的会非常光滑，而且人们在这样的表面上行走时，根本无法明显地感受到它的弯曲——这就跟我们的祖先无法明显地感受到地球是圆的，而不是平坦的一样。

有关宇宙的空间平坦性，解释得最好的是，在宇宙诞生初期，即在它诞生的最初的一瞬间，发生了类似上文的事情。当时，强有力但短命的相当于现在的Λ场的东西引发了宇宙的急剧膨胀，在此过程中，即在10的几十次方分之一秒的瞬间，宇宙的尺寸增大了很多很多倍，最后形成了现在的可见宇宙这么大的尺寸。正是由于这个显而易见的原因，这一过程被称为暴胀，本书第五章将探讨暴胀；宇宙暴胀结束时，仍然是在小于1秒的时间内，形成了一个炙热的不断膨胀的火球，在这个火球内部，空间已变得非常平坦（这可以解释为什么Ω=1），只有非常小的褶皱为星系的形成留下了种子。虽然我会在后文中详细探讨暴胀，但我们现在需要记住一点，即虽然这可以解释宇宙的平坦性和平滑性，但整个暴胀过程有可能提前停止，这样演化下来的宇宙将有更多的褶皱，其Ω值会与1截然不同。从这个意义上说，还会存在很多种可供选择的宇宙。

根据星系团中星系的聚集方式，我们可以测量今天宇宙的块度。每个星系团都是由数千个星系组成的，与我们的银河系类似，每个星系都是由数千亿颗恒星组成的。引力把星系聚集在星系团中，星系围绕它们共同的质心运转，星系运动的速度可以由多普勒效应测量。有了这个信息，就可以直接计算出星系得运行多快才能脱离星系团，从而使星系团逐渐消失。这就需要给整个星系团输入一定的能量，而能完成这项工作所需的能量可以用来测量引力将星系聚集到一起的紧密程度，而这种紧密程度又可以测量宇宙偏离其平滑性的程度。

然后，将这一能量与星系团的总能量——它的“静质能量 ”——进行对比，星系团的总能量可以从爱因斯坦的等式E=mc2 中获得。在整个宇宙中，无论这个大型的星系团位于哪个方向，到目前为止已被调查的每个大型星系团中，这两种能量的比率都为1比100000。今天的宇宙中，偏离平均密度最大的数值只是平均密度的10-5 （0.00001）。这就相当于，在一个地球大小的星球上，没有高于60米的山丘。我们可以用10-5 这个数字，来衡量平滑的宇宙海洋中涟漪有多么小。

物质宇宙的主体是由黑暗物质构成的，而星系只是这些黑暗物质的可见的示踪剂。正如圣诞树上的灯光可以照亮这棵树的轮廓一样，星系也可以告诉我们黑暗物质聚集最多的地方的轮廓。这意味着形成星系团的“坑洞”是对暗物质平均密度的微小偏离，即只超过平均密度的十万分之一（1.00001乘以平均密度）。21世纪第一个10年，观测宇宙学的伟大成就之一，就是探测出这种褶皱在宇宙背景辐射中的确切比例，即十万分之一。这意味着，确实在很久之前，当宇宙还很年轻的时候，这种褶皱就已经存在了，而这种褶皱就像种子一样将会成长为星系团。

但是，假设这种褶皱的尺寸是不同的，又会出现怎样的情形呢？如果临界值小于10-5 ，就很难产生褶皱。如果临界值小到10-6 ，只是实际值的十分之一，恒星和星系将根本就不可能形成。另一方面，如果临界值比10-5 大得多，就会更容易形成结构——太容易了，因为大量的物质会迅速集中到一起，然后，迅速坍缩为特大质量的黑洞，星系根本就没有机会形成，也就不会有生命的演化了。如果这个数字是10-4 ，比我们宇宙中的临界值大10倍，仍然会发生有趣的事情，就有可能形成巨大的单个的星系，每个星系中所包含的物质，就如同我们宇宙中的整个星系团所包含的物质一样多。但是，如果该数字为10-3 ，只比我们宇宙中的临界值大100倍，那宇宙中将只会有黑洞和辐射。

此处，我们再次遇到了宇宙学巧合。为什么无论这一宇宙学数值是多少，宇宙都一定会（在暴胀后）诞生于大爆炸，而在所有的数值中，只有一个值才能允许星系、恒星和人类的存在？从物理定律角度看，我们还不清楚原因何在。如果这个涟漪再小一点的话，就不会发生什么令人感兴趣的事了；如果这个涟漪再大一点的话，宇宙又会过于剧烈。

宇宙巧合的例子举不胜举。接下来我将探讨这些巧合对多重宇宙的启示，但在此之前，我想谈谈宇宙的另一种特殊性，一种关于宇宙的更根本的古怪性。为什么这些涟漪，以及到目前为止我讨论过的一切，都发生在三维空间中呢？

｜三维适合人类生存，多维不适合｜

大多数人从未想到过质疑这一事实，即宇宙存在于三维空间和一维时间中。人们会认为事情本来就是这个样子的。为什么我们认为理所当然的事情正好就是那个样子的？一些最重要的科学发现都是从询问这个问题开始的——举一个著名的例子，为什么苹果会从树上落下来？为什么月亮绕着地球转？这类问题使艾萨克·牛顿洞悉了引力本质。在此处，举这个例子是非常合适的，因为空间有三维这一事实与牛顿的观点关系密切。17世纪80年代，牛顿论述说，类似地球的行星位于类似太阳的恒星的稳定的轨道上，要遵循最重要的定律之一——引力的平方反比定律。根据这一定律，两物体之间的吸引力与这两物体之间的距离的平方成反比关系。爱因斯坦的广义相对论，用弯曲的空间解释这种关系，但是这并不影响基本观测事实，即这一定律确实是以这种方式发挥作用的。爱因斯坦提出广义相对论后，并没有推翻牛顿关于引力的描述，而是将牛顿的描述囊括其中——苹果不会以不同的方式从树上掉下来，月亮也不会改变它的运行轨道。

有趣的是，平方反比定律是允许存在稳定轨道的唯一的定律。以负反馈为例，在我们的宇宙中，如果地球的轨道无论向哪个方向稍微偏移一点点，它绕着太阳转的速度加快或减慢一点，平方反比定律就会将它调整回目前的轨道。这是由于地球在其轨道上的运行速度与太阳对它的吸引力之间保持着平衡——简单地说，就是离心力和引力之间的平衡。但假如存在这样一种宇宙，在这种宇宙中，引力定律如果遵循立方反比定律的话，行星的运行轨道将是不稳定的。在这种宇宙中，如果一颗行星的运动略微放缓，并且离它的太阳稍近时，它就会感受到这个太阳施加给它的一种强大的力量，这种力量把它螺旋向内拉向太阳，直至把它拉入太阳中而消亡（引力胜）；在这种宇宙中，如果一颗行星的运动略微加快，并且稍微远离它的太阳时，这个太阳对它的吸引力就会减弱，它就会漂入太空（离心力胜）。在这种宇宙中，即使是非常微小的变化，如由一个陨石撞击而引发的变化，都将是灾难性的，这是正反馈作用的结果。不光是立方反比定律，在其他种类的引力定律作用下，也会发生类似的事情。离心力和引力之间的平衡，允许行星沿着稳定的轨道运转，而离心力和引力之间的平衡只会遵守平方反比定律。

此外，广义相对论指出，万有引力定律的维数总是比空间的维数少1，广义相对论用这一点来解释平方反比定律。在二维空间中，两个物体间的引力与它们之间的距离成反比；在四维空间中，两个物体间的引力与它们之间的距离的立方成反比，以此类推。因此，行星的运行轨道只有在三维空间中才是稳定的。

大概就在研究人员发现以上规律的时候，即20世纪的前30年，他们还发现，电磁方程组〔19世纪，苏格兰人詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（Scot James Clerk Maxwell）发现了此方程〕也只能适用于三维空间和一维时间的宇宙中。在我们的宇宙中，引力使行星在其轨道上运行，而电磁把原子和分子聚集在一起构成了人类。1955年，就在休·埃弗莱特提出多世界构想之前，英国宇宙学家杰拉尔德·惠特罗（Gerald Whitrow）就曾经提出，我们所观察到的、同时也是我们正在居住的宇宙，在空间上只有三维，是因为观察者只能生活在三维空间（加上一维时间）的宇宙中。如果生命只能在三维空间生存，而且我们确实活着，那么发现我们自己处于一个三维空间的宇宙中，就不足为奇了。 [3]

但是，这并不是说，其他维度的宇宙是不可能存在的——只不过，这样的宇宙无法孕育生命。从20世纪50年代起，这种观点导致了宇宙“系综 ”这个概念的发展，世界的某些地方存在着所有可能的宇宙，但生命只能存在于那些条件适合生命生存的宇宙中。这种系综观点从多世界构想的量子解释中独立发展出来，它的提出早于多重宇宙一词现代意义的使用。从其基本形式看，它并没有告诉我们其他那些宇宙到底在哪里，但它的确为宇宙巧合提供了一种解释。

｜生命的抽奖｜

如果打比方的话，用抽奖打比方最好。此次抽奖必须选取六个数字，才能有一次赢得大奖的机会。假设几百万人每人选取了一组六位数字，最后只有一组六位数字能被抽到，成为赢家。活动结束后，中奖彩票会显得很特别。但从根本上说，这组六位数字根本毫无特别之处。从抽奖的本质看，必须要有人赢，在抽奖前，每张彩票获胜的机会是均等的，注定有一个人是幸运的。

也许，允许像我们这样的生命形式存在的宇宙数字的集合就像抽奖中的六位数字一样。如果真的存在一系列宇宙，在所有这些宇宙中，包含了各种不同的宇宙学数字组合，智慧就只会出现在那些宇宙巧合获胜的少数的宇宙中。这些宇宙从其他宇宙中脱颖而出，是事后才知道的——因为有我们或与我们智力相当的生物，能够在那里观察它们。但从根本上看，这些特别的宇宙毫无特殊之处，它们当中每一个都是宇宙巧合的各种均等可能组合的结果。也许在生命的抽奖中，我们的宇宙碰巧中奖了。如果是这样的话，宇宙巧合就没有什么特殊“意义”了。

里斯更喜欢另一个比喻，在一家规模较大的商店中，挂满了现成的西服。如果这家店的挂钩上，挂满了足够多的不同尺码的西服的话，任何人从街上走进来，都会发现一件完全合身的西装，这是毫不奇怪的。这并不意味着那件西服是为他们量身定做的，同样，宇宙巧合的存在也并不意味着我们的宇宙是特别为我们量身定做的。如果在挂钩上确实挂着无限数量的不同尺码的西服的话，你肯定会找到一件完全合身的西服。如果存在无限数量的宇宙的话，肯定会至少有一个宇宙适合生命生存。1968年，英国动物学家卡尔·潘廷（Carl Pantin）用略为正式的语言对它进行了描述：

物质宇宙的属性是唯一适合生物进化的。如果我们能够知道，我们的宇宙只不过是无限数量的、拥有各种各样属性的宇宙中的一个的话，我们也许可以找到某种类似于自然选择原理的解决方案，即只有某些宇宙的条件是适合生命生存的，我们的宇宙碰巧包含其中。除非该条件得到满足，否则将不可能存在可以关注到这一事实的观察者。

正如我将在第七章探讨的那样，特别值得一提的是，有一位宇宙学家从自然选择的比喻中得出了逻辑结论。这是试图解释其他宇宙到底在哪里（或存在于什么时间）的七种尝试之一。宇宙巧合让我们有更充分的理由相信，其他的宇宙确实存在，虽然我们还不知道其他宇宙可能存在于什么地方。量子物理学的多世界诠释，为我们构建其他的宇宙提供了一个良好的科学机制，虽然我们根本不“需要”这些宇宙。将这两个比喻结合起来，我们已经把其他宇宙确实存在的事实解释得非常清楚了。在本书后面的章节中，我将探讨构建其他宇宙的其他机制，但在此之前，我想为多世界解诠释做一个合乎逻辑的总结，它可以让我们用一种新的方式来思考空间和时间，甚至无须考虑改变物理学“常数”。与此同时，我们将会探讨量子计算机，量子计算机可能很快就会成为多世界理论最伟大的胜利，而且它还为我们提供了多重宇宙存在的证据。

注解：

[1] 　后来，这本书以《宇宙中的物质》（The Stuff of the Universe ）为名再版。

[2] 　《星系、原子核和类星体》（Galaxies，Nuclei，and Quasars ）。对于他的观点，我只想改变一处，用词语“多重宇宙”替换“宇宙”。

[3] 　在任何情况下，生命似乎都不可能存在于二维宇宙中，因为在这样的宇宙中，无法形成复杂的结构。例如，在二维宇宙中，你不可能建成这样一套类似神经的电线网络，在这种网络中，电线彼此之间不交叉，也不接触；同样，在二维宇宙中，也不可能存在内部有一个像消化道那样的通道而仍能保持完整的物体。正如杰拉尔德·惠特罗（Gerald Whitrow）所说，“在三维或多维中，无论有多少细胞，它们之间都可以两两连接，而不需要连接点；但在二维中，最多只能有四个细胞相互连接”。

chapter
3
量子位元和时间流逝

拥有两个大脑/量子计算机探索/杀手级应用/实用性/这一切发生在何处？/多重宇宙的比喻/这一切发生在何时？/时间流逝/更广阔的天地

埃弗莱特所描述的其他世界真的能够直接影响我们的世界吗？答案通常是“不能”。然而，当今多世界诠释的主要倡导者戴维·多伊奇却认为这种事每时每刻都在发生。他还认为，原则上我们可以建造一台智能（或者至少是有自我意识的）计算机，它将能感受到多世界中的少数几个世界在相互作用时所产生的影响，然后把这种感受告诉我们。

对于多重宇宙的存在，多伊奇深信不疑，而且他毫不质疑多世界诠释的正确性。例如，他认为各种不同种类的宇宙的确存在，他自己的不同版本就生活在这些宇宙中，在某些宇宙中他是（不是“可能是”，而是“的确是”）一位就职于剑桥大学而非牛津大学的教授，而在其他宇宙中，他根本就不是科学家。从更大的尺度看，许多科幻小说中都描述过“可供选择的历史”，在有些历史中，恐龙从来没有灭绝过，相反，它们的智力和文明都发展到了可以与我们人类相匹敌的水平。多伊奇认为这种事情可不只是幻想——“毫无疑问”，某些宇宙的确存在，在这些宇宙中，恐龙已经建造出城市、宇宙探测器和装有硅芯片的计算机。之所以得出这样的结论，是因为“物理定律就是这样告诉我们的” [1] 。“如果在原子层面上存在多宇宙，在猫的层面上则不可能只存在单一的宇宙。”

多伊奇和埃弗莱特的多重宇宙观点有一个重大区别。如果用多世界诠释最初的（现在可称之为传统的）语言描述的话，每当宇宙面临量子可能性选择的时候，它就会发生“分裂”，分裂这个词会使人们的大脑中产生一棵多分支的树的图像，但不幸的是，这一图像给我们的暗示是树上应该有一根“主干”，所有分支都是从这根主干上生成的。这个词还引出了一个令人困惑的谜题——我们在地球上所做的双缝试验，即让一个电子穿过这个孔或另一个孔的试验，又怎么能为整个宇宙（其中包括每一个遥远的类星体）的一分为二负责呢？但多伊奇所描述的图像是拥有相同起源的各种不同种类的宇宙，在一个宇宙中，电子穿过了孔A，在另一个宇宙中，该电子穿过了孔B，自此，这两个宇宙的历史就产生了差异，但在整个过程中，任何事物都没有发生过分裂。这就像是一座无限的图书馆，馆藏有各种各样的书籍的复制品，这些书的第一页都以相同的方式开始，但随着你阅读的深入，每本书中的故事与其他书中的故事逐渐偏离，以致差别越来越大。只要你不排斥无限这种观点——你必须要考虑这些观点——上面提到的图书馆图像要比下面将要描述的图书馆图像更令人满意。在这个图书馆中，最初只有一本书，随着你阅读的深入，这本书不断分裂出越来越多的不同的书籍。多伊奇进一步阐释说，多世界诠释允许宇宙重新融合在一起（用传统语言表达），或允许宇宙再一次完全相同（这是多伊奇喜欢使用的表达方式），这就像是图书馆中的两本书虽然发展脉络不尽相同，但最后出现了同样快乐的结局。多伊奇之所以会有这种见解，源于他对量子干涉过程有着自己独到的见解。

｜拥有两个大脑｜

在量子双缝实验最基本的版本中，每次只向两个孔发射一个光子。埃弗莱特解释说，这将导致宇宙分裂成两个宇宙群。在其中一个宇宙群中，一个特定的光子穿过了一个孔，而在另一个宇宙群中，该光子穿过了另一个孔。但是，多伊奇却认为无论光子穿过了哪个孔，在实验另一边，它最终都会处于所形成的干涉图案的相同位置，仿佛这两个宇宙群又重新融合成一体。“分裂”观点只关注实验内部是怎么回事，而不关注整个宇宙阵列。只有在“选择”到底穿过哪个缝时，才会触发进一步的事件（如猫的死亡与生存），也就是在此时，这两个宇宙群开始分道扬镳，并沿着不同的路径发展下去。

按照多伊奇的说法，这就好像是两本书，开始时这两本书中的故事是完全相同的，都是关于某位英雄的冒险，但当这位英雄决定如何过河时，这两本书就产生了差异，他有两种选择，涉水过河或通过桥梁过河。在其中一本书中，他选择了涉水过河，而在另一本书中，他要通过桥梁过河。过河后，这两本书的故事又完全相同了。同样，只有当“选择”进一步激发了某一事件（如这位英雄在涉水过河时发生了意外，溺死在水中）时，这两个宇宙群才会分道扬镳，并沿着不同的路径发展下去。

多伊奇就是这样看待干涉的。在《真实世界的脉络》（The Fabric of Reality ）中，他探讨的实验不是只有两孔，而是有多孔。他在书中阐述说，当一个单光子进入该实验时：

它会穿过其中一个狭缝，然后它会受到某物的干涉从而发生偏离，偏离的方式取决于其他狭缝的开口方式；

干涉物已通过其他一些狭缝；

干涉物的行为方式完全类似光子的行为方式……

……但它们是不可见的。

如果某物看起来像鸭子，叫起来像鸭子而且它还下蛋的话，那么它就是鸭子。假如按照这一原则推理的话，多伊奇认为这些“干涉物”就是光子——多重宇宙的平行现实中的光子。他的结论是：

每一个亚原子粒子在其他宇宙中都有其对应物，只有这些对应物才会干涉它。它不会受到那些宇宙中任何其他粒子的直接影响。因此，只有在特殊情况下才能观测［量子］干涉，即在粒子的运行轨迹与它的影子对应物先相互分离，然后又重新汇合的情况下……只有非常相似的宇宙间发生的干涉才会足够强大，从而能够被检测出来。

多伊奇试图找到一种最佳方法，来证明他解释的过程是正确的，他构想出一个人造大脑，这个人造大脑可以记住量子实验对它的影响。当一个光子或电子穿过与双孔实验类似的装置上的孔时，它真的会拥有两个大脑。

多伊奇探讨了构建一个人造大脑的可能性，这种大脑的记忆是在量子层面运行的，因此，它可以直接体验量子现象。这台计算机不仅可以记录其自身进行的实验，还能够在实验过程中的任一时刻报告它的感受——很简单，它可以打印实验过程的实况报道。鉴于当前计算机技术的迅猛发展，在21世纪结束之前，我们就极有可能制造出这种计算机。在这种计算机上进行的实验比基本的双缝实验稍微复杂一些，但这些实验相当于一台自带一条线路的计算机，这条线路可以把依次经过双孔的单电子或光子汇合到一起，而且该计算机的智能可以感知到实验效果。多伊奇预计，这种智能马上就能感知到该粒子走了两条路径，因为用埃弗莱特的话说，这种智能会分裂出自身的两个复制品，随后再合二为一。

但是，由于人类观察者根本无法感知到这一过程，因此人类的确很难描述这一过程。分裂发生时，会出现两个观察者的复制品和两个计算机智能的复制品。因此，在实验过程中，人类操作员将会询问计算机，在这两种可能的路径中，单电子或光子到底穿越了多少种路径。多伊奇的回答能够精准地反映出他的思想精髓，他认为计算机会说：“我只观察到了这两种可能的路径中的一条路径，只有一条路径。”而且，该计算机在两个不同的宇宙中都会给出相同的答案。最后，实验结束时，即这两个宇宙又合二为一时，观察员（包括人和机器）都将看到一个干涉图案，从而证明了埃弗莱特多世界诠释的正确性。如果多世界诠释是错误的，干涉就不会发生了。

其中，有一点至关重要，那就是观察者不能询问计算机电子或光子穿越了这两条内部路径中的哪一条。因为只要计算机向我们揭示了这个问题的答案，世界就会永远分裂为两个，也就不会发生干涉了。这跟经典的双缝试验的道理相同，在经典的双缝试验中，如果实验员查看电子到底通过了哪个狭缝，干涉就不会发生。这就相当于旧哥本哈根诠释中波函数的坍缩。按照哥本哈根诠释的观点，计算机或者会报告说它同一时刻感受到了两种可能性，而且发生了干涉；或者会报告说，它就感受到一种可能性，而且没有发生干涉。计算机永远也不会说，它只感受到了一种可能性，却发生了干涉。

即使在多重宇宙中，计算机智能也永远不会记得它曾有过被一分为二的经历。这是该实验运转方式的必然结果，多伊奇说，计算机必须“消除那部分记忆，即到底［它］在观察两个可能性中的哪一个可能性”，究其原因，就是因为干涉。 [2] 如果计算机真有智能，通过分析实验记录，它就可以推断出它一定是被一分为二了，但它不可能记得它有两个大脑时的感觉。

多伊奇本人对建造以量子原理为运转机制的实用的计算机产生了浓厚的兴趣，因为这些运转原理能够揭示多重宇宙的本质。早在1977年，多伊奇就提出了建造量子计算机（现在的说法）的构想，尽管他当时唯一感兴趣的是建造一台真正的物理机，用以测试多世界构想。他对这种机器的实际应用不怎么感兴趣，但事实证明，这种机器拥有非常重要的应用价值，人们值得投入大量的资金来建造一台可运转的量子计算机。20世纪80年代初期以来，多伊奇在量子计算领域做出了许多重要的贡献，尽管量子计算机器现在还过于简单，无法完成测试多世界诠释的任务，但量子计算已经成为现实。多伊奇认为，这些过于简单的机器能够运转，就是多重宇宙存在的有力证据。

｜量子计算机探索｜

传统计算机——通常被称为“经典”计算机——存储和处理的信息由二进制数字或位构成。它们就像普通开关一样，有开关或上下两个位置。开关的状态用数字0或1代表，一台计算机的所有活动都涉及以适当的方式改变这些开关的设置。当我用文字处理程序在自己的电脑上书写着您正在阅读的句子时，我的电脑正播放着音乐，并且以实时连接的方式连接到了我儿子位于布赖顿（Brighton）店铺中的电脑的摄像头，我的电脑屏幕的一角正显示着我儿子电脑上的摄像头拍摄到的画面，而且还有一个电子邮件程序正在我电脑的后台运行，一有新信息，它就会及时提醒我接收。计算机能够完成这些工作以及其他一切它所能完成的工作，都是因为在计算机“大脑”内部，不断移动和处理着由1和0构成的字符串。

8个这样的位元构成一个字节，因为我们采用的是二进制而非十进制，如果自然地向上累加的话，得数不是10、100、1000……而是2、4、6、8、16……210 是1024，这个数字约为1000，而我们习惯用十进制，因此1024字节称为1千字节（kilobyte）。同样，1024千字节称为1兆字节（Megabyte），而1024兆字节称为10亿字节（Gigabyte）。我笔记本电脑上的硬盘驱动器可存储160GB的信息，它的“大脑”——处理器 ——最多可以同时处理2GB的信息，所有这些信息都是以1或0所构成的字符串的形式进行处理的。

但是，量子计算机与我的电脑截然不同。在量子世界中，诸如电子这样的实体可以处于一种叠加的状态中。这就意味着，与薛定谔的猫类似，量子开关在叠加状态时，可以处于两种状态，即同时开和关。例如，电子本身有一种名为自旋的属性，它与我们日常生活中的自转并非一回事，但我们可以把它理解为电子指向上或指向下。如果“向上”与0对应，“向下”与1对应，我们就有了一个二进制的量子开关。在适当的情况下，它可以同时处于指向上和指向下的状态。

一个处于叠加状态的单量子开关，可以同时存储数字“0”和“1”。从经典计算机的语言中引申一下，可称这种量子开关为量子位元，它是quantum bit（量子位元）的缩写，读做“cubit”。量子位元的存在给了我们令人兴奋的暗示。例如，两个经典位元可以表示从0到3这四个数字中的任何一个数字，因为它们可以是后面这四种组合中的任意一种：00、01、10和11。要想同时表示全部的四个数字（0、1、2和3），需要有四对位元——实际上，就是一个字节。但仅仅用两个量子位元就可以同时表示全部的四个数字。用这种方式存储数据的位元（或量子位元）的集合称为一个寄存器。一个由8个量子位元（一个量子字节）构成的寄存器不是同时表示全部的四个数字，而是可以同时表示全部28 个数字，即一个量子字节可以存储256个数字。或者按照多伊奇的说法，它可以代表多重宇宙中的256个不同的宇宙，同时这些宇宙还能以某种方式共享信息。

在一个正常运转的量子计算机上，任何操作都会涉及对1个量子字节所代表的256个数字中的任何一个数字的处理，而且任何操作在所有的256个宇宙中都是同时进行的。这就如同在我们的宇宙中，我们拥有256台不同的经典计算机，每一台计算机都在解决问题的一个方面；还如同我们只拥有一台计算机，但这台计算机必须要运行256次，每次处理256个数字中的一个值。展望未来，一台拥有30量子位元处理器的量子计算机，它的计算能力将会相当于每秒浮点运算为10万亿次的传统计算机的计算能力，即传统计算机比30量子位元的量子计算机运行速度慢10000倍。由此可见，量子计算机的运算能力是非常惊人的，但关键在于如何找到一种方法，使得运算结束时我们能够获取到有用的信息——让不同的宇宙，以正确的方式互相干涉，从而产生一个我们可以理解的“答案”，与此同时，有用的信息还不能受到损坏。

1985年，多伊奇在一篇科学论文中首先强调了基于“量子并行性 ”的计算机的能力。但是，他同时也意识到，这种计算机的应用前景极为有限，因为一个宇宙的居民无法直接观察到所有平行宇宙中的计算结果。只有当量子计算互相干涉时，所有相关宇宙中的观察者才会观察到有限数量的信息。举一个极端的例子，这个例子会使我们联想起《银河系漫游指南》（The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy ）中计算机“深思”（Deep Thought）的行为，你可能运行了量子计算机并且得到了一个答案，但你却并不知道有人提出了问题，因为这个问题是其他宇宙中的一个操作员（或许多操作员）提出的。

因此，即使你拥有一台可运行的量子计算机，你也不能期待它会更快、更好地完成传统计算机所做的工作，例如，它不会是一台更好的文字处理器，但这台量子计算机能够更好地完成工作，而且运行速度会更快。从实用的角度看，将大量的资金和精力投入到建造一台量子计算机上，唯一的原因在于，量子计算机是否能够得到强有力的应用，同时会给我们带来实际效益，而这些却是传统计算机无法办到的。在近十年的时间内，量子计算机给我们提供了一个解决方案，但它需要寻找到需要它解决的问题。随后，1994年，新泽西州贝尔实验室的彼得·肖尔（Peter Shor）想出了这样一个“杀手级”应用。

｜杀手级应用｜

首次看到“杀手级应用”这个词，大多数人都会觉得它看起来相当世俗，甚至有点乏味。但正是由于它乏味的特点，才使它变得如此重要。在政界、军事和商界，保密工作是至关重要的。有些密码是人与人之间传递机密情报的工具，保护这些密码不被第三方破译，是绝对必要和有价值的。反之，破解这些密码的意义更为重大，因此，人们在密码破译方面下了很大的功夫，虽然这些工作大多是默默无闻的。人们认为当今几乎无法破解的最好的密码，都是以一个难题为基础的，即如何找到任何一个大数的因子。

我们在学校都学过因式分解，但许多人都已经忘记了该如何做因数分解。它与素数的乘积有关。除去数字1（因为1较特殊），素数是只能被其自身和1整除的数。所以2是第一个素数（而且是素数中唯一一个偶数，因为所有其他的偶数都可以被2整除），3是第二个素数，5是第三个素数，依此类推。如果我们将两个素数相乘，得数不会是一个素数，而这两个素数就是该得数的因子。例如，3×5=15，3和5是15的因子。一个数字可以有两个以上因子，但在这个例子中，我们没必要说得这么复杂。做乘法很容易，然而，要想找到一个数字的因子，唯一的方法是反复尝试和纠正错误——对于15这样的数字来说，这个方法真是太容易了，但如果是非常大的数字，那就难多了。你一定要记住以下要点：其中的一个因子必须小于这个数字的平方根。

密码学与因数分解密切相关，其主要原因就在于一个密码可以一个非常大的数字为基础，而这个大数是由两个大素数相乘得到的。这样的密码是迄今为止设计出来的最好的密码，而且已得到了广泛的应用。密码发送者用这个大数将加密信息打乱，而密码接收者会利用因子译出密码。 [3] 对于任何想要破译密码的人来说，想要发现这个大数是非常容易的，但要找到这个大数的因子，即使运用最好的传统计算机，也需要花费很长的时间。

多伊奇举了一个例子，说明计算机解决这样的问题是相当简单的，相反，如果一个人类的数学家想要单独解决这个问题是绝对不可能的。数字10 949 769 651 859只有两个因子，4 220 851和2 594 209。如果让你去找这两个因子的话，首先得用3除这个数字，然后用5除，用7除，用11除……直到得数等于2 594 209，你认为这需要花费多长时间？一台计算机不到1秒钟就能完成这项任务。但10 949 769 651 859只有14位，我们每给这个数字增加一位，该数字的平方根就会增大约3倍。这是因为加入一个数字大概相当于用10乘以这个数字，而10的平方根略大于3。因此，加入一位就要花费原来三倍的时间才能找到两个素数中较小的那个素数。如果我们使用1997年最好的计算机（多伊奇1997年举了这个例子），对一个25位的数字进行因数分解，我们得需要花费几个世纪的时间才能完成；随着计算机运行速度的提高，为了确保信息的安全性，你只能使用越来越大的数字。

但是，肖尔综合一系列观点，创造了已知的肖尔算法，该算法展示了量子计算机对大数的因式分解要比传统计算机因数分解（诸如10949769651859这样的14位数字）容易得多。从本质上讲，量子计算机可以同时在一系列平行宇宙中进行每一种可能的除法运算，因此，量子计算机仅仅需要做一道除法题的时间，就能得出答案。因为干涉的存在，肖尔找到了一种方法，可以让答案出现在所有平行世界的所有电脑上。只有那些得到正确答案的计算才能在干涉过程中相加，而所有错误的答案会相互抵消。

从理论上讲，这种量子计算机还存在一个严重的问题，因为它很容易受到另一种干涉的影响，即外部世界的干涉，在此系统中，这些外部世界的干涉，其行为方式类似噪声。这就意味着，你不能再相信你得到的答案了。但此类问题并不重要！假设量子计算机对这种噪音非常敏感，它可能每运行1000次，才有一次能产生正确的答案。那又怎么样？每次运行只需要几分之一秒的时间。只要让量子计算机运行1000次，或更多次，并使用传统的计算机将得出的各种各样的“答案”相乘，就可以发现到底哪些答案才是我们所研究的大数的因子。举一个极端的例子，要想找到一个1000位数字的因子，传统计算机需要花费数千万亿年的时间——远远超过宇宙大爆炸距现在的时间。而使用一台采用了肖尔算法的量子计算机只需要约20分钟的时间。

多伊奇和他的同事很快就进一步修改完善了这些观点，而且人们还发现了其他算法，可以用这些算法解决量子计算机存在的具体问题。由于人们认识到即使量子计算机用途单一，也可以给我们带来实实在在的好处，自从20世纪末以来，人们争相建造一台可以利用这种方法进行因数分解的计算机——最初，这台量子计算机可能只能对小数进行因数分解，当然，最后它还是要对大数进行因数分解。

｜实用性｜

所有量子计算机都面临着一个最大的问题——应该如何获取信息？在量子层面上，计算机的运行可能极为令人满意，但为了弄清其内部到底是怎样运作的，我们要从外部去干涉它——或者说，我们必须让量子系统干涉外界环境。任何与外界的相互作用都会干扰量子过程。量子干涉效应在外部环境中的较大的粒子群间扩散开来，这种现象称为消相干。物理学家通常认为，外部干涉导致量子系统的消相干；但是，多伊奇指出，这种看待问题的方式是错误的，实际上，是量子过程对外界的影响造成了消相干，因为量子信息向外传播得越来越广泛，从而消失在一切其他事物所产生的噪音中。不管怎样，这两种方式都意味着在进行量子计算时，我们要认真避免量子系统受到外界的任何影响，然后用正确的方法读出计算结果。即使这样，计算机只能给你提供一次答案，因为读取信息本身就是对信息的破坏。与传统计算机不同，量子计算机不能在其记忆中存储答案，以供我们反复读取。

如果能够解决这些问题，利用单电子就可以使量子计算机运转，每个单电子都被关在一个原子笼子里，这些笼子的作用类似计算机的“开关”。用激光束的纯光脉冲刺激这个“量子点 ”，可以使它从一种量子态转换到另一种量子态——当然，还可以使这个“量子点”处于一种叠加态。在如此小的尺度上进行工作，会产生许多问题，这个姑且不谈。这种量子计算机很容易受到消相干的干扰，从而产生错误，因为每个量子位元将由一个单电子代表，而任何外界的影响都会使这个单电子发生错误。

解决这个问题的最好办法是将一个单电子位元的状态散布给几个（或许多）不同的开关，因此，即使一个产生了错误，我们还有其他几个呢。1998年，由洛斯阿拉莫斯国家实验室的艾萨克·庄（Isaac Chuang）和美国麻省理工学院的尼尔·哥申菲尔德（Neil Gershenfeld）带领的研究小组，很早就采用这种方法取得了成功。他们找到了一种方法可以将一个单量子位元散布到某一液体溶液的每个分子的3种量子态中（技术上称之为核自旋态）。“计算机”使用一系列无线电频率电磁脉冲编程，可以用磁场对所产生的所有分子的平均状态进行监测（该平均状态代表该程序的输出），当然这也离不开核磁共振技术（即NMR）的参与。在医药领域，核磁共振技术常用来“检查”人体内部器官，并被称为磁共振成像或MRI，因为很多病人会谈“核”色变。

为了了解单电子点是否已被损坏，需要对其状态进行测量，而此过程却会破坏它所包含的信息。洛斯阿拉莫斯国家实验室/美国麻省理工学院联合小组的明智之处在于，他们使用NMR方法来比较分子的平均状态，从而在没有对它们进行实际测量的情况下，了解它们之间是否存在差异。如果在本不应该存在差异的地方出现了差异，这个联合小组就会知道发生了错误，并可以采取措施对错误加以纠正。

2001年发生了量子计算史上具有里程碑意义的事件——这一事件足以匹敌航空领域中莱特兄弟的首次飞行。在IBM的阿尔马登研究中心，有个研究小组在一台量子计算机上使用肖尔算法真的分解出了15的因子。这台量子计算机的核心是一个包含五个氟原子和两个碳原子的分子，而且这些原子被赋予了7种核自旋——7量子位元。该研究小组的实验对象并非只有一个分子——他们使用了一小滴液体，但这滴液体中却包含了1018 个这样的分子，通过核磁共振监测，所有分子的平均态可以有效地补偿消相干产生的任何错误。实际上，每个分子都是一台7量子位元计算机（相当于一台128位的传统的计算机），每台计算机都在计算同样的问题，并对比得出的答案以检查错误。

使用肖尔的技术，7量子位元是分解15所要求的最小数值。最后，计算机正确地计算出15的两个因子为3和5。这证明量子计算是可以实现的，肖尔算法是正确的，而且人们很难再质疑多重宇宙的存在了。回顾一下莱特兄弟的成功给随后一个世纪的航空带来了什么，我们就能推测2100年时量子计算的可能面貌。

在这种液体电脑中，还可以使用其他分子。哥申菲尔德指出，咖啡因就是一种明智之选。如果仿照《银河系漫游指南》再写一本书的话，在这本书中很有可能会建造一台以一杯咖啡作为处理器的量子计算机。但至少目前为止，液体计算机技术的发展仍然受到严重制约。

令人遗憾的是，随着原子核数量的增加，用于监测分子的射频信号强度会迅速减弱，就目前的技术而言，使用这种技术建造的最大的量子计算机只会有10量子位元。然而现在，其他技术也在不断发展，其中有一项技术具有里程碑意义，即2005年制造的拥有8量子位元的第一台量子字节计算机。现在，也许有人在猜想莱特兄弟是不是可以设计出隐形轰炸机？量子计算的未来将如何发展？阅读本书时，请不要再做这样的猜想了，因为无论如何，本书都不会涉及这方面的内容。本书所关注的重点是量子计算机所做的计算到底是在哪里进行的。

｜这一切发生在何处？｜

只要量子计算机在运行，很多参与量子计算的人就根本不会关心到底这些计算是在哪里进行的。而想到这个问题的人大部分都曾涉足数学，在数学中，他们习惯了用假想的空间和虚构的结构来思考问题，因为这样做可以使某些计算变得更容易。遗憾的是，这样做还可能使他们对量子计算机内部的运作方式视而不见。

在现实世界中，三维空间中某一物体的位置可以用三个数字表示，这就是我所说的坐标，它就相当于该物体与某些选定的参考点之间的距离——通常是该物体分别到三个互成直角的坐标轴的距离，三维坐标与二维坐标类似。由于速度涉及方向，因此一个物体的速度也具有三维属性，而数学家们都乐于根据一个假想的“速度空间 ”进行思考，该空间中的一个点代表了速度在互成直角的三个方向上的分速度，它们共同代表了该物体的实际速度。其实你可以设想制作一个三维的速度空间模型来表示速度，这就类似于用一个三维的立体地球仪来表示地球地理。

但是，如果你是一位数学家，为什么至此就裹足不前了呢？为什么不想象一下是否能把这两组信息放到一个单一的六维空间中呢？在这个六维空间中，有一个点包含了有关某一单粒子的位置和速度的两种信息。即使数学家也会觉得互成直角的六个方向是很难想象出来的，而且也没有人能够建立一个六维模型来表示这个空间。但是，只就计算而言，其公式与毕达哥拉斯（Pythagoras）著名的直角三角形定理几乎完全一样，其中有几个额外的项就与几个额外的维度相对应（一项对应一个额外维度）。由于历史原因，这种想象出来的空间被称为“相空间 ”，但“相”这个术语在此处并不重要，它只不过是个名称而已。

数学家几乎可以无限拓展相空间这一概念。相空间有许多应用，但目前速度/位置这一应用就是一个很好的例子。要想描述一个单粒子的状态，就得需要一个六维的相空间，但是，如果有两个粒子在一个空盒中四处游荡，要想描述任一时刻盒子里的情况，就得需要一个12维的相空间。这种特殊类型的相空间所拥有的维数是盒子里面粒子数的6倍。随着时间的流逝，相空间中的这种系统会发生变化，而这种变化方式可以用统计技术来描述，这对于像混沌理论这样的理论来说，具有重要意义。 [4] 然而，这些与本书内容唯一相关的一点是，数学家已经习惯于这样一种观点，即要应对想象中的相空间就得需要数量极多的（虚构的）维度。所以当有人告诉他们说，一台量子计算机能够分解一个250位的数字，这一过程是通过10500 种状态的叠加实现的， [5] 他们的直接反应就是，利用他们思考相空间的方法来思考这一过程。

但是，相空间与量子计算有一个本质的区别。相空间可以表现处于一个盒子中，或其他物理系统内部的格格作响的粒子的行为，相空间对真实物理事物的这种体现是一种想象——此处，就是对装满了粒子的盒子的一种想象。但是，量子计算本身就是一种真实的物理事物，它不是数学家们想象出来的东西。在此情况下，这种计算需要10500台真正的计算机协同工作才能完成。这些计算机到底在哪里？多伊奇有力地阐明了这一点：

对于那些仍然执着于单一宇宙世界观的人，我可要下战书了：请解释一下肖尔算法是如何工作的……利用肖尔算法进行因数分解需要使用的计算资源是目前我们可以见到的计算资源的10500 倍或更多倍，当我们利用肖尔算法因数分解完一个数字时，到底这个数字的因数分解是在哪里进行的？在整个可见宇宙中只有约1080 个原子，与10500 相比，这是一个非常微不足道的数字。因此，如果可见宇宙就是物理现实的范围，物理现实甚至还远远不能囊括因数分解如此大的数字所需的资源。那么，这次因数分解是由谁完成的呢？这一计算又是怎么样、在哪里进行的呢？

你也可能会问，为什么我们能够进行计算？为什么10500 个其他宇宙中的居民会允许我们在他们的计算机上运行程序？他们又能从中得到什么呢？

答案很简单，他们从中得到的东西和我们从中得到的东西是相同的。还记得那个图书馆的类比吗？图书馆中的书籍一开始都是完全相同的。同样，在因数分解程序刚开始时，参与这次计算的所有宇宙与我们的宇宙也是完全相同的。这些特定的其他宇宙的居民的所有的意图和目的就是我们的意图和目的，而他们运行程序的原因也与我们相同。在计算过程中，这些宇宙产生了差异——写在图书馆书籍中的故事都各不相同。但计算完毕后，这些宇宙又再次变得基本相同。

当然，还存在更多的宇宙，生活在这些宇宙中的人们尚未建成量子计算机，或者，在他们的计算机上，他们选择运行不同的程序。但那些宇宙与我们的宇宙截然不同，从量子意义上看，它们不会干涉我们的宇宙。只有那些与我们的宇宙非常相似，而且其居民也像我们一样试图解决相同的难题的宇宙，才会以恰到好处的方式干涉我们的宇宙，以解决那些难题。

量子计算的故事就写到这里吧。在我看来，可以进行量子计算这一事实足以证明多重宇宙的存在。然而，图书馆中书的类比又自然而然地引出了多重宇宙的另一面（它与“常识”背道而驰）——时间的本质。

｜多重宇宙的比喻｜

第一次听到平行宇宙的观点时，人们会认为平行宇宙是肩并肩平行排列在一起的，那些与我们的宇宙非常相似的宇宙离我们很近（在我们的“隔壁”），那些与我们的宇宙存在差异的宇宙，会随着你远离我们自己的时间轴的“移动”（无论此处的移动是什么意思），即在时间中的 “横向 ”移动，而越来越不同，人们持有这种观点也是人之常情。许多科幻故事都是以这种观点为基础的，而且这种观点还出现在一些有关多重宇宙的阐释中，这些阐释已经深入人心。但是，如果我们认为多重宇宙就是这个样子的，那就太没有理据了。平行宇宙这个术语是不准确的，而且它还存在误导性，但遗憾的是，这个术语已经成为多重宇宙理论语言的一部分，我们最好还是把它看成一个比喻，就如同我们可能会说，两个从未谋面，但遵循相似的职业轨迹的人过着平行的生活一样。下面的比喻比这个比喻还要好，像数学家想象出来的相空间中的所有方向一样，所有不同的宇宙彼此间都是成直角的。这仍然不是对多重宇宙的准确描述，但至少它有个优点，即可以描述完全超出我们常识的事物，使我们领会到多重宇宙实际上与我们直接经历过的事物截然不同，多重宇宙不是一排几乎完全相同的排屋，不是一系列舒适的“相邻世界”。

让我们再回忆一下那个多重宇宙图书馆吧。一个有条理的图书馆管理员可能确实会把所有书籍整理得井井有条，所以，在书架上，那些故事几乎完全相同的书会彼此相邻，而如果你查看远处书架上的书，你走得越远，书中故事的差异就会越大。但是，根本没必要这样整理书籍。这些书可以用任意顺序排列，或简单地堆成一堆放在地板上，我们仍然可以把这些书籍比作多重宇宙。即使把书的顺序打乱了，仍然会发生这样的事情，即所有的书籍刚开始时是完全相同的，随着你阅读的深入，这些书中的故事会产生差异；而在大约10500 本书中，故事在某一点上是完全相同的，随后，对于这个250位数的分解会有大约10500 种解释，继而，这一计算的结果会被记录下来，而故事会再一次变得完全相同。至关重要的是你必须以正确的顺序阅读每本书的每一页，而不是以特定的顺序阅读所有这些书籍。

以正确的顺序阅读每一页书是很容易的，因为书页上都有页码。即使装订破损，有几页变得松散了，你也可以很快把它们复原。事实上，如果这些书页根本没有装订在一起，而是堆放在地板上，你仍然能以正确的顺序阅读这些书页。如果多重宇宙图书馆中的所有书籍，实际上，都是由堆成一堆堆的散页组成的，每一页上都标有两个数字，一个数字标明它属于哪本书，另一个数字标明它在那本书中的位置，其间你可以随意打乱整堆书页的顺序，最终你仍然可以阅读这些故事。并且，这些故事就像真的一样。更妙的是，假设每一页都有一个引言段用以介绍这个故事的概要，该概要将会包含有关前几页内容的相当准确的信息，还会包括更靠前的书页中有关故事细节的较为模糊的信息。你可以从这堆书页中随意拿起任何一页，看看它属于哪一“历史”阶段，随后找到当时的故事梗概，还能够详细地了解在那一刻故事中到底发生了什么。

如果每本书的每一页都与时间中的一个时刻相对应，那就非常像我们自己的宇宙中的日常经验了。我们拥有过去的记录，其中既包括物理记录，还包括我们的记忆，对于那些刚刚发生的过去，这些记录告诉了我们细枝末节，但对于离我们非常遥远的过去，它们则很少给我们提供细节，而且，我们对于现在所发生的一切有着明确而详细的“见解”。我们对时间的印象是时间的流逝“像一条不断流淌的小溪”；但是，我们所能意识到的一切是此时此刻所发生的事情和我们对于过去的记忆——我们对于过去的概括。这真的如我们读一本扣人心弦的故事书相差无几吗？在读那些扣人心弦的书时，我们会与书中的人物感同身受。我相信，这意味着图书馆地板上那些编了号的乱蓬蓬纸堆的形象不只是一个单纯的比喻，它能帮我们真正洞悉多重宇宙的本质。

我承认提出这种观点并非靠我一人之力。1966年，我读了弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）的科幻小说《十月一日为时已晚》（October the First is Too Late ），首次接触到这种观点。书中，霍伊尔笔下的人物遇到时间乱流，在地球上的不同地点可以同时体验不同的时间。正如故事中的一位科学家所解释的那样，“夏威夷的时间是1966年8月中旬，英国是1966年9月19日，我猜想，美洲大陆是1750年之前的某个时间，法国是1917年9月末”。霍伊尔在书中给读者加注说，虽然这是一个虚构的故事，但“对于探讨时间的意义和意识的意义来说，是相当严肃的”；我在就读于剑桥的理论天文学研究所时，有幸能够得知他确有此意，因为霍伊尔当时就担任这个研究所的主任，我曾向他请教过这本书的内容。那么，在这本书中，他对于时间的本质持有何种观点呢？

｜这一切发生在何时？｜

霍伊尔小说中的科学家，以霍伊尔的口吻，介绍了霍伊尔的观点（我确信霍伊尔是一位研究现实本质的物理学家）。这位科学家首先用相对论的时空观点来描述世界。“如果你思考一下地球绕太阳的运动，”他说，“它是一个四维时空中的螺旋。在该螺旋上挑选出一个特定的点，并且指定这个特定的点就是现在，也是绝对没有问题的。”这就是人们通常所说的现实的 “块宇宙 ”模型，即认为时间中的所有时刻都存在于时空中，就像空间中的所有位置都存在于时空中一样——无论是1452年，还是3173年，都像今天一样是真实存在的，虽然我们没有经历过这些年代。同样，虽然你居住在伦敦，但是纽约和孟买就像伦敦一样是真实存在的。实际上，在所有关于相对论的解释中，块宇宙是唯一一种有意义的解释，虽然很多相对论者宁愿忽视这一事实。

随后，霍伊尔用一摞鸽子洞来打比方——这些鸽子洞类似信件分拣机械化前邮局分拣室中使用的小盒子。这些无限阵列的小盒子都用编号排序。在每个鸽子洞中都会有信息，这些信息或许是印在纸片上，或许是存储在计算机中，用以描述序列中其他鸽子洞中的物品。有关鸽子洞中物品的信息的序列号越小，其信息就会越准确，但有关鸽子洞的物品信息的序列号越大，其信息就越含糊不清，有时还会彼此矛盾：

我们把你碰巧正在观察的那个特定的鸽子洞称为现在。把那些你发现了大量正确信息的早期的鸽子洞称为过去。而把那些没有太多正确信息的后来出现的鸽子洞称为未来……现实世界与鸽子洞非常相似。在现实世界中，我们谈论的不是鸽子洞，而是状态。

霍伊尔用“状态”这个词介绍了量子理论的观点，但他在谈论这种观点时非常谨慎，以免他的读者感到惊恐。他只是告诉读者可以划分出大量的状态，而选择其中任何一种状态都会构成现在。随后，他假设一束光可以在一摞鸽子洞上方随机舞动，首先照亮了一个鸽子洞，然后以任意顺序又照亮了另一个鸽子洞。如果这束光可以“打开”意识，那么该意识总是会意识到过去和未来，就像我们也可以意识到过去和未来一样，此外，它还能体会到时间的稳定流动。

现在想象一下，两套独立的鸽子洞，以这种方式用相同的光照亮每套鸽子洞，不仅仅是在每一套鸽子洞的内部随意切换灯的开关，而且还要在两套鸽子洞之间进行开关。为了达到讲述这个故事的目的，霍伊尔提出，每套鸽子洞都对应着一种不同的人类意识：“一套鸽子洞是你所称的你，而另一套鸽子洞是我所称的我。”但在本书中，在我所描述的世界观的背景下，一套鸽子洞将对应一个宇宙，而另一套鸽子洞则对应另一个宇宙。多重宇宙中会存在无限摞的鸽子洞，但我们不必担心舞动的光点会把任何东西打开。每个量子态都刚好是打开的，已经完成了对过去的较为准确的回忆和对未来的模糊的推断。

霍伊尔著作的核心思想是，所有不同的时间都是同样真实的量子态。虽然霍伊尔从未在他的科学著作中详述这种观点，但是，其他的科学家，特别是戴维·多伊奇（David Deutsch）和另一位牛津大学的物理学家朱利安·巴伯（Julian Barbour），对这种观点进行了详尽的描述。正是多伊奇用令人难忘的语句简洁地总结了这种观点，“其他时间只不过是其他宇宙的特殊情况”，但是，也许他并非真的有必要提及“特殊”这个限制条件。

要想真正理解这种观点的现代含义，最好的方法就是像霍伊尔那样，从研究“块宇宙”模型开始。之所以称之为“块宇宙”，是因为人们把宇宙看成是位于一个四维的“块”中，这个四维块类似一大块蛋糕。在时空中，万物皆不动，而我们眼中的时刻是块中的薄片。如果沿块的一侧延伸的一个方向代表时间这个维度，那么，与时间轴呈直角的薄片就代表在我们眼中呈静止状态的观察者的角度。我们认为正在移动的观察者所看到的事物有所不同，是因为他们的时刻与以不同角度切分时空的薄片相对应，而确切的角度取决于他们的速度。所有这一切都与爱因斯坦方程所描述的情况相符，爱因斯坦方程描述了运动如何影响观察者对宇宙的看法，如：运动中的时钟会变慢，运动物体的长度会在运动方向上变短，它的一个重要前提是先有因，后有果，原因总是先于它所造成的结果——例如，一个观察者不可能在某人打开开关把灯点亮之前，就看到房间的灯开着。同样，我们也不能以这种方式切分时空。

从块宇宙最简单的形式看，块宇宙模型似乎排除了自由意志，因为未来像过去一样已经固定了——但是，正如我们将要看到的那样，量子物理学改变了这一切。暂且将这一点搁置一边，与霍伊尔的鸽子洞比喻类似，时空中的每个薄片都蕴含着过去的历史，多伊奇指出，如果时空被切分成非常薄的薄片，像洗牌一样把这些薄片的顺序打乱，然后把这些薄片再重新黏合在一起，此时所有时刻的顺序都已经混乱，但是，居住在这一时空的居民却无法意识到这些变化。这像极了宇宙图书馆中打乱了顺序的书页，无论你在阅读或体验哪页书或薄片，你知道它们都是过去的书页或薄片，但你却不知道未来的书页或薄片。多伊奇称这些时空中的薄片为快照，他说：

按照物理定律，任何一张快照不仅决定着所有其他快照的样子及其顺序，而且还决定了它自己在这一顺序中的位置。换句话说，每张快照的物理内容中都已经编入一个“时间戳”。

巴伯对这本快照集的描述有别于霍伊尔——根本没必要把这些快照黏合在一起以形成时空块，可以简单地把它们堆成他所谓的“一堆”，即一个混乱的时刻集合。 [6]

现在，我们要把多重宇宙的概念考虑进去。如果多重宇宙只是一个时空块的集合，我们可以想象它们或是并排堆在一起，或是一个摞在另一个上面，堆在一起——这是有关平行宇宙的旧观点。但是，如果每个宇宙仅仅是一个杂乱地堆在一起的时刻堆，那么，多重宇宙也是一个杂乱地堆在一起的时刻堆，而且是一个更大的时刻堆。打乱所有可能的宇宙中所有可能的状态，然后将它们堆放在一起，就可以形成多重宇宙。从外部（并不是说多重宇宙有外部！）无法知道任一特定的快照对应哪一个宇宙，同样，也无法知道任一特定的快照对应哪一个时刻。这就是为什么多伊奇认为，其他的时间只不过是其他宇宙中的特殊情况（而我认为，其他的时间甚至根本没有特殊性）。所有可能的量子态都存在，与之对应的是，所有可能的宇宙中存在着所有可能的时刻。

这样的量子图像把自由意志还给了我们。如果在一个冻结的时空块中只有一个宇宙，我们就没有自由意志。但是，如果所有可能的未来都存在的话，那么我们就真的能够选择未来。任何事情都有可能发生，但是我们将要经历哪种未来却取决于我们自己所做的决定。我在写作《寻找薛定谔的猫》的过程中，曾用约翰·列侬（John Lennon）的话总结了量子物理学的本质：“没有什么是真实的。”25年来，我获取了更多的知识，现在我想改变我的说法，我支持多伊奇和巴伯的观点，即一切事物都是真实的。但是，如果其他时间和其他地点一样都是真实的，而且我们可以前往其他地点去旅行，那么，我们有没有可能前往其他时间去旅行呢？

｜时间流逝｜

到目前为止，我们已知的对空间和时间的最好的描述当属广义相对论。它已经通过了人们所能想到的每一种测试，并精确地描述了可观察到的扭曲时空的行为，其条件范围最大涉及两颗中子恒星随着引力辐射而失去能量，互相绕轨道螺旋运行，最小涉及绕地球旋转的飞船上的一个失重的、正在旋转的、几乎检测不到晃动的陀螺仪。广义相对论最显著的特点是，它考虑到了时间旅行的可能性。就我们现在对时间的理解而言，旅行者有可能在时空中沿着一条路径旅行，最后又回到他出发的地点或时间点。这意味着他在部分路途中可以回到过去。 [7]

当然，要建造一部能够运载我们进行这种旅行的机器将是极为困难的，而建造这部机器所需要的技术也是我们现在望尘莫及的。但关键在于，我们很有可能建成这样的机器。有关这一点的细节我已经在本书的其他章节探讨过了； [8] 在这里，我想关注的是如果一种特定的、被称为虫洞的时间机器真的可能存在的话，它会为我们理解多重宇宙带来怎样的启迪。这将不可避免地涉及使用日常语言，该语言与我们人类对时间流逝的感知相对应，这种时间流逝是从过去到未来的时间流逝。但我所描述的穿越时空的路径，其实应该是这个样子的——这些路径连接着多重宇宙中不同的量子态，我所说的穿越时空的路径并不是沿着这些路径所进行的实际旅程。

双孔实验概括了量子物理学奥秘的核心。该实验的时间旅行版也涉及两个洞，但它们是一个虫洞的两端，虫洞是一个穿越空间和时间的隧道。根据已知的物理定律，那种技术上先进到足以控制黑洞的文明可以建成这种通道，即隧道的两个“口”在空间中的位置是彼此并排相邻的，但是，其中一个口的时间相对于另一个口的时间是过去。另外，这些虫洞还有可能是在宇宙中天然形成的，仍有待我们去发现；遗憾的是，找到一个天然虫洞所需要的航天技术与制造一个虫洞所需要的技术几乎相当。但是，如果你拥有这样一个虫洞——无论是天然的还是人工的——你就有可能以某种方式将一个实验对象发送到虫洞的一个口中，但这个实验对象从虫洞的另一个口中出来的时间却早于它被放入第一个口的时间。

由于这只是一种假想的实验，我们可以想象这种结构的作用范围很小，其内部的虫洞刚够发送一个滚球轴承，以便我们在实验室或类似的地方进行研究，看看它可以给我们带来什么启示。这个简单的例子足以凸显出时间旅行所面临的哲学问题——所谓悖论的可能性。如果从虫洞的过去的口出来的滚球轴承与还没有放入虫洞现在的口中的滚球轴承发生自我碰撞，使其发生了偏转，并没有进入虫洞现在的口中，那么接下来会发生什么事情？它就不能及时从虫洞过去的口中出现，使它自己发生偏转，所以它一定是已经进入到虫洞现在的口中了，如果它进入到现在的口中了，它就一定已经发生了偏转……但还可能会有别的轨迹，从过去的口中出来的滚球轴承与还没有进入现在的口的滚球轴承发生了碰撞，正好把它撞到未来的口中，并形成了一个自洽的环。相互作用后，从过去的口中出来的滚球，就这样遵循着标准的物理定律，继续走下去。研究人员，如美国的基普·索恩（Kip Thorne）和俄罗斯的伊戈尔·诺维科夫（Igor Novikov），已经用数学方法证明，对于每一种这样的自相矛盾的可能性，始终存在无限数量的自洽的“解”。

从量子物理的多世界诠释的角度出发，他们接着解释，如果一个真正的球遇到一个如此设置的真正的虫洞，我们将会看到什么。从远处看，很难清楚地了解这个球穿越虫洞时的路径。你只能看到这个球接近了虫洞的两个口，以某种方式与这两个口发生了互动，然后就远离了这两个口附近的区域。而这正与一个光子或一个电子通过双缝实验时的行为方式相同。这个光子或电子靠近了这两个孔，与这两个孔发生了互动，然后出现在另一边。在类似的情形下，一个球到底发生了什么？索恩和他的同事们发现，唯一可行的解释是，所有可能的路径互相干涉从而产生了一个看起来单一的最终状态。诺维科夫和他的同事证明，只有这些方程的自洽的解，才符合量子物理学定律。干涉抵消了自相矛盾的路径。用多伊奇的话说，在时间旅行的互动发生之前，所有的宇宙都是相同的，其后在不同的宇宙中所讲述的故事彼此间产生了差异，但在互动的另一边，故事又再次变得相同，而且一直在讲述一个自洽的故事。也许在时间实验的另一边，宇宙并非都是相同的；也许在多重宇宙中确实标记着一个地方，从这个地方开始这些历史变得不尽相同，但所讲的那些故事仍然必须是自洽的。

多世界诠释还解释了，当我们把时间旅行的视角从滚珠轴承尺度放大到人类的尺度时，我们怎样才能避免悖论。从很多科幻小说中，我们熟悉了所谓的悖论。假设我建造出一部时间机器，回到了过去，而且我成功地阻止了我父母的相遇。在这种情况下，我永远也不会出生，但是，我这个人已经生活在这个世界上了，所以，我的父母肯定是在一起了，等等。咱们姑且不谈这样一个事实，即一部时间机器不能回到它建成之前的时间（或许我发现了一部数千年前外星人留在地球上的时间机器），在多重宇宙中，想要解开这个谜团是相当容易的。我确实回到了过去，并且确实阻止了我父母的相遇——但这发生在另外一个宇宙中。在我所生活的世界中，我父母的确相遇并生下了我。科幻作家有时会利用这种观点把宇宙的大体形象看成一棵多枝的树，他们提出，从某种程度上说，通过时间旅行回到过去就是“滑下树干”，由于时间旅行者的出现而对过去所造成的任何改变，都会致使树的主干上长出一根“新的”历史的分支。但正如我所强调的那样，这棵大树根本就没有主干，也就没有“新的”分支，只存在不同的宇宙，而且这些宇宙的历史也是截然不同的。

假设我回到了1066年，秘密参与了黑斯廷斯战役（the Battle of Hastings），我支持盎格鲁-撒克逊一方，目的是为了保证诺曼人会战败。这并不会创造一段新的历史，即英国仍然是英国人的英国这样的新历史。这段历史已经存在，因为世界上一定存在许多宇宙，在这些宇宙中诺曼底的威廉（William of Normandy）在黑斯廷斯战役中战败了。事实上，威廉战败的概率是极大的，这很容易让人联想到，在我们的宇宙中，他肯定得到了一位友好的时间旅行者的帮助。如果在这场战争发生之前，真的建成了一部时间机器或一个虫洞（只有这样才能使这次特殊的旅程成为可能），那么，确实会存在另一个版本的历史，在这个版本的历史中，有一个时间旅行者（但这个人可能不是我）生活在与我们的宇宙非常相似的宇宙中，他确实通过时间旅行“回到了”多重宇宙的一个量子态中，该量子态与盎格鲁-撒克逊人获胜的那种历史相对应。另一方面，如果今天有一位来自未来的时间旅行者正在拜访我们，这位时间旅行者可能不是来自我们的未来，虽然他或她（或它）可能来自一个与我们的宇宙拥有非常相似的未来的宇宙。这位时间旅行者能及时警告我们即将发生的灾难，使我们能够改变它，虽然在这位时间旅行者自己的“家”所在的宇宙中，灾难已经发生了。 [9] 但一切都没有为之改变；多重宇宙的景观仍然存在，在多重宇宙中不同的路径连接着不同的状态。多伊奇再次简洁地对此做了总结：

回到过去的时间旅行，必然是嵌入到若干相互作用和相互关联的宇宙中的一个过程。在此过程中，每当旅行者进行时间旅行时，他一般将从一个宇宙旅行到另一个宇宙。

｜更广阔的天地｜

然而，从某种意义上看，即使是多伊奇的视野也过于有限。从他对多重宇宙的观点来看，他认为在任何一个宇宙中，各种“巧合”的数值（我们曾在第二章中探讨过这些巧合）都与我们自己的宇宙中的值相同。在探讨诸如量子计算机和时间旅行这样的观点时，这种观点是非常合理的。要想实现量子计算和时间旅行，就得需要干涉，而这种干涉只能在彼此十分相似的宇宙的复制品之间才会起作用，这种相似肯定会包括拥有相同的数值，如碳原子核的能级值或引力的强度。但是，从更广阔的视野看——从某种意义上说，让我们对整个多重宇宙看得更远一点，虽然前文中图书馆的比喻已经非常清楚地表明，只要一谈到量子物理学，这种更广阔的视角就不再是一种准确看待事物的方式了——我们可以想象出拥有不同的物理常数值的无限多种类的宇宙。在这个无限的多重宇宙的每个子集（每一个子集的宇宙的常数都是相同的）中，多伊奇、巴伯等所描述的整个场景非常好地描述了现实。而每个子集自身也可以是无限的，因为无限的确是非常庞大的。

这就会引出一个显而易见的问题。如果我们把自己限制在一个无限的宇宙子集中，在这个子集中，有一个宇宙与我们自己的宇宙非常相似，它诞生于大约140亿年前发生的一次大爆炸，那么，我们在第二章中探讨的数字又是怎样与我们自己宇宙中的数字产生差异的呢？鉴于目前还没有人能确切指出是什么在我们的宇宙中“设置”了那些数字，我在此处可以提供几种可能的解释。这些解释中的任何一种解释都有可能是正确的——考虑到多重宇宙的本质，或者有可能它们都是正确的，也有可能它们都是错误的，但它们是目前对宇宙巧合所做的最好的解释。因此，非常值得一读。我将从最简单、最古老但也许也是最不令人满意的可能性谈起——再看无限性。

注解：

[1] 　请参阅朱利安·布朗（Julian Brown）所著《思想，机器和多重宇宙》（Minds，Machines and the Multiverse ），书中有对多伊奇的采访。

[2] 　参见《原子中的幽灵》（The Ghost in the Atom ）。

[3] 　此处把该过程描述得过于简单，如果你想了解密码学的详情，请参考乔治·约翰逊（George Johnson）的《时间捷径》（A Shortcut Through Time ）。

[4] 　见《深奥的简洁》（Deep Simplicity ）。

[5] 　这是多伊奇本人所举的例子；10500 ，当然，是1后面有500个零。

[6] 　李·施莫林（Lee Smolin）曾在他的著作《宇宙中的生命》（The Life of the Cosmos ）中用最简洁的方式描述了巴伯有关这一主题的不同看法。

[7] 　广义相对论还告诉我们，通过时光旅行回到时间机器还没有发明出来之前的时刻是不可能的，这也许可以解释为什么今天地球上还没有出现来自未来的旅行者。

[8] 　《初学者的时间旅行》（Time Travel for Beginners ），约翰·格里宾（John Gribbin）和玛丽·格里宾（Mary Gribbin），霍德出版社，2008。

[9] 　有关这一主题的不同见解是非常有趣的，参见格雷戈里·本福德（Gregory Benford）的《时景》（Timescape ）〔西蒙和舒斯特（Simon & Schuster），1980年〕。

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在所有方向上的无限

时间之箭/宇宙的热死亡/每个可能的意外/时间和距离/时间和热力学/宇宙之箭和引力下降/反弹？/回到未来

宇宙是无限的，这种观点可以追溯到四百多年前。正如前文所言，第一个在科学出版物上提出这种观点的人是托马斯·迪格斯（Thomas Digges）。莱昂纳德（Leonard）是迪格斯的父亲，早在16世纪50年代，莱昂纳德就发明了经纬仪，并把经纬仪用于勘测和望远，当时他就从事这两份工作；他的这项发明很长时间以来都秘而不宣，因为无论在民用领域，还是在军事测绘领域，这项发明都有很高的应用价值。莱昂纳德于1559年去世，在世时他曾出版过一本书。跟随着父亲的科学脚步，托马斯·迪格斯于1576年对这本书进行了修改和扩充，迪格斯有关宇宙是无限的观点就出现在这个新版本的附录中。迪格斯断言，宇宙在空间上是无限的。用他自己的话说，“恒星天球在高度上无限扩展地固定在太阳周围”。

虽然这种观点当时未被采纳，但它标志着当时人们对宇宙的看法与古人对宇宙的看法相比，已经产生了深刻的变化。例如，希腊哲学家们难以接受空间无限大的观点，其原因是可以理解的。无限不光是一个非常大的数字，大到比你能想到的最大数字还要大一点，其实，它还具有别的意义。要体会无限的奇特之处，最简单的方法就是，首先要考虑所有的整数——1、2、3、4、5，依此类推。它们构成了一个数学集合，这个集合可以永远继续下去，所以它是一个无限集合。无论你想到什么数字，你总是可以通过往这个数字上加1的方法得到一个更大的数字。现在想想所有的偶数集合——2、4、6、8等等。乍一看，似乎这个集合小于第一个集合，因为你已经去除了所有的奇数。这一集合真的只包含了第一个集合中一半的数字吗？当你把第一个集合中的数字乘以2时，就可以得到第二个集合中相应的数字。因此第一个集合中的每一个数字都可以与第二个集合中的数字结成对。1对2，2对4，3对6等等。在这种情况下，这两个集合的大小看起来好像是相同的，因为一个集合中的每一个数字都对应着另一个集合中的一个数字。你拥有两个无限大的集合，一个包含另一个，但两个的大小是相同的！

从空间上看，在一个无限的宇宙中，不仅一切皆有可能发生，而且它还可以容纳无限数量的无限的宇宙，在其中任何一个宇宙中，任何可能的事情都可以发生无限次。难怪古人面对这样的观点时退缩了，他们更愿意想象宇宙是有限的，它被限制在一个天球中。例如，亚里士多德（Aristotle）乐于从数学的角度考虑无限，但他在《物理学》（Physics ）中坚定地说：“现实中，不会真的有无限。”另一方面，像亚里士多德这样的哲学家并不乐于接受宇宙可能有一个开端这样的观点，因为这将意味着时间有开始，或许就会有结束。因此，他们愿意接受的观点是，宇宙在时间上会无限地持续下去。这种观点几乎与有可见宇宙标准的现代宇宙观截然相反。当今的宇宙学家非常乐于思考这样的观点，即在太空中宇宙是无限的，但他们的标准模型始于137亿年前的一个特定的时刻，就是大爆炸发生的那一刻。然而，如果我们的宇宙仅仅是多重宇宙的一个组成部分，那么多重宇宙本身可能在所有方向上（在时间以及空间上）都是无限的。

1930年，天文学家詹姆士·金斯（James Jeans）出版了《神秘的宇宙》（The Mysterious Universe ）一书，他在书中写道：“如果宇宙能够持续足够长的时间，在这么长的时间内，任何可能的意外都有可能发生。”这句话在一定程度上描述了一个显而易见的事实，如果我们稍微思考一下我们对于时间的理解，稍微思考一下我们所感知到的时间的流逝，思考一下时间的流逝是如何与我们周围所看到的不断膨胀的宇宙的有序性联系在一起的，我们就会发现，这句话有着牢固的科学基础。

｜时间之箭｜

在我们的日常体验中，顺序和时间的关系是非常清楚的。举一个典型的例子，让一块冰块在一杯水中融化。冰融化之前，玻璃杯中的物质处于一种有序的状态，杯中的冰和液态水是截然不同的。无论是用语言，还是用数学公式，如果你想要描述这种状态，就得需要一定数量的信息。冰融化后，有序性减少了——这意味着信息减少了，而且复杂性也降低了。你所拥有的是一种简单的液体。要想描述这种液体需要的语言更少，方程也更简单。此时，你不用再描述“一杯加了冰的水”了，取而代之的是，你需要描述“一杯水”。

从这种意义上说，我们所说的“顺序”的意义与更精确的科学概念熵有关，与降序相对应的是熵增加。如果任由杯中的冰和水自己变化，不受外界的影响，杯中诸如冰块这样的东西总是会变化的，也就是说熵会增加，而复杂性会降低。然而，“任由杯中的冰和水自己变化”这个前提是至关重要的，因为这种规则仅仅适用于所谓的封闭系统（closed system）。地球上生命的复杂性就是一个显而易见的例子，它可以说明在一个系统中，随着时间的流逝，熵会下降，但是，这种关系能够成立，只是因为地球上的生命以外界的能量供应（来自太阳的能量）为生。其实，在过去的几十亿年间，整个太阳系的熵在增加，而地球上生命的复杂性也是在这段时间内演化而成的。

我们探讨时间，原因在于我们都清楚地意识到时间好像是流动的。开始时你拥有一杯含有冰块的水，到了最后你的杯中只剩下了水。你永远也不会看到一杯水中的部分水分子单靠自己的力量就能自然而然地形成一块冰。还有另一种方法可以表示熵增加定律〔它被称为热力学第二定律（the second law of thermodynamics）〕，即热量总是从较热的物体流向较凉的物体，方向绝不会反过来。我们所说的过去和未来之间有一个明显的区别。但要记住，虽然我们能够感知到时间流，但那并不一定意味着时间流的确存在。毫无疑问，有一支时间之箭 [1] ，它的指向是从低熵状态指向高熵状态；但这并不意味着真的存在一支时间之箭正朝着熵增加的方向运动。这就与磁罗盘针上的箭头和从弓发射出的箭头之间的差异类似，磁罗盘针上的箭头尽职尽责地指向北方，但却静止地停留在同一个地方；而从弓发射出来的箭头，会朝北方或其他方向驶去。此处所探讨的熵的观点，作为时间之箭的指示物，与第三章中描述的有关时间本质的观点并不矛盾。

在多重宇宙中，至少在我们的宇宙中，我们还有另一支时间之箭，它是我们的宇宙自己为我们提供的。过去的方向指向宇宙大爆炸，而未来的方向指向我们看到的正在变大的宇宙。为什么我们在自己的宇宙中感知到的是时间的热力学之箭？过去和未来的指向对于我们了解这个问题的原因极为重要；但在无限的多重宇宙中可能存在很多与我们的宇宙类似的宇宙，这种简单的热力学可能与这些宇宙的存在有关。这是因为支配类似原子和分子这样的物质的行为方式的简单定律，与热力学第二定律存在一种明显的矛盾——在天文学家发现宇宙正在膨胀之前，该难题比现在还令人费解。该难题就是，在原子、分子和亚原子粒子层面，时间之箭并不存在。

要想弄清楚这一点，通常的方法是想象空气分子不断在一个房间或一个密闭的盒子里弹跳。简化一下，我们可以想象一个装有惰性气体氖原子的盒子。如果排除原子间可能出现的化学作用这种复杂情况，这样做不会发生其他的化学反应。这些原子在盒子内部四处弹跳，它们之间相互碰撞，与盒子内壁碰撞并弹回来，其行为方式几乎完全等同于坚硬的小球——弹子球在容器内部的弹跳方式。真实的弹子球会在桌子上运动，因此会有摩擦。与弹子球的这种行为方式不同，原子的碰撞不涉及摩擦，而且只要盒子内部温度和压力保持一致，就无法通过监测碰撞来确定时间之箭。两个原子同时运动，互相碰撞并弹回来，与这一碰撞相关的一切都遵循所有的物理定律；此时，如果你让时间倒流，并观看这一碰撞的反向过程，所有的一切将仍然遵循物理定律。而且，与一块冰在一杯水中溶化的情形不同，如果你为盒子中气体的状态拍摄了一系列快照，并把这些照片的顺序打乱，你根本就无法弄清这些照片的顺序。从盒子中气体原子的行为方式看，根本无法找到时间之箭的蛛丝马迹。

为了看到时间之箭，我们必须把这个系统的状态设置为处于不均衡的状态，这就相当于往一杯水中加一块冰块，然后观察它是如何回到稳定状态的。

假设我们有一个盒子，这个盒子被推拉隔板一分为二。在隔板的一边，半个盒子含有氖气；在隔板的另一边，另一半盒子中的气体已被抽出，盒子中空无一物。如果把隔板从盒子中抽出来，我们都知道会发生什么事——气体会扩散开来，填满整个盒子。现在，如果我们反向思考同样的事情，似乎就太愚蠢了：在一个充满了气体的盒子内部，突然之间所有的原子都移动到盒子的一端，却在另一端形成一种真空状态，在现实生活中，我们从未看到过这样的情景。我们似乎已经发现，即使在原子和分子层面，时间之箭也在起作用。但事情并非如此简单。即使当气体扩散开来填满整个盒子时，原子间的每次碰撞都遵循可逆的物理定律，而如果我们能够观察到碰撞发生的反向过程，每次碰撞看起来都会是非常自然的。从两个原子之间发生简单地互相碰撞，到由大量原子构成的气体扩散到整个盒子这一过程来看，到底时间之箭是在哪个环节出现的呢？

答案很简单，时间之箭并没有出现。的确，没有一个物理定律告诉我们，盒子中所有的气体不能正好移动到盒子的一半，而在另一半形成一种真空状态，随后位于盒子一端的气体会再次扩散开来充满整个盒子；只不过这种事情极不可能发生。一盒气体中含有非常多的原子，而这些原子中的任何一个原子都可以在任一时刻位于盒子中的任何地点，因此，平均而言，盒子中的原子将近乎均匀地分布在盒子中。用更专业的术语来讲，虽然任何一个特定的原子都有可能位于盒子的任何地点，但是大多数原子的分布状态与原子的平均分布状态相对应。只有非常少的原子的分布状态与所有原子同时位于盒子一端的状态相对应，因此，我们几乎不可能看到这种状态。但是，1890年，法国物理学家亨利·庞加莱（Henri Poincaré）证明，如果一种“理想”气体被困在一个盒子里，并且该盒子里所有的碰撞都不会产生能量损耗，那么，这种气体最终一定会经历每一种可能的符合能量守恒定律的状态。在盒子内部，原子的每一种分布方式一定会在某一时刻出现，而如果我们等待足够长的时间，我们就会看到所有的原子都移动到了盒子的一端。换句话说，原子最终一定会返回到它们的出发点，初始状态会重演——只要我们等待足够长的时间。

可是，我们遇到一个难题。从统计学角度讲，原子回到它们的初始态所需要的时间被认为是庞加莱循环时间（或庞加莱始态复现时间），它取决于其中原子的数量。粗略地讲，庞加莱循环时间是10N 秒，其中N是所涉及的原子数目。对于一个只包含10个原子的盒子来说，庞加莱循环时间是1010 秒，或者说是300多年的时间。实际上一小盒气体可能包含1023 个原子，因此，始态复现时间为10的1023 次方秒。但是，宇宙的年龄（从宇宙大爆炸开始算起）大约只有1017 秒。17和1023 （1后面有23个零）之间的差异，使我们明白，从统计学角度上说，要想用从宇宙诞生至今的时间，看到气体向盒子的一端移动是（不）可能的。这种极微小的概率，连同一个相对较小的庞加莱循环时间，为以下难题提供了一个标准答案。这个难题就是，一个在小尺度上无时间的世界怎样才能在大尺度上拥有一支明显的时间之箭呢？答案就是，那支时间之箭仅仅是一个统计上的错觉。如果你能够花足够长的时间来观察一杯水——这个时间长到是宇宙年龄的很多很多倍——最终你确实会看到大量的水逐渐变暖，并在水中间形成一块冰块。 [2]

在对于我们所感知到的时间之箭的解释中，这种解释是很有说服力的，前提是宇宙的年龄确实是有限的，比一个典型的庞加莱循环时间小得多。但是，如果多重宇宙的年龄是无限的，这种解释就不太有说服力了。19世纪90年代中期，奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）指出了庞加莱论点的致命缺陷，但他并未使用多重宇宙这个术语。他提出，从本质上讲，我们的可见宇宙是一个短暂的低熵的泡泡，这个泡泡碰巧出现在了一个无限的、永恒的、无时间的高熵的世界中——与这种宇宙状态相对应的状态是，盒子中的所有气体朝盒子的一端移动。如果真是这样的话，我们的宇宙确实正是金斯（Jeans）所说的那些意外之中的一个意外。后来，人们发现宇宙正在不断膨胀，而且人们还发现了宇宙起源于一个有限的时间点的证据。由于这些发现，玻尔兹曼的这种论点不再受人们青睐，但在多重宇宙的背景下，这种观点再次值得我们认真考虑。要想了解这种观点的重要性，我们可以根据热力学定律，思考宇宙的“自然”状态到底应该是什么——早在19世纪50年代，科学家们就一直为这一问题所困扰。

｜宇宙的热死亡｜

宇宙最奇异的特点是，其内部蕴含了明亮的恒星，这些恒星散布在漆黑的天空中。所有恒星都在不断地将热量释放到寒冷的宇宙中，这一过程遵循的规律是，热量从温度较高的区域向温度较低的区域流动。或许，只要这一过程永远持续下去，那么，恒星之间的空间中就一定会充满了辐射，其温度与恒星自身的温度相同，而宇宙会处于平衡状态。又或许，如果我们能够等待足够长的时间，恒星将会燃烧殆尽，由于它们不能产生足够的能量，就无法给整个宇宙加热，使其温度达到恒星的温度，恒星就会像冰冷的煤渣一样结束生命，并与其周围寒冷的环境保持平衡。无论恒星以哪种方式结束自己的生命，如果没有热冷对比，热量就不会流动，宇宙就会处于热力学平衡（或热平衡，两者是一回事）中，也就不会发生任何令人感兴趣的事情了。

1850年，德国物理学家鲁道夫·克劳修斯（Rudolf Clausius）发表了一篇论文，文中，他将我们现在已知的热力学第二定律引入他的科学探讨中。他很随意地写道：“热总是显示出一种均衡温度差异的倾向，因此，热总是从温度高的物体传到温度低的物体。” [3] 几年之后，克劳修斯和其他研究人员改进了这种观点，并将它建立在牢固的数学基础上；但是，人们仍然公认，他1850年发表的论文标志着科学热力学的开端。

寒冷的宇宙中却存在着炙热的恒星，真是令人费解。将鲁道夫·克劳修斯的观点与这种费解的现象联系起来的第一人，是威廉·汤姆逊（William Thomson），他出生于贝尔法斯特，却在苏格兰度过了大半生，后来他曾被授予爵位，晋升为开尔文勋爵（Lord Kelvin），今天，人们更为熟知的是开尔文勋爵这个名字。他的成就很多，其中之一就是，汤姆逊独立得出了很多与克劳修斯相同的结论；为了纪念他在科学上取得的成就，根据热力学原理推导出来的“绝对”温标被命名为开氏温标。1852年，汤姆逊发表了一篇科学论文，标题为“论自然界中机械能散逸的普遍趋势”（On a Universal Tendency in Nature to the Dissipation of Mechanical Energy），文中所提出的宇宙正在消亡的观点，正是对此观点所做的早期的陈述。这篇论文引发了专家们的极大兴趣和激烈讨论。1862年，汤姆逊发表了一篇论文，标题为“关于太阳热的可能寿命的历史考察”（On the Age of The Sun’s Heat），文中他指出，“如果宇宙是有限的，而且遵守现有的定律”，那么“结果将不可避免地会出现宇宙静止和死亡的状态”。两年后，赫尔姆霍兹（Hermann Helmholtz）引入了“热寂 ”（或 “热死 ”）这个术语来描述宇宙的最终命运；汤姆逊和赫尔姆霍兹都意识到，宇宙以这种方式消亡的事实意味着它过去处于一种低熵状态，他们认为，这种低熵状态一定是他们尚不知道的物理定律的产物。19世纪90年代，这种宇宙热寂的观点已经成为非常普遍的观点，它甚至在H.G.威尔斯（H．G．Wells）的经典小说《时间机器》（Time Machine ）中发挥了重要的作用。但当时，庞加莱和玻尔兹曼已经就这一问题开始发表自己的观点。

｜每个可能的意外｜

1895年2月28日，玻尔兹曼在《自然》上发表了一篇论文，标题为“论气体的若干理论问题”（On Certain Questions of the Theory of Gases），该标题看起来很乏味，但这篇论文的发表为这场辩论做出了主要贡献。文中，他重申了他以前曾经强调的重点，“所谓的热力学第二定律”其实只是对概率的一种描述。随后，他讨论了在一个装有氮气和氧气混合物的盒子中，氮气和氧气彼此自动分离（所有的氧气将会移动到盒子的一端，而所有的氮气将移动到盒子的另一端）的概率，他用H来表征一个与概率相关的参数，大体上与熵的变化趋势相反，“H降低的概率比H增高的概率大”。玻尔兹曼举例说，如果我们掷6000次骰子：“我们无法证明，抛出骰子后，得到任一特定数字的次数应该正好是1000次，但我们可以证明，我们投掷的次数越多，投掷出这个数字的比率，即投掷出这个数字与投掷出所有数字的比值，就越接近1/6。”但也有可能出现不太可能发生的偏差，这些偏差就相当于你连续掷几次骰子都得到同样数字。这些偏差都等同于玻尔兹曼H参数值的峰值；玻尔兹曼通过统计数字向我们展示，盒子中的混合气体极不可能自行分离，而且他还肯定了宇宙热寂的观点，宇宙“一定会趋向一种状态，在这种状态下……所有的能量都消耗殆尽”。就在他要结束自己的论证时，却出现了不尽如人意之处：

我将用我的老助理舒茨（Schuetz）博士的观点结束本文。

我们假设，整个宇宙将永远静止，处于热平衡状态。宇宙的一部分（只有一部分）处于某一特定的状态的概率，与这种状态偏离热平衡状态的程度成反比；但宇宙本身越大，此概率就越大。如果我们假设宇宙足够大，那么不管它的一个相对较小的部分处于何种状态，或者无论这些状态离热平衡状态有多远，我们完全可以做到这一点，及我们想让这部分的概率有多大，它就可以是多大。虽然整个宇宙都处于热平衡状态，但是我们还可以使这一概率大到能让我们的世界处于目前的状态。可以说，世界离热平衡状态是如此之远，以至于我们无法想象。但另一方面，我们是否可以想象出，在整个宇宙中，我们的世界所占的区域到底有多小？假设宇宙足够大，类似我们这样的世界所占的这样一小块区域处于目前的状态的概率就不再小了。

如果这个假设成立的话，我们的世界将逐渐回到热平衡状态，但因为整个宇宙如此之大，很有可能，在未来的某一时刻，其他的某一世界也可能偏离热平衡状态，而且与我们现在的世界偏离热平衡状态的距离相同。那么，前面提到的H型曲线将会反映出宇宙中所发生的事情。H型曲线的顶点代表了那些可以观察到运动并且有生命存在的世界。

因此，玻尔兹曼涨落 [4] 确实应该称为“舒茨涨落”！无论怎么称呼，1895年发表的论文中就出现这样一段令人震惊的文字，因为如果我们用我们所说的“多重宇宙”代替玻尔兹曼的术语“宇宙”，用我们所说的“宇宙”代替他的“世界”的话，这段文字就会与多重宇宙的现代观点直接相关。这段文字甚至还无意中隐含了人择推理的思想——像我们这样的观察者只能存在于类似于这样的涨落中，因此，我们发现自己生活在这样的涨落中是不足为奇的。

然而，玻尔兹曼很快就提出了自己的观点，并极力捍卫它，虽然这种观点的种子是舒茨播种的。1897年，他写道：

在我看来，如果不想引发整个宇宙从一个确定的初始状态到最终状态的单向变化的话，这种观点是我们理解第二定律的有效性和每个单一世界的热寂的唯一的方式。有种反对意见认为，为了解释为什么宇宙的一小部分仍然处于活跃状态，就假设宇宙中如此之大的部分是死寂的，这样做是不经济的，因此也是毫无意义的——我认为这种反对意见是站不住脚的。我还非常清楚地记得，曾经有一个人绝不相信太阳距地球2000万英里， [5] 他的理由是，如此之大的空间中仅仅充满了以太，而如此之小的空间中才存在生命，这是难以令人置信的。

但是，在谈到类似我们世界的其他“世界”“在未来的某时间”形成时，玻尔兹曼忽略了一点。他想象的更广阔的世界（用元宇宙这个术语可能会更好）中没有时间。在热力学平衡中，无法区分过去与未来，与之类似，给一盒处于热平衡的气体拍摄一系列的快照，并将这些快照混合在一起，我们同样无法按照每张快照上原子的分布顺序，再把它们按拍照时的顺序排列好。如果我们生活的涨落处在这样一个元宇宙中，关于这个元宇宙，我们所能说的就是它确实存在，而且在这个元宇宙中，还存在其他的涨落。时间之箭（或很多时间之箭）仅仅存在于那些涨落中。

玻尔兹曼还探讨过另一个难题，为什么我们生活在这样一个热力学平衡的大涨落中？至今，这个难题仍然困扰着很多人。令玻尔兹曼高兴的是，不管我们的“世界”（宇宙）有多大，“假设宇宙足够大，宇宙中像我们的世界这么小的区域处于现在状态的概率，就不再小了”。也可能存在更小的涨落，但那又怎样？正如现在常说的那样，令人困惑的是，从元宇宙角度看，从热力学平衡中制造出一个更小的涨落要容易得多。

举一个极端的例子，如果一个如整个宇宙那么大、那么复杂的涨落能够发生的话，那么让一个涨落制造出如下的事物就会更容易而且更有可能，即建造一间你所居住的房间，建造房间中的一切，包括你自己，以及你所有的记忆和这本书。它可能发生在一秒钟之前，也可能在你还没读完这个句子之前，它就已经消失了。如果你知道这场争论中存在一个重大缺陷，我敢肯定你会感到很高兴（如果你确实能够幸存下来读到此处的话），而且事实证明，正如我后文中要解释的那样，从玻尔兹曼的涨落中制造出一次大爆炸要比一次就制造出一个人脑更容易。但是，即使没有这种令人欣慰的解释，在一个无限的宇宙中一切皆有可能这种观点仍然是正确的，而且，无论我们生活的宇宙是如何的不可能，它必然会在某个地方出现。与我们的宇宙尺寸相同的涨落几乎不可能存在，我们很难理解其存在的可能性——但是，与无限相比，确确实实，任何数字都是无穷小的。这就提出了下面这个有趣的问题，我们自己的复制品存在于元宇宙中的某处的可能性有多大？他们离我们的距离有多远？

｜时间和距离｜

想要探讨时间与距离的关系，首先应该阐明玻尔兹曼型涨落是怎样在无序的元宇宙中的小区域内制造出有序的。19世纪的科学家为我们描绘的“图像”是大量的粒子和射线处于平衡状态，而有序的泡泡就出现在混沌中。但是，这些泡泡不可能说出现就出现，而且在出现时也不可能已经完全成形。它们必须从远离平衡状态的涨落发展而来。就看看与我们所居住的涨落类似的涨落吧，粒子（和射线）必须以恰到好处的方式集合在一起，才能形成恒星、行星和人类。射线在恒星上汇聚并且深入到恒星内部，在恒星内部将元素的原子核（如碳元素的原子核）撕裂，并把它们转换成氦；从我们日常对时间流动的感知看，这像极了时间倒流。正是从这个角度看，我们说这一过程制造出一个像你的房间那么小的、短暂的泡泡，要比制造出一个像我们所看到的宇宙那么大的宇宙，容易得多；从同样的角度看，我们还可以得知，这一过程只是刚刚停止并开始朝着混沌的、低熵状态逆转，这种可能性要比这一过程一直持续到大爆炸，然后才开始逆转并朝着无序状态运行的可能性大得多。

众所周知，我们很难说清楚时间到底是什么，此处，关于时间的所有描述基本上属于某个宇宙观察者的观点，这个观察者站在时间之外并且观看着元宇宙的演变；然而对于居住在玻尔兹曼涨落中的任何人来说，在涨落形成的过程中，他们根本不可能体验到“时间倒流”。尽管几个有趣的科幻故事都是源于这种吸引人的观点，其中较有名的是菲利普·K．迪克（Philip K．Dick）的《逆时针世界》（Counter-Clock World ），但是，上一章中所使用的所有论点都将完全适用于涨落的两半。涨落形成时，会有一系列时间片（相当于霍伊尔的鸽洞），其中的某些片中含有更有序的宇宙，而另一些片中却是不太有序的宇宙。如果我们有关时间流动的感知的确是基于时间片顺序的排列，即有序的为“过去”，无序的为“未来”，那么同样的规则也适用于涨落的两半。我们可能生活在泡泡正在形成的过程中，但自己却永远也不知道。换句话说，从涨落所能达到的最低熵状态开始，不管涨落可能多高或多低，时间之箭所指的两个方向都是“朝上”指向高熵状态，站在时间之外的观察者看到的就是这样的景象。在泡泡中的任何地点，时间之箭都指向高熵状态。

有了这个玻尔兹曼涨落的经典解释，我们仍然不得不接受可能存在大小如你的房间、整个银河系或任何其他尺寸的涨落。有关大爆炸和宇宙膨胀本质的现代观点，给我们带来了一个相当不同的视角，我将要在第五章中探讨这一视角。但是，即使在现代框架内，我们仍然必须接受这种观点，即在无限的多重宇宙中，存在着可见宇宙中的一切事物的复制品，其中就包括你、我和行星地球，也包括可见宇宙自己。也许另一个“你”正待在和你现在的房间完全一样的房间中，但是这个房间的周围是永恒的混沌，这个“你”也许并不存在；相反，另一个“你”也许待在和你现在的房间完全一样的房间中，而这个房间位于与地球极为相似的一颗行星上，这颗行星正绕着一颗与太阳类似的恒星的轨道运行，而这颗恒星位于类似银河系的一个星系中，以此类推。

这些不同的宇宙到底是怎样出现的？现在，如果这个问题并未困扰你的话，你就有可能大体上弄清楚这些不同复制品之间的距离到底有多远，方法很简单，观察一下构成你的身体，或地球，或一个星系，或整个宇宙的原子和粒子到底有多少种排列方式就可以了。例如，想象（或计算）一下你身体中的原子到底有多少种排列方式，然后再将这些数量的“你的身体”并排排成一线，记住同一个身体只能排列一次，不能重复，在所有的身体都已经被排完，你不得不重新开始之前，这条线会有多长？宾夕法尼亚大学的马克斯·泰格马克（Max Tegmark）已经为我们完成了这种数字运算，而且他计算的可不是我们的身体的尺寸，而是可见宇宙的尺寸。

大爆炸发生后，时间过去还不到140亿年，因此从这个意义上说，宇宙的年龄略小于140亿岁，我们可以看到的最遥远的天体所发出的光是不到140亿年前发出的。但是，由于这束光线在空间中旅行了很长的距离才到达我们这里，而且空间自身一直在不断膨胀，宇宙也在不断变大，因此，可见的最遥远的天体与我们的距离并不是约140亿光年，而是略多于140亿光年。这就是我们周围的空间泡泡的半径，因为天文学家哈勃发现了宇宙正在膨胀，为了纪念他，这个空间泡泡被称为哈勃体积。在多重宇宙的其他行星上，生活着你自己的复制品，这些复制品分别被他们自己的哈勃体积包围着，而这些哈勃体积中包含了他们所能看到的一切，前提是他们的望远镜能看得足够远。但没有理由认为这些哈勃体积是互相重叠的。事实的确并非如此。

假设空间是无限的，而且在大尺度上，物质均匀地分布在空间中， [6] 泰格马克计算，离你最近的另一个“你”所生活的行星距离地球大约101029 次方米。该数字之大真是令人难以置信。泰格马克喜欢用这样说法，即该数字“超过天文数字”，因为它远远超过了哈勃体积的半径，而哈勃体积的半径包含了天文学家用望远镜所能研究的一切事物。但与无限相比，这个数字仍然是无穷小的；泰格马克强调，这个数字的大小并不能削弱存在另一个“你”的真实性。

使用相同的假设，在距地球101091 次方米远的地方，应该有一个半径为100光年的球形体积，其内部的事物与以地球为中心、半径为100光年的空间区域所包含的事物完全一样；并且在与我们整个哈勃体积相距1010115 次方米的地方，应该有一个与我们的整个哈勃体积完全相同的复制品。而且，还会有更多的我们宇宙的复制品，但它们并未完美地复制我们的宇宙，它们与我们的宇宙存在着差异，这些差异本质上就类似埃弗莱特所解释的量子现实的不同的版本，即你的不同的复制品做了不同的选择，从而影响了他们未来的生活。正如泰格马克所说，“原则上，此处可能发生的一切事情确实曾经在其他地方发生过”，例如，你抽彩票的时候中了大奖，或一个星期前一颗较大的小行星摧毁了“地球”上的生命。这两件事都可能在地球上发生，而且确实曾在其他地方发生过。

在一个无限的、不断膨胀的元宇宙中，一切事物都有其复制品，所有的事物都始于大爆炸，并且所有的事物都遵循相同的物理定律，泰格马克将这种情况称为“第一层 ”多重宇宙。正如其名称所示，还有其他类型的多重宇宙，其中包括埃弗莱特量子物理学意义上的平行宇宙（泰格马克把这种宇宙归类为“第三层”多重宇宙），也包括我将在后面谈到的那些不同的可能性。但这只是多重宇宙主题的最简单的变动，泰格马克认为，宇宙学家们在解释观测证据时做了许多假设，而第一层多重宇宙的观点就隐藏其中。例如，宇宙背景辐射的观测表明，天空中混合分布着稍热和稍冷的小块区域。这些区域的大小与空间的曲率相关，而且观测结果也强有力地支持了这种观点，即空间并不像球面那样弯曲。用宇宙学家的话说，他们已经有99.9%的信心可以排除球面几何模型。这句话的意思是说，根据标准计算，与我们所看到的冷热区域大小一样的冷热区域能够出现在球形宇宙中的机会是1比1000（在1000个球形宇宙中，可能会偶然出现一个与我们所看到的冷热斑块大小一样的宇宙）。但泰格马克说，如果能够观测到（至少）1000个其他的球形宇宙，那么对这个数字的这种解释才有意义。“99.9％的信心”的真正含义是，每1000个球形宇宙中有999个球形宇宙中的区域与我们所见到的区域是不同的，而我们并不太可能生活在这样一个非常罕见的球形宇宙中，即这种球形宇宙中的区域愚弄了我们，使我们认为空间是平坦的。有关无限的空间，到目前为止，我们就研究到了这种程度，但关于无限的时间，我们又研究到什么程度了呢？时间是从哪里开始进入宇宙学计算的呢？

｜时间和热力学｜

玻尔兹曼所描述的热力学平衡中的涨落和我们所生活的宇宙之间的主要区别是，我们生活的宇宙正在膨胀。在一个无限的、永恒的、处于稳定的混沌状态的元宇宙中，一个涨落有可能（虽然这种可能性极为罕见）制造出一个与我们所生活的宇宙完全相同的宇宙，但这个宇宙是不膨胀的；一个涨落也有可能制造出漂浮在混沌之中的一个单间，或一颗行星，甚至是一个赤裸裸的人类大脑。众所周知，前一种可能性要比后一种可能性小得多。但是，我们的宇宙始于大爆炸这一事实改变了我们的看法。就涨落而言，制造一个自大爆炸以来一直在膨胀的宇宙远比制造一个孤立的人脑容易得多，这种看法我在前文中已经有所暗示，而且在下一章中我将详细论述。但在我开始探讨我们所了解的宇宙是怎样诞生的之前，我们这个特定的宇宙的本质——我们这个特定种类的宇宙的本质，为我们提供了研究热力学和时间之箭的一个略为不同的视角。而引力将膨胀的宇宙中所包含的物质块拉扯到一起这一事实就更有趣了。

经典热力学主要是由19世纪的先驱，如克劳修斯、开尔文、玻尔兹曼和美国的吉布斯（Josiah Willard Gibbs）发展而来。经典热力学主要处理平衡中的系统。例如，它能告诉我们，从前面所描述的装有气体的盒子中取出隔板时，空气会散布开来充满整个盒子，因为充满空气的盒子是处于平衡状态的。但是，尽管经典热力学取得了成功，但它并不善于描述当空气散布开来充满整个盒子时（当它不处于平衡状态时），到底发生了什么。实际上，正如我在另一本书中所探讨的那样， [7] 经典热力学假设时间不存在。经典热力学根据一系列略有不同的状态，描述事物（如气体散布开来以装满整个盒子）和更为复杂的系统，这些事物和系统都处于“静态 ”，但彼此间的一些微小的步骤却有所不同。其实，无穷微小的步骤将意味着，气体要填满盒子需要无限长的时间——所以，很显然这种方法存在不足之处。虽然从名称上说术语“动态 ”意味着改变，但实际上经典热力学根本就没有描述变化，而经典热力学中的关键概念（如熵）是通过计算处于平衡状态的系统得来的，通过对比两个处于平衡状态的系统得来的，或是通过对比同一个系统中的不同状态得来的，如对比盒子中的隔板被移走之前和之后的状态。这并不意味着那些关键概念都是错误的，但它确实意味着这些关键概念并没有为我们揭示全部事实真相。

在20世纪，特别是在20世纪后半叶，以挪威的拉斯·昂萨格（Lars Onsagar）和生于俄罗斯的伊利亚·普里高津（Ilya Prigogine）等先驱的工作为基础，科学家们发展了非平衡态热力学，非平衡态热力学描述的是，提供能量流后，事物如何变化以及复杂的系统（直至还包括人类的复杂性或地球上生命网络的复杂性）如何从简单的构件中生成，看上去这似乎违背了热力学第二定律。所有这一切使得对于数学家所说的混沌（此处的混沌与玻尔兹曼想象的作为世界自然状态的热力学混沌并非一回事）和复杂性的研究成为当今最重要的研究领域之一，但此处，我们没必要对其进行详细探讨。我们必须接受的是，在膨胀的宇宙中，我们必须修正我们有关平衡的观点。

让我们回到那个气体扩散到整个盒子中的简单例子吧。假设我们用一个非常长（也许是无限长）的软管来代替那个有限的、被隔板整齐地划分成两部分的盒子，软管上装有一个活塞，顺着软管活塞正在被拉出来，气体在活塞后面扩散开来，填充活塞后面不断增加的空间。只要活塞在移动，气体就永远无法停下来达到热力学平衡。或者，想象在一个无限大的盒子中，气体从一个角落开始扩散，一直扩散到周围的太空中。它将永远扩散下去，方向总是朝向热力学平衡状态，但永远也不会到达这种状态。又或者，假设我们从一个装满了气体的小盒子开始，但这次是盒子本身在扩大，因此盒子中的气体也在扩散。或者，再假设我们打开盒子的盖子，让气体进入到一个无限的真空中。大爆炸后宇宙在不断膨胀，所有这些都是对宇宙膨胀方式的合理的类比，而我们手中最好的证据，包括第二章中所述的暗能量，是宇宙的确将永远膨胀下去的证据，宇宙中的物质随之变得越来越稀薄。现在，你还不必担心这一过程是如何开始的——我将在第五章阐释清楚这一点。

这种宇宙在不断膨胀并且其中的物质逐渐变得稀薄的观点为我们提供了另一支时间之箭，这支箭与热力学系统所描述的时间之箭大相径庭，热力学系统的时间之箭趋向于热力学平衡和熵增加。从宇宙学角度看，我们所说的过去和未来显然存在着差异；过去就是星系团之间的距离比现在它们之间的距离更近的时候，而未来就是星系团间的距离比现在它们之间的距离更远的时候。换句话说，根据我们对时间流动的主观体验，宇宙学和热力学中的时间之箭所指的方向是相同的；当宇宙变得更大时，更多的恒星会燃烧殆尽，一切都会趋于热力学平衡，那时候宇宙处于较高熵的状态。

但你应该发现了，所有这些描述都存在某些奇怪之处。我们可以说，未来就是星系团相距较远的时候——但在一个趋于热力学平衡状态并且会从均匀的气体重新开始的宇宙中，像星系这样的大天体在做什么呢？我们可以说未来就是恒星都燃烧殆尽之时——但是像恒星这么热的天体（当然它们还没有与其周围的环境保持热力学平衡）在宇宙中又是如何形成的呢？这两个问题的答案都是引力。引力允许不规则的产生，这违背了适用于无引力情况的热力学定律。经典热力学根本不包括引力，因为，对于理解地球上诸如装有气体的盒子或冰块在一杯水中融化这样的事情来说，引力并非很重要。但在恒星、星系和宇宙的尺度上，引力是非常重要的。至少在一段时间内，引力颠覆了经典热力学规则，它增加了两个地方之间的温度差异，并且增加了描述宇宙所需要的信息量，因为引力具有奇特的属性。与一个物质块，如一颗恒星，或一个星系，或者，事实上是，你的身体，相联系的引力的能量是负能量。这意味着，引力场中包含着负熵——意味着引力提供了一种下降的熵。

｜宇宙之箭和引力下降｜

在别的书中，我已经讨论了引力的负性；它是宇宙的一个非常重要的特征，并且与我们的直觉截然相反，所以，我在这里要多说几句。为什么我们所看到的宇宙能够存在？一个最重要的原因在于，我们无法掩盖这一事实，即引力场的能量是负的。

要想理解这一点，就得知道引力是如何起作用的。它遵循平方反比定律，这意味着任何两个物体（任何两个物质块）之间的引力与它们之间距离的平方成反比。当两个（或更多的）物体被引力拉扯到一起时，这股力量使它们的运动速度加快，将引力的能量转换成运动的能量——动能。原子和分子相互碰撞所形成的动能，就是我们所说的热量。例如，一颗恒星形成之初只不过是一大团冰凉的气体和尘埃，但是随着它的缩小，并且随着引力的能量转换成动能，它会越来越热。一旦原恒星内部足够热，就会发生核聚变反应，而且它可以保持这个温度，直到核燃料耗尽为止。但所有这一切都始于从引力场中获取的热量，物质坍缩形成更为紧密的状态的同时，也生成了这些热量。这就是炙热的恒星能够在寒冷的宇宙中形成的原因，看上去这一过程似乎违反了热力学第二定律。物质的浓缩就类似于熵的下降。

现在让我们设想一下，将一颗与太阳类似的恒星分解成原子或粒子，并将这些原子或粒子散布到一个无限大的物质云中，使得每一个粒子与距离它最近的粒子间的距离是无限远的。因为1与无限（更不用说无限的平方）之比一定为0，那么在这些粒子间将不存在引力。换句话说，其引力场的能量将为零。很显然，我们其实不能用这种方法分解恒星，但这个简单的想象，可以让我们洞悉一个基本事实，这一事实是利用引力理论公式，并通过适当的计算得出的，即再多的物质，如果其组成部分彼此间相距足够远的话，其引力能量确实可以为0。这并不是一个任意的选择，比如，在测量温度时，你可以在使用摄氏零度还是华氏零度之间做出任意的选择，这是一个基本的事实，就如同你从开氏温标的零点开始测量温度一样。

比无限分散的云团（即使是一个气体云团，在每公升的空间中都会含有一个氢分子）更紧凑的任何浓缩的物质，一定比无限分散的云团所含有的引力能量少，这是因为，物质结合起来时，能量就会从引力场中转移出去。我们是从零能量开始的，并且一部分能量已经被转移走了，因此我们只剩下负能量了。引力场有负能量才会允许负熵（相当于信息）增加，才会使宇宙变得更复杂、更有趣，在这里，炽热的恒星倾泻出能量，而类似地球的行星又以这些能量为能源，因为它们试图修正不平衡状态。最终，熵会获胜——但是，目前熵还没有获胜。

我们还剩下多少负能量？运用相对论，对它进行相对简单的计算，我们可以得出一个结论，即任何质量为m 的物质（一颗恒星、一颗行星、一个人、一个宇宙……）都可以一直坍缩成一个理论点——奇点，与这一质量相关的引力场的能量将会是负的mc 2 。根据爱因斯坦的著名方程推论得出，它会与这种物质本身的静止质量能量完全相等，但符号相反。这两种能量恰好会相互抵消，这就意味着，总的来说，任何物质浓缩成一个点后都具有零能量。

这种观点是非常重要的，而首次关注到该观点的重要性的人便是德国人帕斯库尔·约当（Pascual Jordan），他意识到这意味着如果一颗恒星诞生于一点，它就可以从无中生有，因为其负引力能量正好相当于其正的静止质量能量。20世纪40年代，物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow）主要在华盛顿从事研究工作，而爱因斯坦当时任职于普林斯顿大学。当伽莫夫访问普林斯顿大学的时候，跟爱因斯坦提到了这个令人震惊的观点。“爱因斯坦突然在路上停了下来，”伽莫夫说，“当时我们正在过马路，几辆车都不得不停下来，以免撞到我们。”

虽然这个观点非常令人震惊（足以使爱因斯坦停下脚步），但如果用这种方式制造恒星，至少还存在两个问题。第一个问题是将物质聚集在一起的引力是很大的，大到物质无法散布开来形成一颗恒星； [8] 第二个问题是即使这样的事确实发生过，我们也无法看到它，因为它隐藏在黑洞之中。还有一个问题，即没有任何理论可以真正解释奇点处到底发生了什么，它们只能解释奇点附近所发生的事情。20世纪40年代，甚至连爱因斯坦都不重视这种观点，当时才刚刚发现宇宙在不断膨胀，大爆炸这个术语，在宇宙学领域还没有造出来。但是，如果你可以从无中制造出一颗恒星，你就能从无中制造出一个宇宙，假设刚开始时它非常非常的小，而你却拥有某种机制可以让它迅速膨胀，直到引力再次将它扼杀。这正是物理学家们在20世纪80年代所发现的，也是我们下一章将要探讨的话题；从这个角度来看，我们就处于黑洞之中，而且还在解决其他的问题。但关于时间之箭，引力还可以告诉我们更多的信息。

随着时间的流逝，引力将物质拉拢在一起，即使是从大爆炸诞生之初非常平滑并且一致的宇宙——如我们的宇宙好像正是如此，也会变得越来越不规则。如果这个过程持续足够长的时间，最终大量的物质将会葬身于黑洞之中，黑洞是物质所能浓缩的极致。黑洞在空间的脉络中制造了深深的凹坑，但是，在黑洞附近，即使是还没有浓缩到极端的物质，也会造成空间扭曲。从我们人类的角度看，随着时间的推移，空间本身会变得越来越褶皱。空间变得褶皱的过程始于一个几乎一致的宇宙，即使空间没有膨胀，这种事也会发生，因此它独立于宇宙的时间之箭之外。未来就是空间较褶皱时；而过去就是空间较平滑时。当我们试图想象如果我们的宇宙不再永远膨胀下去，它会有怎样的命运时，这种空间褶皱的观点让我们踌躇了。

｜反弹？｜

广义相对论用数学的方法精确地描述了一个自大爆炸以来一直膨胀的宇宙，这与我们所观察到的我们的宇宙的膨胀方式完全相同。但是，这种对膨胀时空的描述并不是爱因斯坦方程的唯一的解。实际上，爱因斯坦的方程描述了各种宇宙。其中一些宇宙膨胀得快，一些宇宙膨胀得较慢；有些宇宙大，有些宇宙小；有些会永远膨胀下去，有些注定要在“大坍缩 ”中回到原点，这就使我们想到，大坍缩的过程可能与大爆炸的过程相反。这些各种可能的宇宙，也可能与寻找多重宇宙相关——也许爱因斯坦方程所允许的所有宇宙都存在于多重宇宙中的某个地方——但现在我希望把重点放在它对我们宇宙的启示上。

爱因斯坦的广义相对论已经提出大约80年的时间，大爆炸的观点也已经被世人认可了很长一段时间，但是，人们仍然不清楚，我们的宇宙到底是会永远膨胀下去，还是有一天会重新坍缩。这两种可能性都是方程所允许的，而宇宙的命运取决于宇宙中物质的数量和可能存在的宇宙学常数之间的平衡。物质的数量不同，其引力就不一样，而引力的作用是阻止膨胀的发生并把膨胀带到相反的方向。宇宙学常数的作用类似于反引力，而它会鼓励膨胀的进行。直到20世纪末，我们关于这两方面的认识一直存在着不确定性，这就允许理论家们从各个角度推测宇宙的最终命运。其中的一种猜测，可以追溯到20世纪20年代早期，俄罗斯理论家亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）的作品。这种猜测认为我们现在所说的大爆炸实际上可能是一个“大反弹 ”，是以前的宇宙（或是同一宇宙）在更早之前的大爆炸后，膨胀到一个有限的尺寸，然后进行浓缩的结果。

物理定律，特别是广义相对论方程，允许这种可能性的存在。如果看到有这种可能性，大概连亚里士多德都会感到非常高兴吧，因为它似乎允许一个在空间上是有限的但在时间上却是无限的宇宙的存在，从而消除了时间的起源这一问题。它还暗示了存在另一种多重宇宙的可能性，当然前提是你得把大爆炸后所发生的每个阶段的膨胀，以及随后朝着我们所说的“大坍缩”所进行的每一次坍缩（有时也被称作大挤压），都看成是一个独立的宇宙。为了解释我们在第二章中所探讨的巧合，并且解释我们存在的原因，我们需要各种各样的宇宙学常数值，无限数量的“过去”和“未来”的泡泡，给宇宙学常数值的变化留有余地。但遗憾的是，至少在描述我们的宇宙时，反弹模型并没有发挥作用。然而，这种模型是非常吸引人的，因此，此处有必要向大家解释一下它不起作用的原因。

循环模型的吸引人之处在于，很长一段时间以来，人们认为它使得大爆炸不需要一个奇点。从表面上看，爱因斯坦的方程暗示了宇宙始于一个奇点，这个点拥有无限密度，并且其体积为零。但最初人们认为正在坍缩的宇宙会在它实际上还没有达到奇点，但其密度已经非常高的时候发生反弹。在人们心目中，这种密度类似原子核的密度，它是当今宇宙中物质密度的极致。然而，20世纪60年代，理论家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）和史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）通过让方程中的时间倒流的方式，得出一个结论，即在相对论的框架下，我们的宇宙在诞生时不可避免地会存在一个奇点，而且在黑洞中心一定存在某些与之完全相同的奇点。有关奇点问题，广义相对论可能并不能做最终的裁判，奇点附近所发生的事情取决于量子物理和引力的相互作用。但可以肯定的是，我们可以排除这种简单的“反弹”了，即从一个拥有非常高但“正常的”密度（如原子核的密度）状态的反弹。

在振荡宇宙模型中熵也存在问题。仅仅思考膨胀和坍缩的一个阶段，即无限的振荡链中的一个泡泡，这些问题就会凸显出来。20世纪30年代，美国物理学家理查德·托尔曼（Richard Tolman）指出，在每一次振荡中熵都会增加，因此，连续的“大爆炸”就会带来更大的熵。这样便使得连续的反弹更为有力，因此，宇宙在连续振荡中不断膨胀。如果振荡链确实无限远地延伸到过去，那么当前的“振荡”将会非常大，以至于我们无法把它和创造了一个膨胀的宇宙的那次大爆炸区分开。这就否定了振荡宇宙模式的所有观点。但是，这并未阻止人们提出一些激进的观点，以使这种模型死而复生，这些观点关注的是如下思想，即在这种宇宙正在坍缩的那一半，时间可能会倒流，从而重新设置熵时钟。

｜回到未来｜

在这种情况下，泡泡中正在坍缩的那一半将会成为正在膨胀的那一半的镜像，一切事物就如时间之箭逆转所展示的那样：辐射出去的射线又落回到恒星之中，生成的复杂元素又还原成简单的元素，等等。乍一看，这可能与玻尔兹曼的涨落没有太大的区别。玻尔兹曼认为时间之箭在涨落的两部分中的方向是相反的。但这两种观点间有一个关键的区别。玻尔兹曼涨落中，时间之箭的箭尾对着箭尾，都是从更为有序的状态指向更大的元宇宙的无序的、高熵的状态。在一半膨胀一半塌缩的宇宙中，时间之箭的箭头对着箭头，都指向泡泡的最大膨胀状态，而箭尾都远离奇点。

它们之间的不同就类似于下面这两组火车之间的差别：其中，有两列火车在同一轨道上分别朝着相反的方向驶离车站，而另两列火车在同一轨道上分别从相反的方向朝着对方开来。时间之箭在中间相遇时，会发生什么呢？我们都知道两列火车相撞会发生什么；为了避免在宇宙泡泡中出现同样棘手的事情，在宇宙的每个地方，时间必须瞬间同时逆转。在宇宙泡泡中，万物如何知道已经到了逆转热力学的所有进程的时间呢？就举一个简单的例子吧，假设当宇宙达到其最大尺寸的时候，一个单光子刚刚从恒星的表面诞生，并将要朝着太空出发。这个单光子（连同宇宙中所有其他的光子）怎样才能突然之间将其动作逆转，而朝着它刚刚诞生的恒星飞去呢？

即使我们承认时间的流动只是一种幻觉，并承认潜在的现实就是一系列像弗雷德·霍伊尔所说的鸽洞那样的时间片，要想使这一过程得以实现，唯一方法就是改变一摞鸽子洞中每一个鸽洞“记忆”的存储方式，而一摞鸽子洞此时相当于最大尺寸的宇宙。分割线另一边的鸽子洞将包含我们所说的“未来”的“记忆”或记录，而不是过去的“记忆”或记录。这两组记录都描述了从大爆炸向最大膨胀状态的膨胀过程。事实上，为了重新设置熵时钟，它们将不得不描述自大爆炸以来的同样的膨胀。一摞鸽子洞根本就不需要分为两半，因为第二半将会是第一半的简单重复。只存在一个大爆炸，不会是两个，更不用说它们的无限振荡序列了；无论你住在泡泡的哪一半，你都会看到时间像我们今天所看到的一样，大爆炸发生在过去，而宇宙的不断膨胀发生在未来。我们现在只有一次大爆炸，而且，我们又得再次面对宇宙学巧合之谜。无论这个孤立的时空泡泡是什么，它肯定不是一个多重宇宙，这种观点确实很难接受。

然而，我们还应该弄清楚另一个难题，这个难题与时间之箭和光及其他形式的辐射的本质有关。我没有用光子离开恒星并逆转其方向这一现象来举例子，而是用电磁辐射来举例，原因在于描述电磁辐射行为的方程也可以描述时间的“顺行”或“逆行”。19世纪，由詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）发现的方程通常用来描述离开其诞生地，如太阳或电视发射机，向外朝着宇宙运动的电磁辐射。在宇宙中，有些电磁波可能会进入到你的眼睛，或被你房顶上的电视天线接收到。诞生于某一源头的光在空间中扩散开来，就像扔进池塘的鹅卵石所形成的涟漪会扩散开来一样，当然这发生在三维空间中。我们很自然地就会用这种方式解读麦克斯韦的方程，因为这种解读符合我们对于时间流动的日常体验。但是，这些方程同样可以描述逆向的过程，也可以描述那些来自遥远的宇宙深处的电磁波。这些电磁波穿过宇宙向内传播，最终汇聚在一个天体——如一颗恒星上。那些离开了你屋顶上的电视天线的波与来自宇宙的各个方向的波互相混合，从而汇合到了“发射机”上。

哲学家休·普莱斯（Huw Price）主要在悉尼大学从事研究工作。他曾将这种对称性应用到物理定律中，从而为以下论点的形成奠定了基础：在单一“泡泡”宇宙中，时间之箭是逆向的，这种宇宙有两个起源，却没有终点，我们一定要认真对待这种宇宙。他的论点是非常吸引人的，20世纪80年代史蒂芬·霍金也曾探讨过类似的观点；但是许多物理学家，如阿尔伯塔大学的唐·佩吉（Don Page）和美国亚利桑那州立大学的保罗·戴维斯（Paul Davies）都曾驳斥过他们的观点，他们指出，在任一单一宇宙中时间会逆行，这并不是对量子世界的正确解释，对量子世界的正确的解释应该是在埃弗莱特的多世界诠释中，有很多宇宙的时间是会逆行的，也会有同样数量的宇宙中的时间是顺行的。虽然在所有可能的世界中，只有一小部分的行为方式是奇特的，而且这种奇特的行为方式将不会允许生命存在，但是，“一个随机的观察者”戴维斯说，“非常有可能发现，他自己所在的宇宙中，时间之箭并不改变方向”。

即使在振荡宇宙坍缩的那一半中，时间也不会发生逆转，而且时间之箭始终指向同一个方向。此外，反弹的宇宙这种观点还存在另一个问题。我们的宇宙诞生于大爆炸发生后所出现的非常平滑的状态，并且从那以后引力就将物质块拉扯到一起，最终形成了黑洞，使空间不再平滑。所有的黑洞一定都包含奇点或包含极为接近奇点的环境，它们在宇宙诞生时就已经存在了，而在这些黑洞中，量子过程和引力之间进行着相互作用，其作用方式至今还不为我们所知。掉入黑洞的物质，在宇宙还未到达大坍缩之前，就到达了宇宙尽头大坍缩的对应物。因此，大坍缩自身就涉及了黑洞与奇点的合并问题，这是一个复杂的过程，绝对并非大爆炸的一个镜像。

幸好暗能量有排斥力，我们肯定没有朝着大坍缩前进，并且所有这些关于膨胀与坍缩重复循环的猜测都不适用于我们的宇宙。但是，这并不意味着大爆炸“之前”和我们的宇宙消亡“之后”不会发生这样的事情。宇宙是如何开始的？

对这一问题所做的最好的解释把我们带到了多重宇宙这个主题的另一个方面，并且它可以给宇宙巧合之谜提供一个满意的解决方案。它还涉及我们认为自己已经有所了解的奇点附近的物质的行为方式，这就是所谓的“暴涨 ”。

注解：

[1] 　1928年，物理学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）在他的著作《物理世界的本质》（The Nature of the Physical World ）中，使用了这种表述。

[2] 　或者，它可能会发生在你下一次观看一杯水的时候，但你看到这种情况的概率是1：1023 。

[3] 　斜体字是他标注的。

[4] 　部分状态偏离热平衡态的现象——译注

[5] 　事实上，太阳距离地球9300万英里（约1.5亿公里）。此翻译出自S．G．布拉斯（S．G．Brush）的著作《动力学理论》（Kinetic Theory ），该书于1966年由牛津的帕加玛出版公司（Pergamon）出版。“以太（aether）”是一种假想的流体，它填充于真空中，发现狭义相对论后，就不再需要这种流体了。

[6] 　宇宙背景辐射的观测证据表明，我们的宇宙在1024 米以上就没有相干的结构了，这就是泰格马克所说的大尺度的含义。

[7] 　《深奥的简洁》（Deep Simplicity ）。

[8] 　奇点是一个理论点，在奇点处，力将是无限的，这就是为什么物理学家不相信他们的理论适用于奇点的原因之一。

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（就像）重新开始

粒子连接/无中不能生有/让宇宙膨胀/回到恒稳态？/时间之河中的泡泡/永恒的暴涨和简单的开始/玻尔兹曼的大脑、时间之箭和因果补丁物理/到无限——并且超越无限！

宇宙学家相信，在星系和恒星的尺度上，对于宇宙诞生大约一万分之一秒之后所发生的一切，他们已经有了较为深刻的认识。这似乎是个非同寻常的论断，但它却建立在坚实的基础上，这一坚实的基础始于宇宙的年龄为一万分之一秒这一时刻。

虽然广义相对论认为，宇宙诞生时一定存在一个奇点，而且在黑洞中，一定有很多奇点，但是，物理学家却把奇点看成是广义相对论中存在的一个问题，而不把它看成是对现实世界的描述。他们期望量子引力理论能够去除方程中的奇点。但是，试想如果我们按照广义相对论方程，把宇宙的膨胀过程从时间上倒流回去，我们就可以把与方程中的奇点对应的时刻设置为“零点 ”。那么，问题就变成，在时间上，我们最远能回到什么时候——我们离零点能有多近；然后，我们再去重新审视，到底广义相对论和今天所能适用的所有其他物理学定律都告诉了我们什么。

还是让我们保守点，从研究最极端的物质形式开始吧。在地球上，对这种物质形式的研究已经非常详尽。在地球上，通过实验研究原子核的历史，已经远远超过百年，而且我们已经完全了解了原子核的行为方式。这些研究成果已经极为成功地用于解释恒星的工作机制，因为恒星内部一直在进行着核反应。可以肯定地说，物理学家已经了解了那些密度与原子核的密度相当的物质的行为方式。用今天已知的宇宙密度，计算过去每个历元的宇宙密度并非难事，过去每个历元的宇宙密度都比现在小，但是，它们所包含的物质量却与现在相同。宇宙是否无限无关紧要，因为此处我们感兴趣的是，我们今天所看到的这部分宇宙的起源，以及随着时间的流逝，它是如何变化的；在我们的视界之外，同样的事情可能还在发生，但这不会影响我们的讨论。经计算，我们发现零点后的仅仅一万分之一（0.0001）秒，我们今天所看到的宇宙中的一切就都被塞进了一个炙热的物质团中，这个物质团的密度就相当于原子核的密度。

以下就是大爆炸的传统含义：那时，炙热的火球迅速膨胀，而且已知的物理定律可以非常令人满意地解释那个膨胀的火球中的不规则性是如何成为星系成长的种子的，随着宇宙年龄的增加，在那些星系中，形成了恒星和行星，当然，前提是第二章中提到的暗物质确实存在。标准大爆炸模型于20世纪60年代 [1] 问世。当时，物理学家还不能解释这个火球来自哪里——0.0001秒之前到底发生了什么事，使得该火球不断膨胀，并为它打上了不规则的烙印，使它的尺寸正好能够成长为我们周围所看到的这种结构。他们还不能解释，为什么宇宙中物质的密度正好是临界密度。

宇宙学的历史最早可以追溯到40年前，即20世纪60年代末。当时，还没有人知道宇宙如何在高温下获得核密度状态，从似乎是奇点的起源处迅速膨胀开来。许多宇宙学家甚至认为，我们永远也无法揭示这个问题的答案。但十年间，20世纪70年代末，粒子物理学和宇宙学结合后，人们就开始尝试解释传统的大爆炸 [2] 发生之前到底发生了什么使得宇宙不断膨胀。这种观点发展到现在，就是我们所知的暴涨，它解释了在一个不断膨胀的元宇宙中，宇宙本身是如何起源的。它甚至可以把我们与多重宇宙联系起来。

｜粒子连接｜

“粒子 ”物理学这个名称有些用词不当，因为，正如我们所见，物理学家把像电子这样的基本实体看作量子现象，认为它们具有粒子和波两种属性。他们根据场的行为，如引力场和电磁场，描述这些基本实体。因为诸如引力和电磁力这样的力本身，也是根据场来描述的，所以，称研究粒子和力相互作用的理论为量子场理论是很合适的；但是，粒子物理学这个术语不那么令人畏惧，而且，连量子场理论家自己也在广泛使用粒子物理学这个术语。不过，最重要的一点是，无论使用什么名字，这种理论描述的是粒子和力的行为——类似电子这样的物质与类似电磁这样的物质，或类似电子这样的物质与其他粒子相互作用的方式。

我们只需要考虑两种重要观点。第一种观点是，按照E =mc 2 ，物质粒子和场之间可以进行能量转换。在量子层面上，因为这一过程实际上涉及将一种场转变成另一种场，因此，刚刚接触这种观点时，人们都感到非常震惊。在一个场中，如果有足够的能量可供使用，它就能把自己转变成一对粒子（严格地说，一个粒子及与之对应的反粒子），这些实体还可以相互作用，当它们的能量转变成另一种场的能量时，它们就会消失。举个最简单的例子，在完全可逆的相互作用中，一个高能量的光子（电磁场中的一个量子），可以转变成一个电子和一个正电子。第二种重要观点是，今天我们在宇宙中发现的所有可以起作用的力——引力、电磁力和只在原子核及更微观层面起作用的两种力（“强力”和“弱力”）——都是从一种单一的超力（superforce）中分离出来的，只有在非常高的能量中，这种力才会起作用。

物理学家至今尚未发现唯一的一套可以用来描述这种超力的方程；但这种将所有的力合而为一的观点，却并非新提出的观点。早在19世纪，苏格兰人詹姆斯·克拉克·麦克斯韦就发现了一组可以描述电和磁的方程。以前，人们认为电力和磁力之间存在很大差异，它们是一种单一的力（或单一的场）——电磁力——的不同方面。发现这组方程后，人们就可以把量子电动力学或QED（电磁力的量子理论），和弱力结合在一起。另外，还有令人信服的迹象表明，如果扩展一下这个“弱电 ”理论，强力也可以囊括其中。然而，最大的难题在于，像其他的力一样，我们得把引力——所有力中最弱的力，放到同一组数学方程中。这就是量子引力理论如今成为如此炙手可热的研究课题的原因所在——它为我们提供了去除奇点的最好机会。同时，它还为我们提供了一种希望，即找到一组公式来同时描述所有的力和粒子，场理论家把它称为万物之理。在下一章中，我们会进一步探讨这个问题。现在，我们关注的重点是，有关大爆炸的起源，粒子物理学——如果你喜欢用场理论这个词也可以——可以告诉我们什么。

｜无中不能生有｜

为什么物理学家确信量子引力将会解决时间诞生之初的奇点问题？主要原因在于量子物理学告诉我们，像其他事物一样，时间也被量子化了。换句话说，存在一个最小的、不能再分割的时间单位。当然，这个基本的时间单位是很小的——10-43 秒，小数点后面、1的前面有42个零。在日常生活中，我们为什么无法感受到时间的微粒性？这就是原因所在（虽然你可以把这种微粒性与霍伊尔/多伊奇所描述的“时间片”联系起来）。但这个基本的时间单位不是零，意味着任何令人满意的引力的量子理论都会告诉我们，宇宙并非是在时间零点始于一个密度为无限的奇点，而是始于一种密度极高（密度不是无限的）的状态，那时，它的“年龄”为10-43 秒，为了纪念量子先驱马克斯·普朗克（Max Planck），这一时间被称为普朗克时间（Plunck time）。比10-43 秒更早的时间不会存在。事实证明，“制造”一个诞生于普朗克时间的宇宙是很容易的。聪明点的做法就是，让它从10-43 秒一直持续到0.0001秒。

令人惊讶的是，这种把宇宙看成是一种量子涨落的观点，几乎可以追溯到传统的大爆炸模型刚刚提出的时期，虽然20世纪60年代末，人们对这种观点嗤之以鼻，不予思考。这种观点直接源于量子物理学中的不确定性关系，我在第一章中就曾提到，这种不确定性关系告诉我们，存在着被称为共轭变量的参数对，这个参数对中的每一个参数都不可能同时具备确定值。记住，这并不是因为我们的测量设备有任何瑕疵，而是因为这就是我们世界运行方式的一个基本特征。在最重要的共轭对中，有一对是能量/时间共轭对。量子的不确定性意味着，一个像电子这样的物体拥有确定的能量是不可能的——到底这个物体携带了多少能量？总是存在不确定性。而且，量子的不确定性还告诉我们，空无一物的空间也不可能拥有一个确定的能量值，而零就是一个确定值。

这意味着，在空无一物的空间中，任何微小的体积内（事实上，这个微小的体积在我们看来也是非常大的）都会存在一点能量。假设这些粒子的寿命是非常短暂的，这些能量就能够以粒子的形式出现（正是在此处，方程中引入了时间）。光子不会将自己转变成一个电子 -正电子对，然后电子和负电子再互相抵消，以形成一个新光子；实际上，假如在不确定性关系所设定的时间期限内，粒子可以互相抵消并消失于无形的话，那么，一个电子-正电子对就可以从无中生有。在量子不确定性所设定的时间期限内，其他种类的粒子和其他种类的能量形式能以同样的方式出现和消失。

根据量子物理学，在我们视为空无一物的空间中——真空——实际上充满了以这种方式产生的实体，这些实体的寿命都是非常短暂的。我们称之为真空涨落或量子涨落。而且，这些实体的存在不只是一种理论预测，在真正的带电粒子周围，如电子的周围，有必要存在着这些“虚 ”粒子云，以解释电力和磁力的测量强度。但与之相关的距离和时间是绝对微小的。在刚才所举的例子中，涨落仅仅能够持续大约10-21 秒的时间，而电子和正电子之间的距离绝不会超过10-10 厘米。所涉及的质量越大（这当然意味着能量越多），涨落能够存在的时间就越短。

这一点能够很好地适用于像光子、电子和正电子这样的实体。但20世纪60年代末，科学界肯定尚未准备好思考，整个宇宙有可能是一个真空涨落这种观点，此时，在纽约哥伦比亚大学的研讨会上，一位名为爱德华·特赖恩（Edward Tryon）的年轻研究者突然提出了这种假设——这种假设的提出，不光震惊了所有人，而且就连他自己也感到吃惊不已。当时，特赖恩刚刚完成粒子物理学方面的博士论文，他以一个初级会员的身份作为听众，出席了此次演讲，该演讲由来自英国的访问学者丹尼斯·西阿玛（Dennis Sciama）主持。在演讲暂停时，特赖恩的大脑中突然涌现了宇宙有可能是一个真空涨落的观点，而且，他马上就不假思索地将这种观点脱口而出。随之而来的嘲笑声使他立刻打消了头脑中的这种观点，并将这一事件从脑海中抹去，随后几年，他从未思考过这种观点。

但20世纪70年代初，该领域的一些新发展促使他再度认真思考这种观点。特赖恩一直坚持阅读宇宙学方面的资料。1971年，他就职于纽约亨特学院，他在《自然》杂志上阅读了一篇评论文章，文中论述宇宙可能相当于一个大型的黑洞，而我们就生活在其中。 [3] 许多人都接受了这种观点，其中就包括安大略省滑铁卢大学的R．K．帕斯瑞（R．K．Pathria）。1972年12月，R．K．帕斯瑞在《自然》杂志上发表了一篇论文，将这种观点放入了一个合适的数学框架内，特赖恩也曾读过这篇文章。但使他回忆起这个事件的却是他的一个同事，这个同事也一直在阅读《自然》杂志，是他提醒特赖恩他曾在西阿玛的研讨会上提到过这种观点，这才使得特赖恩回忆起了这件事。

特赖恩知道，正如前文所言，引力的能量与质量的能量之间保持着平衡，正是由于这种平衡，使得一个黑洞的总能量为零。并且他说，他对于宇宙可能是一个量子涨落这种观点的最终描述，经人提醒“突然一瞬间”出现在他的眼前。所以，他推测他的潜意识已经不知不觉中研究这种观点三年时间了，只有在这种观点得到了充分的发展，并且不会引发更多嘲笑的时候，潜意识才会将它释放到意识中去。1973年12月，对这种观点最终的、完整的描述适时地出现在了《自然》杂志上。一时间引起人们的广泛关注，但很快人们对它的兴趣就减弱了，因为在最初的观点中，还有一个关键问题没有解决。

特赖恩提出，在比质子还要小但却包含了与我们的可见宇宙同样多的质能的尺度上，可以发生量子涨落，因为与涨落相联系的负引力能量（negative gravitational energy）可以抵消所有的质能。这种涨落所含的能量越多，其寿命就越短；相反，它所含的能量越少，寿命就越长。因为它会有零能量，量子规则会允许这样一个普遍的涨落永远持续下去！

几千年前，卢克莱修（Lucretius）说，“无物能由无中生。（Nothing can be created from nothing）”其言下之意是，宇宙不可能是由无到有产生的。现在，特赖恩说，事实上，宇宙就是“无”（nothing），从而改变了这句格言中第一个词的意义，“无”指的是宇宙的质能，通过其自身的负引力保持平衡，“无”确实可以从无中创生。但最大的问题在于它巨大的引力可以使如此大密度的“无”塌缩成一个奇点，而无视量子不确定性的规则。1973年，还没有人知道在一万分之一秒内，用何种方式可以使这样一粒宇宙的种子从量子尺度暴涨到核密度。但到了20世纪70年代末，一切都改变了。

｜让宇宙膨胀｜

20世纪60年代末，标准的大爆炸观点作为对宇宙的一种很好的描述，牢固地确立下来，但正是在此时，宇宙学家们开始为我在第二章中讨论的巧合感到担忧，其中包括以下事实，宇宙的密度接近于临界密度，但空间却近乎是非常平坦的；从大尺度上说，宇宙中物质的分布平滑得令人难以置信，但其中包含的不规则性的尺寸正好为诸如星系、恒星、行星和我们人类的形成留出了余地。根据大爆炸模型，在大爆炸发生的那一刻，这些属性已经给宇宙打下了深深烙印，那时，宇宙的年龄为十万分之一秒，宇宙各处的密度与今天原子核的密度相当。我们所看到的宇宙的确是起源于这么炙热的火球，随着证据的不断增加，“到底这些属性是如何烙印在宇宙中的？”寻找这一问题的答案变得更加迫在眉睫。当人们尚未确定是否真的有过大爆炸时，这些属性几乎是无关紧要的；但现在人们试图弄清楚，在更早些时候，当宇宙更为炙热、密度更高的时候，宇宙到底是什么样子的，其目的就是为了发现是什么在大爆炸中将宇宙设定为朝着现在这个方向发展。

要回答这个问题就得采纳高能粒子物理学的观点，就得运用以高能粒子加速器得出的实验结果为基础的理论。例如，这些实验和理论提出，像质子和中子这样的实体，实际上是由更小的被称为夸克的实体组成的，并且可以用一组数学公式来描述所有的自然力。结果表明，要想在大尺度上了解宇宙，首先必须在最小的尺度和高能量上，了解粒子和力（场）的行为方式。

如果想了解这一点，请参看下面的数据：20世纪30年代，粒子加速器所能达到的能量相当于宇宙年龄为3分多钟时其内部的能量；20世纪50年代，加速器所能达到的能量，相当于宇宙的年龄为几十亿分之一秒时，其内部各处自然分布的能量；20世纪80年代末，粒子物理学家所探测到的能量，是宇宙年龄大约是10-13 秒的时候的能量；欧洲粒子物理研究所（CERN）在日内瓦附近建有一台新的大型强子对撞机（LHC），其设计目的是再现宇宙年龄只有5×10-15 秒（小数点后面是14个零和一个5）时的状况。

此处，我们已经没有必要再继续探究所有细节了，但有一点非常关键，今天在宇宙中起作用的四种力之间的区别，在更高的能量状态下，会变得模糊不清。在一定的能量下，电磁力和弱力之间的区别会消失，它们合并成一种单一的电弱力；能量再高的话，电弱力和强力之间的区别会消失，从而形成一种力——大统一力； [4] 据推测，在更高的能量下，这些大统一力与引力之间的区别也会消失。

就早期的宇宙而言，更高的能量存在于宇宙的更早的时期。因此，有人提出，在普朗克时间，只存在一种超力，随着宇宙的膨胀与冷却，从这种超力中首先分裂出了引力，随后分裂出强力，然后是弱力。这是因为，20世纪70年代，一位年轻的研究者发现，这种宇宙的冷却和力的分裂可以与宇宙的急剧膨胀联系起来，开始时，宇宙中超密物质所占的体积远远小于一个质子的体积，在一瞬间，它的尺寸突然膨胀到柚子般大小。那个柚子般大小的东西就是我们所说的炙热的火球，其中包含了将会成为今天整个可视宇宙中的一切。我们把这一过程称为大爆炸。

这位年轻的研究者就是阿兰·古斯（Alan Guth），他是一位粒子理论家，当时（1979年）就职于麻省理工学院，那时，他已经对宇宙大爆炸之谜产生了兴趣。他意识到，存在一种场，称为纯量场，它应该是原始的量子涨落的一部分，而且这种场将对极早期的宇宙行为产生深远的影响。碰巧的是，纯量场所产生的压力是负的。这似乎与“纯量”这两个字所代表的含义有矛盾。实际上，负压力指的是那种将物质拉扯到一起而不是将它们分开的力。一根拉长的松紧带会产生一种负压力，而我们通常称之为拉力。但与一个纯量场相联系的负压力可以非常大，而且确实有某种奇异的东西——负引力与它相关联，负引力使宇宙的膨胀速度加快（这与前文中所探讨的拉姆达场产生的效果相同，但负引力作用于更宏大的尺度上）。

古斯注意到，在极早期的宇宙中出现的一个纯量场，能够使宇宙中任何一部分的尺寸——在空间中选择的任何体积——在特有的倍增时间内，不断成倍增加。这种倍增被称为指数式增长。此时，古斯尚不知道爱因斯坦公式的一个最简单的解可以很自然地解释这种指数式膨胀，这个解使许多宇宙学家立即对古斯的观点产生了兴趣。这个解是一种宇宙模型，称为德西特宇宙，这个宇宙模型是以荷兰人威廉·德西特（Willem De Sitter）的名字命名的，他于1917年发现了爱因斯坦方程的这个解。

当古斯分析大统一理论的数据时，他发现，与纯量场相联系的、特有的倍增时间应该是大约10-37 秒。这意味着，在10-37 秒内，早期宇宙中任何一块区域的体积都会加倍，然后，在紧接着的10-37 秒内，它会再次加倍，并且它会再次在紧接着的10-37 秒内加倍，依次类推。经过三次倍增，宇宙中那块区域的体积将会是其原始大小的8倍，经过四次倍增后，它会是其原始大小的16倍，依次类推。经过n次倍增，它会是其原始大小的2n 倍。如此反复倍增，会产生一个戏剧性的结果。只需要60次倍增，就可以把空间中的一个比质子还小得多的区域，暴涨到一个柚子大小的体积，而每次倍增需要10-37 秒的时间，60次倍增所需要的时间还不到10-35 秒。

如果我们够幸运的话，大型强子对撞机（LHC）将能探测到宇宙的年龄为10-15 秒时的能量。10-15 和10-35 之间看上去似乎并没有多大差别，但那是因为我们只看到了15和35之间的差异，并认为它们之间“只不过”就相差20；但实际上，它们相差了1020 ，这意味着在10-15 秒时，宇宙已经比它在10-35 秒时大了一千万亿倍以上。换句话说，实际上10-15 和10-35 之间的差异比1和10-15 之间的差异大105 倍（10万倍）。因此，在地球上，想要通过实验直接探测到这些能量根本是毫无希望的——宇宙本身就是检验我们理论的试验台。

以上论述都是以古斯的原始数字为基础的。某些有关宇宙暴涨的现代观点提出这一过程有可能是较慢的，而且花费了10-32 秒的时间才完成；但无论如何，古斯发现了一种方法，可以让一个微小的、密度超大的物质块，成为一个迅速膨胀的火球， [5] 即使是依据这个有关宇宙膨胀的较为保守的看法，宇宙的膨胀也会相当于在仅仅10-32 秒的时间内，把一个网球暴涨到我们现在可观测到的宇宙的大小。纯量场“衰减殆尽”时，这个过程就结束了，纯量场会用它的能量生成大爆炸火球中的热量和宇宙所有物质粒子的质能。特赖恩把宇宙看成是一种真空涨落；古斯发现了联系特赖恩的真空涨落的观点与传统的大爆炸的观点之间缺失的环节；纯量场的反引力克服了自身引力，自身引力似乎是特赖恩观点中的关键问题。但当时，古斯甚至还不知道特赖恩所做的工作。

一直以来，暴涨理论的吸引人之处在于，它解释了许多宇宙巧合。如第二章所述，在大约60次的倍增过程中，空间在不断向外进行大尺度延伸，从而将空间中的不规则性抚平，这就像将西梅干放入水中膨胀，西梅干的褶皱表皮就会变平一样。如果西梅干的尺寸倍增60次（想象一个大小约为我们太阳系1000倍的梅子），而你站在它的表面上，你只会说它的表面是完全平坦的，你甚至都无法察觉它的表面是微微弯曲的，这就如同很长一段时间以来，生活在地球表面上的人们认为地球的表面是平的。换句话说，暴涨迫使宇宙的密度极为接近临界密度。

这种平滑是有瑕疵的，因为在暴涨过程中，“普通”的量子涨落会产生微小的涟漪，随着暴涨的持续，这些微小的涟漪自身也会延伸。 [6] 所以，今天以星系的形式分布在宇宙中的物质，其分布状态只不过是零点后的第一瞬间所产生的一个量子涨落网的一个膨胀的版本。从统计学角度讲，天空中星系的样式确实与这种涨落预期会出现的样式相吻合，这一点强有力地证明了暴涨观点。在暴涨的框架内，许多其他的宇宙巧合也可以得到解释，因为如果我们的整个可见宇宙是从一个比质子还小的区域中暴涨而来的，就可能存在以相似的方式暴涨而成的其他的宇宙，但这些宇宙永远位于我们的视界之外。而且它们也不必都得以同样的方式暴涨而成——也许它们根本就不遵循与我们相同的物理定律。

这就引发了许多新观点，这些观点与玻尔兹曼的某些观点类似，同时还让人联想到另一种观点——恒稳态宇宙模型，或许将这种观点扔进历史的垃圾堆是错误的。

｜回到恒稳态？｜

1980年，有人询问阿兰·古斯，“你有关暴涨的新观点是如何与恒稳态宇宙模型联系在一起的？”他的回答是：“恒稳态宇宙模型是什么？”然而，仅仅在20年之前，恒稳态宇宙模型曾被视为可以替代大爆炸模型。古斯回答完这个问题后又过了30年，情况已经发生了很大变化，知道恒稳态宇宙模型的人更少了，因此，在详述它与现代暴涨理论的关系之前，有必要回顾一下这一段历史。

20世纪40年代后期，虽然宇宙正在膨胀的观点已得到认可，但这种观点中还有一些问题没有解决。这种观点认为宇宙起源于时间上的一个确切的时刻，当时，我们周围所看到的一切都积聚在奇点（或其附近）。最大的问题是，当年，人们估算出的宇宙膨胀速度表明，宇宙的年龄只有几十亿岁，比最古老的恒星的年龄还要小。这显然是不可能的。还有人不断从哲学的角度反对宇宙有个开端（即时间开始的那一刻）的观点。在此背景下，英国剑桥大学的三位数学天文学家——赫尔曼·邦迪（Herman Bondi）、托马斯·高特（Thomas Gold）和弗雷德·霍伊尔——详尽阐述了如下观点：虽然宇宙在以稳定的速度膨胀，但宇宙可能是永恒的，其整体外观是不变的。

早期恒稳态宇宙观的精髓在于，随着星系团彼此间相互远离，会生成新的空间，与空间延伸相同的过程会在这些新生成的空间中生成新的氢原子，从而使宇宙中物质的密度始终保持不变。要想完成这项工作，每年在每100亿立方米的空间中，只需制造出一个氢原子即可，这个条件似乎并不过分。这些原子会形成云，再经过数十亿多年的时间，这些云就会凝聚，形成星系、恒星和物质世界中的一切。

20世纪50年代，甚至在之后的一段时期，对于恒稳态宇宙观点的支持者们来说，以这种方式稳定地、持续地制造氢原子，要比宇宙中所有的物质都是在大爆炸中突然间一下子就出现的说法，更容易理解。如果他们是正确的，那么，在宇宙时间中的任何时刻，宇宙的整体外观将大致相同，例如，在任何特定体积的空间中，星系和星系团的数量是相同的，虽然在那个空间体积中，星系和星系团中的星系个体并不总是相同的。

这种对恒稳态宇宙模型的简单解释，与其他模型一样，是建立在哲学思考的基础上的，但它却是完全错误的。观测表明，当我们观察宇宙深处时，这就相当于在时间上看向更远的过去， [7] 我们看到了比银河系附近的星系还要年轻的星系，而且它们之间的距离比今天的星系之间的距离近。另外，还有来自宇宙背景辐射的证据；毫无疑问，宇宙是从一个更炙热、更紧密的状态膨胀而来的。恒稳态宇宙模型提出后的几十年里，宇宙的年龄问题也解决了。测量技术改进后，测量出来的宇宙膨胀的速度让我们知道，大爆炸大约发生在137亿年前，同时，技术改进后，所估计的恒星的年龄告诉我们，最古老的恒星的年龄是130亿岁多一点。一切都能说得通。但恒稳态宇宙模型的简单解释并不是这一主题的定论。

特别是霍伊尔，他和同事贾扬·纳里卡（Jayant Narlikar）一起，发展了恒稳态宇宙模型。他们在广义相对论方程的背景下，提出了一个完全用数学计算出来的有关恒稳态的全面解释。其核心是一个称为C-场〔“C”代表了创造（creation）〕的概念，C-场填补了宇宙，创造物质和引发宇宙膨胀的压力。为了使这一观点与不断改进的观测结果相符，霍伊尔和纳里卡不得不放弃了在宇宙中的各处都在进行着稳定的、统一的物质创造过程的观点。但是最后，他们仍然把自己的解释称为恒稳态宇宙模型，在这样的宇宙中，物质的创造集中于我们已知的普朗克粒子中，在量子尺度上的一个微小的体积中，包含巨大的物质能量。这一体积是球形的，它有一个尽可能小的直径，被称为普朗克长度。普朗克时间是最小的时间间隔，同样，没有任何距离比普朗克长度还短；能够成长为我们宇宙的最小的种子，其大小本来应该是普朗克粒子的尺寸，普朗克尺寸，其直径等于普朗克长度。用整数表示，它是原子核尺寸的一万亿分之一的十亿分之一。然而，它包含了我们所看到的宇宙中所有的质能——但总体而言，一旦把引力考虑进去，其能量就为零。

根据该模型，在一个更大的（无限大的）元宇宙的框架内，在这些普朗克粒子中发生了大爆发，创造出许多不断膨胀的空间泡泡，其过程几乎完全与我刚才描述的暴涨环境下的过程相同。唯一的区别是，在C-场的版本中，普朗克粒子没有被具体确定为量子涨落。事实上，霍伊尔和纳里卡提出了一种有关宇宙大爆炸观点的新解释，而且如果年轻时期的霍伊尔知道，这是关于宇宙大爆炸观点的新解释的话，他自己都可能会大吃一惊。但是，因为他们是从恒稳态的角度思考这个问题的，所以他们没有看出方程企图告诉他们的真正含义。

20世纪60年代和70年代，面对改良的观测证据，霍伊尔和纳里卡做出了许多努力，以维持恒稳态观点。对于大多数宇宙学家而言，他们的努力似乎有点任性和固执。但他们最终获得了一个模型，其中，一种场的能量使宇宙从一个非常紧密的状态突然迅速膨胀，随后，这种能量“衰减”为物质粒子。这将成为最基本的暴涨模型的一个准确的文字描述。在标准的暴涨模型中，引发暴涨的场往往用希腊字母phi（Φ）表示；在霍伊尔-纳里卡的模型中，一种与它的属性完全相同的场是由字母C表示的。1994年12月，英国皇家天文学会在伦敦召开了一次会议。大会在探讨暴涨时，并没有提到霍伊尔的工作成果。我清楚地记得当时70多岁的霍伊尔非常恼火，这是可以理解的。他在会上作了演讲，表明暴涨理论方程，确实与描述恒稳态观点的最终版本的公式完全一样，只不过是字母“Φ”取代了字母“C”。“这，”他充满了讽刺地说，“是非常重要的。”

如果我们可以从中学到点什么的话，我们应该学到一个教训，即真理存在于公式中，对我们的想象帮助更大的，是我们对于很久之前所发生的事情的印象，而不是任何其他的事情。五百多年前，我们的祖先认为太阳绕着地球转，他们真是太天真了。半个世纪之前，宇宙学家把我们可见的宇宙泡泡看成是宇宙中的一切，但事实表明，他们像我们的祖先一样天真。无论是最初的大爆炸观点，还是最初的恒稳态观点，都是不正确的。到底宇宙是如何成为现在这个样子的？我们现在对它所做的最好描述，由这两种观点混合而成——在一个更大的恒稳态的背景下，发生了大爆炸。霍伊尔并不像他自己想象的那样正确，但却比他的对手所想象的正确多了。在探讨宇宙暴涨的现代观点时，他的观点确实值得一提。

但是，我们一直在称颂阿兰·古斯，他确实值得我们赞扬，因为是他在大爆炸的背景下，看到了暴涨对于揭开宇宙巧合之谜的力量。他甚至还想出了该如何称呼它，但是他不记得自己是怎么想到这个名字的——“我不记得自己曾经试图起个名字，”他说，“但我的日记显示，（1979年）12月底，我已开始把它称为暴涨。”

显然，暴涨的时代已经到来。除了霍伊尔和纳里卡已经过时的工作外，20世纪70年代末，莫斯科朗道理论物理研究所的阿列克谢·斯塔罗宾斯基（Alexei Starobinsky）提出了暴涨（现在的说法）的另一种解释。虽然他的模型和古斯的模型包含了相同的核心观点，但他的模型以引力的量子论为基础，比古斯的模型复杂得多。但当时正处于冷战时期，电子邮件和互联网还没有出现，苏联科学家很难与他们的西方同事交流，因此，斯塔罗宾斯基的工作成果当时只能在苏联国内传播。然而，古斯的观点一经传播，苏联的科学家就对其发展发挥了至关重要的作用。暴涨很快超越传统大爆炸模型的局限，得到了发展。20世纪80年代，古斯最初的工作有了关键性的进展，那就是将暴涨理论拓展到了研究多宇宙，而非一个宇宙。实际上，这些宇宙都是时间之河中的泡泡。

｜时间之河中的泡泡｜

不出意料，爱德华·特赖恩（Edward Tryon）很快就使如下观点再度流行，即宇宙是暴涨环境下真空的一个量子涨落。20世纪80年代初，任职于塔夫斯大学的亚历克斯·维连金（Alex Vilenkin）进一步详细阐述了这种观点。维连金出生于苏联的哈尔科夫（Kharkov），1971年，毕业于哈尔科夫国立大学，但由于苏联当局认为他“不合作”，所以无法继续深造攻读博士学位。毕业后五年来，他以打各种零工为生（他告诉我，他最喜欢的零工是当动物园的守夜人），并利用业余时间学习物理。1976年，苏联当局准许他移民美国。多亏了他之前所做的科学研究，第二年，他就获得了纽约州立大学的博士学位。维连金在逻辑上把量子涨落的观点发展到了极致。其他研究人员（如特赖恩）所说的“真空涨落”意味着，有一个真空（某种形式的时空）在涨落。但维连金试图用数学来描述空间、时间和物质实际上是从无中产生的。他的这种做法或许会成功，或许会失败。但到目前为止，对于暴涨最成功的解释并不需要走这种极端，因为空间、时间和物质都被设置在了一个永恒的元宇宙的范围内，而在这个永恒的元宇宙中，时间是没有开端的。

事实上，宇宙学家有关暴涨的各种不同解释，恰恰表明这种观点仍然处于发展阶段。虽然有关暴涨的某些证据是非常令人信服的，但却还没有一个唯一的、明确的暴涨模型可以解释所有观测到的宇宙的属性，我们只能在许多详细的暴涨模型中选择一个。正如古斯所言，这种观点从一开始就存在着许多问题，应该如何准确地解释暴涨是怎样开始的（是什么引发了暴涨）？暴涨将怎样结束（发生了什么事情，能使纯量场将自己的能量转化成物质）？就这一主题，我不想再深入探讨不同暴涨理论的细微差别了，但我会始终坚持从整体角度看待暴涨，而且我还会探讨混沌暴涨，这种理论是有关暴涨的最有吸引力的解释之一。

暴涨的早期解释需要解决微调问题。举一个最简单的例子，如果暴涨还没有完成使空间变平的任务就停止了，所产生的宇宙会有明显的弯曲，即空间会自己弯曲，而且这种宇宙会比我们看到的宇宙更为凹凸不平，这种宇宙中的物质含量会更高。这样的宇宙很可能不适合生命生存。暴涨的尺寸多种多样。那么，起源于暴涨的宇宙是怎样获得合适的属性，从而成为孕育我们这种生命形式的家园呢？在本书第二章中，我们探讨了所有宇宙巧合的解，事实上，对于微调问题的解与第二章中讨论的所有宇宙巧合的解是相同的——但现在，我们可以在一个合适的宇宙学背景下探讨这个问题，而不是仅仅诉诸对其他世界的哲学揣测。一定有许多种宇宙可供我们选择，像我们这样的生命形式的本质选择了我们周围所看到的宇宙。

一位生于莫斯科的宇宙学家，安德烈·林德（Andrei Linde）接受了这种观点，并在暴涨的背景下，发展了这种观点。与维连金不同，他在苏联完成了学业，并拿到了博士学位（1974年授予），之后他仍然可以继续在苏联从事学术研究。20世纪80年代末，他移居到美国，现任职于斯坦福大学；但他在莫斯科的列别捷夫研究所工作的时候，就详尽阐述了混沌膨胀的观点。20世纪80年代早期，宾夕法尼亚大学的保罗·斯泰恩哈特（Paul Steinhardt）和安德里亚斯·阿布雷希斯（Andreas Albrecht）独立阐述了与林德有关暴涨的某些观点类似的观点。

林德意识到的关键问题是，要使普朗克尺寸的时空区域首先暴涨、然后以更为轻松的方式膨胀成我们现在的可见宇宙，不需要什么独一无二的东西，甚至不需要什么特别的东西。在一个更大的、也许是无限大的时空区域中，所有种类的纯量场都曾经发挥过作用，而且现在它们仍然在起作用，这个时空区域中可能存在其他普朗克尺寸的区域，甚至是有无限多个这样的区域。在量子尺度上，我们通常所说的“空无一物的空间”，实际上是众多量子涨落中冒出的一个泡沫，而且林德意识到，暴涨可以出现在任何一个量子涨落中。 [8] 某些普朗克粒子的膨胀次数是最少的，随后它们会再次坍缩，这种膨胀与坍缩的方式正好与批评特赖恩早期观点的批评家所假设的方式相同。其他的普朗克粒子可能会稍微暴涨一下，但是永远也不会暴涨到允许像恒星和人类这样有趣的事物形成的程度。其他的普朗克粒子可能膨胀得太快，致使物质散布得非常稀薄，永远也无法形成恒星和行星。最终的结果将会是所有的泡泡处于混沌的杂乱无章的状态，所有的泡泡都在以不同的速度在时空的不同区域中膨胀，此处混沌的意思就是我们日常生活中所使用的意义，它与数学混沌理论中所使用的术语不同。打个比方，如果把宇宙泡泡比作一个刚刚开瓶的香槟酒瓶中的泡泡——要想使这个比喻符合现实，这个瓶子得是无限大才行。

正是林德将这种宇宙学解释称为“混沌暴涨”。它可以非常自然地解释宇宙巧合，后来这种解释成为宇宙巧合的标准的人择解释。在元宇宙中，漂浮着无限阵列的可能的宇宙泡泡，从这些宇宙泡泡中，我们必然会为自己找到一个适合生命的泡泡，因为在那些不适合生命的宇宙泡泡中，不存在能够注意到这些泡泡中正在发生什么的生命形式。其他的宇宙泡泡可能不只是有不同的尺寸和膨胀速度，而且还可能有不同的值，如引力的强度值或核燃烧效率值，这要归功于普朗克粒子中纯量场相互作用的方式，以及基本力从彼此中分裂出来的方式。在不同的泡泡中，甚至连基本力的数量和基本粒子的性质都有可能是不同的。马克斯·泰格马克（Max Tegmark）将这称为“第二层 ”多重宇宙。

混沌暴涨还给我们带来了另一个意外收获。暴涨的最初解释（如特赖恩的解释认为宇宙起源于量子波，又如20世纪60年代和70年代的标准大爆炸模型）都存在一个问题：在宇宙诞生之时，奇点“之前”，或奇点附近到底发生了什么？混沌暴涨提出我们的宇宙诞生于一个量子涨落，这个量子涨落位于时空的某个永恒地区，而与之极为相似的过程在元宇宙的其他地方创造了其他的暴涨区域。在混沌暴涨的元宇宙中（就像霍伊尔和纳里卡的C-场宇宙观一样），时间没有起点，也没有终点。这意味着混沌暴涨可能会永远持续下去。遗憾的是，还有一种与之相关的观点，称为“永恒暴涨 ”（林德发明的另一个术语），但它与混沌暴涨却并非一回事。混沌暴涨已经告诉我们许多事情，除此之外，混沌暴涨还告诉我们，宇宙可能是如何诞生的；永恒暴涨也告诉了我们很多事情，除此之外，永恒暴涨还告诉我们宇宙可能如何灭亡，稍后我将探讨永恒暴涨。我在此处提及永恒暴涨的目的，只是为了避免它与“永恒的 ”混沌暴涨发生混淆。

虽然还有许多细节问题有待解决，但数学物理学家们乐于探讨、计算可以实现暴涨的各种纯量场的属性，这真是当前宇宙学中“最值得购买的商品”。现在古斯说，“我们还不知道有关暴涨的所有细节，但有证据表明暴涨的基本机制是正确的，而且这些证据是非常有说服力的”。

数学家们乐于争论某些遗留下来的细节问题，但对于外行来说，这些问题就像下面这个争论一样神秘：有多少天使可以在针尖上跳舞？然而，在另一个领域中，这种争论还引出了一种令人兴奋的观点，即在一个新的层次上，将暴涨与我们对于基础物理学的理解联系在一起，这就涉及了弦和膜这样的实体。从而使我们获得了另一种有关多重宇宙的观点，在下一章中，我将详细探讨这种观点。然而，在解释本章的探讨之前，我首先得阐明一个问题。近来，专家们一直在就这个问题进行激烈辩论——还记得那种存在一个宇宙大小的玻尔兹曼涨落的观点吗？如果仔细斟酌的话，这种观点是多么令人难以置信啊！像我们这样的宇宙怎么可能诞生于一粒正在暴涨的量子种子呢？是不是真的更有可能存在一个诞生时很简单但随着年龄的增长逐渐变得复杂的宇宙呢？存在以下这种涨落的可能性会不会更小一些呢？即这个涨落生成了另一个你，这个你单独坐在一个被永恒的混沌包围的房间之中。

｜永恒的暴涨和简单的开始｜

1983年，永恒的暴涨这一观点突然浮现在了亚历克斯·维连金的脑海中。他意识到，一旦暴涨开始了，它就绝不可能停止——至少，所有地点的暴涨都停止是不可能的。暴涨场所能做的最自然的事情就是衰减为其他形式的能量，最后形成物质；但多亏了量子的不确定性，在暴涨空间的任何区域内，纯量场的力量将是不同的，因此，在这个区域内的某些罕见的地区，纯量场力量实际上会变得更强，而且暴涨的速度会增加。在这个区域内部，暴涨场所能做的最自然的事情就是衰减为其他形式的能量，最后形成物质；仍然是多亏了量子的不确定性，纯量场的力量也将是不同的，所以，在那个区域内的某些罕见的地区，纯量场的力量会变得更强，暴涨的速度也会增加。整个模式会像分形（fractal）一样无限地重复下去。

从统计意义上说，存在更多的地方，在那里暴涨已经停止并且发展出与我们自己的宇宙类似（或有别于我们的宇宙）的宇宙泡泡；但是由于暴涨会迅速生成许多空间，正在暴涨的区域所占的体积大大超过了泡泡所占的体积。纯量场的衰减可以产生没有暴涨的泡泡，而罕见的涨落会生成更多的暴涨。虽然这两者之间存在着竞争，但后者完全占主导地位。维连金打了个比方，这就好像是在培养细菌时，为细菌提供良好的食物供应，细菌就会猛增一样。细菌通过分裂繁殖，因此，它们的增长速度是非常独特的，总的来说，其特征为倍增时间——即指数增长，与暴涨类似。有些细菌会死亡，因为它们受到了捕食者的攻击。但如果受害的细菌数小于细菌总数的临界比，培养菌还会继续成指数增长。在暴涨的背景下，情况略有不同——从统计上说，不断暴涨的区域是很稀少的，但从它们在元宇宙中所占据的体积来说，它们却占据了统治地位。因为元宇宙中总是会有量子涨落，所以空间中总是会有一些区域在暴涨，而这些区域始终代表着空间的最大体积。

最初，维连金的同事对他的观点反应冷淡。虽然维连金在20世纪80年代和90年代就已经发表了这种观点，但他对这种观点的探求并不积极。安德烈·林德是少数几个认真思考这种观点的人之一，他在探讨自己有关混沌暴涨的观点的过程中，发展了维连金的观点。1986年，他就这一主题发表了一篇论文，并创造了永恒的暴涨这个词。1987年，他用“宇宙”（universe）这个词代替我一直使用的“元宇宙”（metauniverse），他写道：“宇宙无休止地再创造着自己，从整体上看，不存在‘时间的终止’……可以视整个（暴涨）过程为一个无限的创造和自我繁殖的连锁反应，它没有终止，可能也没有开端。” [9] 他把宇宙（即我们所说的元宇宙）称为“永远存在的、混沌的、自我繁殖的、暴涨的宇宙”。虽然林德大力倡导这种观点，但这种观点仍然不受人们青睐。一直到了21世纪初期，在人们发现了暗能量和宇宙在加速膨胀的证据之后，永恒的暴涨才真正受到重视。

现在，所有的证据都表明，我们的宇宙很可能会继续以越来越快的速度永远膨胀下去。这个过程像极了制造出我们所生活的空间泡泡的暴涨的慢速版。最终——到底要花费多长时间无关紧要，因为我们所拥有的时间是永恒——所有的恒星都会灭亡，而宇宙中的一切物质不是衰变为辐射，就是被黑洞吞噬。即使是黑洞，也不会永远存在下去。多亏了量子过程，能量会以辐射的形式从黑洞中泄漏出去。能量的泄漏速度会不断加快，最终，它们会消失在一股伽马射线中。因此，我们宇宙的最终命运是，它将成为一个以指数膨胀的空间区域，其中充满了低密度的辐射。这正是德西特（de Sitter）所发现的爱因斯坦方程的解所描述的情形，我们称之为德西特空间。

德西特空间是培育暴涨的完美温床。在德西特空间内，被我们称为暗能量的微量的辐射和纯量场的量子涨落，将会生成少许稀有的普朗克尺度的区域，这些区域会急剧膨胀，成长为像我们这样的宇宙泡泡。正如维连金和林德20多年前告诉我们的那样，一旦你拥有了暴涨，你就拥有了永恒的暴涨。在一个混沌的元宇宙中，普遍存在的加速和与之相关的宇宙学常数的发现，不但把我们与永恒的暴涨的未来联系在一起，还把我们同它的过去联系在了一起。它表明，我们的宇宙诞生于德西特空间，而且还会以德西特空间的形式结束。这就像一次又一次地从头开始一样。如果计算正确，它还可以解决前文中提到的难题，即为什么小涨落更有可能暴涨成为复杂的宇宙，与之相比，涨落制造出独自坐在一个周围被混沌包围的房间中的人的可能性就小多了。

｜玻尔兹曼的大脑、时间之箭和因果补丁物理｜

即使在暴涨的背景下，在呈指数膨胀的德西特空间中，时间的热力学之箭仍然与我们自己的宇宙泡泡的存在相关，尽管更大的元宇宙本质上是无时间的。制造了宇宙的涨落仍然是远离平衡的涨落，而它们返回到平衡的方式使我们拥有了时间之箭。我们所生活的宇宙确实开始于低熵，而且它会以高熵终结。最终，在以指数膨胀的空间中，除了暗能量（这些暗能量是宇宙学参数形成的原因）以外，别无他物。其最终命运将与黑洞相反。黑洞是坍缩的最终状态，德西特空间是非坍缩的最终状态。用黑洞物理学的方程倒推，宇宙学家可以计算德西特空间的熵。事实证明，德西特空间的熵确实非常高——高到可能允许某物的熵像我们宇宙那样开始，并且拥有一个宇宙学常数。到目前为止，一切顺利。从热力学上讲，宇宙从其诞生的地点出发，正朝着正确的方向发展。这就使我们回到了那个让玻尔兹曼困惑不已的问题——宇宙是怎样从低熵状态诞生的？

在21世纪初的几年中，来自斯坦福大学和麻省理工学院 [10] 的一个研究团队提出，即使在暴涨背景下，绝大多数状态都可以演变成一个与我们的世界类似的世界，但是，这些状态都不是始于低熵状态；由此，他们把一只猫放在了宇宙的鸽子洞之间。这个难题表明，制造一个人并让他坐在房间中，或制造一个裸脑并使它拥有学习过大爆炸和宇宙历史的（虚假）记忆（而且它还拥有曾读过本书前文中的玻尔兹曼涨落的记忆，这种记忆同样也是虚假的 [11] ），要比制造一个宇宙本身容易得多。这就是已知的“玻尔兹曼的大脑”的悖论，因为这个裸脑看上去好像是最简单的，它可以存活足够长的时间以“了解”我们认为我们所了解的宇宙，可以解释为什么你认为你正坐在那里读这本书。

这一难题的基础，实际上是将合适的等式应用于那个制造出我们可见宇宙的时空区域。由于没有任何事物的速度可以超过光速，大爆炸后，光信号可以穿越那些相距足够近的时空区域，因此，只有在那些区域中的物体才能相互影响。在宇宙的同一块补丁中，一个物体可以引发另一个物体的变化，但在补丁之外，这个物体不会使任何事物发生变化。由于这个显而易见的原因，我们称这种时空区域为因果补丁。在因果补丁宇宙学中，只有具有因果关系的事件才具有物理意义。这就相当于把宇宙当作一个单一的、有限的系统，这个系统正朝着一个真正的平衡状态——德西特空间——演变，这就是斯坦福大学和麻省理工学院的研究小组所采用的方法。

但诸如混沌暴涨和永恒暴涨这样的观点，归根到底，就是认为超越我们泡泡的界限之外——超越宇宙视界，有一个更大的（也许是无限大的）时空区域。即使我们所做的事情绝不可能影响我们的泡泡之外所发生的事情，而且我们的泡泡之外所发生的事情也绝不可能影响我们，但是，事实证明，要想分析这种元宇宙存在的统计学含义也是有可能的。这相当于把宇宙看成是一个更大的系统的一个微小的组成部分，到目前为止，这个更大的系统已经在平衡中度过了它的大部分光阴。

这就使得我们的分析产生了关键的差异，即在更大的元宇宙中，涨落可以朝两个方向发展，朝低熵或更高的熵发展，熵上升与熵下降一样频繁。2004年，安德里亚斯·阿布雷希斯（Andreas Albrecht）和洛伦佐·叟波（Lorenzo Sorbo）任职于加州大学戴维斯分校。经过适当的计算，他们不仅发现暴涨是最有可能发生的一种涨落——这种涨落发生的可能性甚至超过了制造了“标准”大爆炸的涨落发生的可能性——而且发现，产生一个标准大爆炸的涨落的可能性要比产生一个裸脑的涨落的可能性大得多。造成这种差别的最基本的一点在于，最终发展成为像我们这样的宇宙的涨落的小熵提供了一种信用，它允许元宇宙其余更多的部分处于平衡中。

阿布雷希斯和叟波把它与一个大盒子作了类比，这个大盒子里装满了均匀分布的辐射，平均起来这些辐射都是平衡的，但是，在这个大盒子中发生了统计涨落。想象这样一种情形，在盒子的一个角落里，将1立方厘米体积中的所有辐射缩小到1立方毫米的体积中。这就增加了盒子内那个立方毫米体积中的熵。现在想象一种类似的涨落，将2立方厘米体积中的所有辐射缩小到1立方毫米的体积中。在盒子的那个立方毫米的体积中，熵再一次增加了。在第二个例子中，尺寸为1立方毫米大小的区域的熵要比第一个例子中1立方毫米区域的熵大。因此，如果你只看盒子的局部，热力学会告诉你第二种情况更有可能发生。但是，如果你看看整个盒子，你将会发现在第一个例子中，盒子中有更多的区域是处于平衡中的，因此第一个涨落比第二个涨落更有可能发生，即使它所导致的状态会使盒子中局部的熵较小。对于盒子整体来说，这种状态的熵比第二个例子所能引发的状态的熵更高。数学已经证明，这种区别源于视角的不同，这就好像是应用因果补丁物理与观察超出我们宇宙视界的元宇宙的区别一样。

关键在于，只需要最小的体积，一个量子体积，暴涨就可以发生，因此，这就使得元宇宙的其余部分仍处于平衡中，处于高熵中。另外，那个量子还处于一种非常简单的状态。但是，在均匀的元宇宙中，要想制造像我们的宇宙这样的因果补丁，如果没有暴涨的帮忙，你就得需要一个像柚子那么大的涨落，这个涨落由难以想象的大量的量子空间构成，这些量子空间以非常复杂的方式排列在一起。但这种情况发生的可能性极小。

虽然超出我们的因果补丁之外的任何事物都无法影响我们，但是，我们之所以能够存在是因为我们的因果补丁之外所存在的一切，这种含义是非常令人惊讶的，但同时它也是非常耐人寻味的。宇宙是一个单一的、有限的系统，这种假设直接把我们引领到了玻尔兹曼的大脑的悖论，而宇宙是无限的元宇宙中的许多宇宙泡泡之一，这种假设使我们得出这样的结论：这些宇宙非常有可能存在。由于这两种假设，我们的存在这一事实好像就是我们并非居住在一个有限的、单一的宇宙的最好的证据。而处于我们的因果补丁之外的一切，正如维连金所强调的那样，包含了许多、许多我们自己的复制品。你并不是（简要地说）作为一个孤立的玻尔兹曼的大脑而存在的，元宇宙中包含了无限多个你大脑的复制品，还有无限多个其他人大脑的复制品，它们都舒适地待在活生生的躯体中。

｜到无限——并且超越无限！｜

在电影《玩具总动员》（Toy Story ）中，有个名叫巴斯·光年（Buzz Lightyear）的人物，他有个口号“到无限——并且超越无限”。巴斯这个角色并不是个笨人，我们都知道一谈到无限，就再无“超越”可言了，这句话当然是编剧们开的一个小小的玩笑。但是他们或许开了自己一个玩笑。在亚历克斯·维连金看来，我们的宇宙是无限的，但确实存在一个“超越”，我们的宇宙只是其中的一小部分而已。这就向前迈了一大步，超出了把宇宙看作是位于一个无限大的元宇宙中的一个巨大的但有限的泡泡的观点，这种观点的形成源于广义相对论框架所允许的不同的观点（事实上，这些观点必须遵循广义相对论）。

我们的宇宙泡泡是巨大的，但它又是有限的，它位于一个无限的、永远膨胀的元宇宙中，这种观点相当于维连金所说的对宇宙的“整体的看法”。这种整体看法就是：在宇宙中，时间没有起点，也没有显而易见的方法可以使每个宇宙泡泡中的时间流逝与宇宙泡泡之外所发生的事情相符。在元宇宙中，时间的流逝通常都具有相同的整体外观，事实上，从热力学角度看，现在我们还并不清楚，时间的流逝到底意味着什么。但在每个宇宙泡泡中，任何聪明的观察者都会感觉到时间有一个明确的起点，这个时间起点与他们自己宇宙的大爆炸“起源”相对应。令人好奇的结果是，如果这些观察者从他们的宇宙泡泡内部看，每个宇宙泡泡在广度上似乎都是无限的。

维连金说，如果想不通过数学计算，就能了解这种情况，最好的方式就是设想你在计数星系。从整体上看，在一个不断膨胀的宇宙泡泡的边界附近，新的星系不断诞生，而且时间是无限的，这就意味着在每一个宇宙泡泡中一定存在着无限数量的星系。从内部看，宇宙泡泡中一定存在着同样多的星系，虽然对于一个观察者来说，要看到所有星系在技术上是不可能的。但从内部看——就是在一个137亿年的宇宙中，我们从地球上所看到的景色——所有这些星系都是同时存在的，而且大爆炸后，制造出这些星系所需要的时间是有限的。在有限的时间内形成无限数量的星系的唯一方式就是，让它发生在无限的空间中。因此，每个宇宙泡泡的尺寸，从居住在其中的居民的角度来看，都是无限的。这就是“内部无限”。

从整体上看，宇宙泡泡是有限的，但从某个宇宙泡泡内部看，它又是无限的，实际上，这种立足点的改变意味着从整体上看所得到的无限的时间，转变成了从泡泡内部看所得到的无限的空间。这种用空间换时间的交易取决于观察者的立足点。一百多年前，爱因斯坦用他的第一个相对理论，特殊理论，发现了这一规律。它是现代科学的一块基石，是物理学家们完全陌生的，但它给予我们的暗示却是非常值得我们认真对待的。

到目前为止，这个故事已经足够惊人了。但维连金和他的同事们走得更远，他们分析了这一规律对于任何特定的宇宙泡泡的暗示，其中就包括我们自己的宇宙泡泡。事实上，现在我们可以忽略我们宇宙之外的那些世界，仅仅考虑这一规律会给我们的宇宙带来什么暗示。

本章中展示的所有证据告诉我们，我们的宇宙是不断膨胀的空间中的一个无限大的泡泡——最重要的是，要从我们的角度来看。宇宙中任何一个观察者——如一个坐在天文台中的天文学家，这个天文台位于地球的一个山顶上——看到宇宙的最远距离，只能是大爆炸后光所能到达的最远距离。正如我们所见，虽然大爆炸发生在137亿年前，我们今天可以看到的最远的天体，实际上，距离我们却不只有137亿光年，而是超过140亿光年，这是因为光朝向我们开始它的旅程后，空间已经延伸了。维连金把任何特定的观察者都能看到的宇宙区域称作O-区（“O”的意思是“可观察到的”），而我们O-区的直径约为800亿光年。现在，我们宇宙的年龄为137亿岁，在宇宙时间的这一刻，在我们宇宙中的所有观察者都处于同样的情形。他们每个人都坐在一个直径为800亿光年的O-区的中心。由于宇宙是无限的，这意味着宇宙中有无数个O-区。也许你会认为他们彼此间都各不相同，但维连金却并不这么认为。

他举了一个例子，有一个人——也许这个人就是你——将椅子向后移动了一厘米。还可能会存在另一个O-区，它与我们的O-区在各方面都完全相同，但只有一个方面不同，即在这个O-区中，椅子并没有被移动；还可能存在另一个O-区，在这个O-区中，椅子移动了0.9厘米，而不是1厘米；还可能存在另一个椅子移动了0.99厘米的O-区，还可能存在另一个椅子移动了0.999厘米的O-区，等等。这看起来像是一个无穷序列，其中椅子的最后位置各不相同，而且这种不同有无限多的可能。但维连金指出，由于量子不确定性，你无法检测到椅子位置的差异——不仅仅是因为这些差异太小，以至于无法衡量，还因为这么小的距离没有真正意义。

这就意味着，椅子可能的位置数是有限的——虽然这个数字会大得令人难以置信，但它仍然是有限的。把这种推理运用到O-区中的一切事物，从亚原子粒子到超星系团，由于同样的原因，区分O-区的方法的数量也是有限的。这意味着，在一个无限的宇宙中，一定存在无限多的彼此完全相同的O-区。这一场景与玻尔兹曼大脑所展现的场景相反，玻尔兹曼大脑是一个单一的（暂时）漂浮在混沌中的大脑；而在这一场景中，在无限多的与我们的地球完全相同的地球上，有无限数量的你的复制品正在阅读着这本书的无限数量的复制品。正如维连金所说的那样，“应该有无限数量的区域，这些区域的历史与我们的历史完全相同”。

正如量子理论的多世界诠释所阐释的那样，还有大量的O-区，其中的事物与我们的O-区中的事物略有不同，而且还会有更多的O-区，其中的事物与我们的O-区中的事物大相径庭。维连金说：“让事物之间产生差异的方法，要比让它们彼此间完全相同的方法多得多。”但是，所有这一切的重点是，这种观点并不需要多世界诠释；所有这一切都发生在一个单一的无限宇宙中，这个宇宙是由三维的空间和一维时间构成的。当然，多世界诠释也可能适用，但正如维连金所说，他的宇宙观点是想让你知道“多世界存在于一个世界中”。

所有这一切都为哲学思辨的骨骼添加了数学的血肉，在一个无限的宇宙中，一切皆有可能——1975年，俄罗斯的科学家和社会活动家安德烈亚斯·萨哈罗夫（Andreas Sakharov）在接受诺贝尔和平奖时，说：

在无限的空间中，必然存在许多文明，会存在比我们的社会更明智、更“成功”的社会。我支持如下宇宙学假说，即宇宙的发展一直在重复，其基本特征已经重复了无数次。

永恒的暴涨将这些观点坚定地引入了物理学领域，使这些观点得到了升华，不再只是一种假设。永恒的暴涨确定了与我们自己的宇宙类似的宇宙是内部无限的，而暴涨过程中的量子涨落从普遍意义上确定了随机过程生成了所有可能的变化，例如，一个无限的宇宙，在这个无限的宇宙中充满了无限数量的与我们的银河系完全相同的复制品。剑桥大学的宇宙学家约翰·巴罗（John Barrow）强调了这种宇宙新见解的重要性。他说，永恒的暴涨：

在一系列非常广阔的可能世界中，几乎为各种宇宙结构提供了所有逻辑上可能的选择。

如果我们宇宙的尺寸是无限的，我们就不需要求助于那些纯哲学的概念，如存在于平行现实中的“其他的”宇宙这样的概念来理解所有可能的世界这种观点。刚刚探讨的这些例子，对于我们理解所有可能的世界这种观点来说是很重要的，因为它们展示了在我们的宇宙中，物理定律是如何生成无限的、在逻辑上可能的条件的。一个无限的宇宙包含足够的空间来容纳所有这些可能性。这就是保守的多重宇宙观。 [12]

或者正如阿兰·古斯所说：“暴涨几乎将多重宇宙的观点强加给了我们。”

您可能认为这就是定论，寻找多重宇宙的过程已经结束。从某种意义上说，确实已经结束——为了证明（或要求）多重宇宙的观点，我们所需要的只不过是我们周围所看到的这个宇宙的存在，和本章中所呈现的观点。但理论物理学家很少在他们需要知道的观点前裹足不前。正如巴罗所说，如果对于多重宇宙的探寻到此为止，那将是保守的多重宇宙观。革命性的多重宇宙观会接纳新观点，这些新观点甚至会超越那些多世界诠释的观点，这些观点以“粒子”物理学的发展为基础。“粒子”物理学的发展表明，即使我们的四维时空，也只不过是多维框架中的某种“局部”特征而已。根据这些猜测，弦就是我们想要之物，而且还有另一种方式可以引发暴涨，或类似暴涨的事情发生。

注解：

[1] 　大爆炸的观点可以追溯到这之前很长时间，但准确的大爆炸模型的建立只有40多年的历史。

[2] 　今天，大爆炸这个术语通常用来指零点后所发生的一切。

[3] 　我的这篇文章发表于1971年8月13日。

[4] 　描述这种力的理论称为大统一理论（Grand Unified Theories），或GUTs。

[5] 　这种快速膨胀的速度似乎比光速还快。这是可以的，因为光速是一切事物在空间中穿梭的最快速度。在暴涨阶段，空间本身也在延伸。

[6] 　俄罗斯宇宙学家斯拉瓦·马克翰维（Slava Mukhanov）首先想到了量子涨落在膨胀的宇宙中会延伸的观点。

[7] 　由于光速是有限的。

[8] 　它甚至可以出现在我们自己宇宙的量子涨落中；但这并不能毁掉我们的存在，这一点我会在第七章中探讨。

[9] 　参见《万有引力三百年》（300 Years of Gravitation ），主编：S．哈金（S．Hawking）和W．伊斯雷尔（W．Israel），剑桥大学出版社，1987年，681页。

[10] 　丽莎·戴森（Lisa Dyson），马修·克莱班（Matthew Kleban）和李奥纳特·苏士侃（Leonard Susskind）。

[11] 　当然，实际上，如果你只是一个赤裸裸的大脑，你的记忆是真实的，但你所记得的事件却从未发生过。

[12] 　《无限的书》（The Infinite Book ），第197页；他标记的重点。

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6
弦理论的多重宇宙

引力备受关注/两种方法加上第三种途径/紧致但完美地形成/M的魔力/重新审视令人难以置信的微弱引力/当世界碰撞时/依靠自身的力量/无底洞/有很多像家一样的地方/探索宇宙景观/薛定谔的猫归来

对物理世界的现代理解认为，我们应该把基本实体，如电子等，看作振动事物的环，即弦，而不是把它们看作微小的球体或数学中的点。有一种方式可以形象地描述弦，即它就像个微小的橡皮筋，以不同的方式振动着，正如在一根吉他弦上你可以弹奏出不同的音符。一个振动——也就是一个“音符”——对应着一个电子，而另一个振动可能对应着一个光子等等。同样的基本实体，一个单一的弦，会引发构成我们世界的各种粒子的出现，包括传递力的粒子，比如光子，以及我们认知的物质粒子。

这恰恰说明了弦理论的魅力所在。它把对所有粒子的描述与自然力有机结合在一起，这仿佛就是人们寻觅已久的万物之理。然而，弦理论并非以这种方式开始的。

20世纪60年代末，任职于欧洲核子研究中心（CERN）的两位物理学家，加布里埃尔·维纳齐亚诺（Gabriel Veneziano）和铃木真彦（Mahiko Suzuki）用数学的方法描述了粒子（如欧洲核子研究中心所研究的光束中的粒子）以高能量相互碰撞时会发生什么事情。他们分别意识到，可以用一个被称为欧拉 β函数的特殊数学表达式来描述该过程。当时，他们并不知道，对于一个很小的世界的物理性质而言，这个数学表达式具有什么深远的意义；它只不过是一个符合需求的、有用的数学运算，并且，19世纪时这个表达式也被人们所了解。但这个消息传到美国后，在不同城市工作的两位年轻的物理学家都意识到，这个数学表达式似乎很好地描述了粒子碰撞时所发生的事情，即两个“弦”环彼此靠近、互相结合并振动了一段时间，继而相互分离，形成两个新的振动弦环。

这两位物理学家，其中一位是就职于芝加哥大学的南部阳一郎（Yoichiro Nambu）。另一位是就职于纽约的叶史瓦大学（Yeshiva University）的李奥纳特·苏士侃（Leonard Susskind）。苏士侃回忆，当时他根本没有致力于粒子物理学的研究，但已经认识到“精细而简单的数学运算”可以解决粒子物理学的问题。他把振动环称为“橡皮筋”，在那两天中，他认为自己是世界上唯一一个知道粒子碰撞如何运行的人。然而不久，他便听说南部阳一郎几乎在同一时间提出了完全相同的观点， [1] 于是，他匆忙把自己的发现诉诸笔墨并将其出版，公之于世。其实，他不必如此枉费心机的急于出版。因为物理学界对于南部和苏士侃提出的早期弦理论几乎置若罔闻。在20世纪70年代，有一种观点特别流行，即“粒子”——如质子和中子等，实际上是由被称为夸克的基本实体的各种组合构成的，似乎并不需要弦。

粒子物理学的标准模型，其基础是把电子、夸克和其他实体看作点状粒子，然而，粒子物理学的标准模型中有一个令人尴尬的特征，如果粒子实际上是以数学中的点的形式存在的，而且其所占的空间大小为零的话（零维），这些理论就会被讨厌的无穷大所困扰。举个简单的例子，让我们想想电力的平方反比定律。两个带电粒子间的力与它们之间距离的平方成反比。如果一个带电粒子的体积为零，那么，作用在粒子自身的力（它的自我作用力）将是无穷大的：因为1除以零的平方是无穷大。因而，诸如电子之类的实体就会发生爆炸。

对于涉及无穷大的理论，物理学家们常常深表怀疑；但是在其他方面，这个标准模型却非常成功，以至于他们要学着接受它。理论学家们寻找各种方式来回避无穷大，但由于无穷大的存在，他们仍然要冒险去思考这些令人不自在的事情。在量子场理论中，摆脱无穷大的一个标准方式，称作重整化，本质上说，就是指用一个无穷大除以另一个无穷大，以便它们互相抵消，而任何一个数学家都会告诉你这种实践方式是不可靠的。从一开始，弦理论最引人注目的特征之一就是它所涉及的实体的尺寸是有限的，因此，零和无穷大永远不会被计算在内。然而，与此同时，弦理论的早期版本同样存在瑕疵，也不适用于所有已知的粒子。于是，对万物之理的探索便聚焦在发展以夸克为基础的对世界的描述方法上，而弦理论则失去了活力，仅有几位数学家在研究它，较为突出的如普林斯顿的约翰·施瓦茨（John Schwarz）和伦敦的迈克尔·格林（Michael Green）。然而，人们意外地发现，弦理论可以描述引力，于是人们又开始重视该理论。 [2]

｜引力备受关注｜

20世纪末，将引力囊括到万物之理中使理论物理学家找到了圣杯。所有其他的力和粒子都可以近乎圆满地包含在大统一理论中，而且大统一理论也体现了夸克观点，但使物理世界的数学描述也包含引力未免有些困难。其中的原因有两点。其一，引力是目前为止最弱小的基本作用力；其二，它具有一些特殊性能，涉及传递引力的粒子本性，即引力子 ——等同于光子电磁引力。

从数学角度来说，与光子相比，引力子之所以难以处理，是因为它们彼此相互作用。而光子与带电粒子（如电子）相互作用，把电力从一个带电粒子传递到另一个，但一个光子不会直接影响另一个光子。引力子把引力从一个物体传递到另一个物体，但一个引力子可以直接影响另一个引力子，这就使事情变得更加复杂。在20世纪70年代，理论学家们无畏艰难，试图找到一种描述引力子行为的方法，来完成他们对量子世界的描述。在量子场理论的大背景下，他们所探寻的，用专业术语来说，就是对无质量的、自旋为2的玻色子的数学描述。为了能够对自然界所有的粒子和所有的力做出一个完整的量子描述，他们必须这样做。

当许多理论学家与该问题作斗争时，几个弦理论学家取得了双突破。首先，他们对弦的基本含义进行重新定义，比南部和苏士侃提出的“橡皮筋”观点涵盖了更多较小的实体。事实上，这些新的弦环是如此之小，以至于它们的振动甚至能够解释潜伏在粒子（如质子和中子）里的所谓的基本实体——夸克的性能。这就意味着，弦理论可以重新创造夸克理论及其派生理论的所有成就，而不受讨厌的无穷大困扰。第二个突破就是其中的一个时刻，“唉，我为什么没有早点想到它呢？”

｜两种方法加上第三种途径｜

理论学家努力尝试重新定义弦理论，使它包含对“粒子”（如夸克）的描述。在此过程中，他们总是注意到公式描述了一种粒子，但这种粒子并不是他们所寻找的，而且这种粒子似乎还妨碍了他们的计算。理论学家试图用他们所了解的各种方法来摆脱它，但都失败了。看起来，如果他们想运用弦理论来描述他们感兴趣的粒子，就必须包括对另一种粒子——一种尤为复杂的粒子的描述。正如你所猜到的，它就是无质量的自旋为2的玻色子。弦理论主动地创造了一个对引力子的数学描述。20世纪80年代中期，施瓦茨和格林取得了一个重大突破。他们提出了一个完整的弦理论。它不受无穷大和其他异常现象的困扰，是万物之理的一个真正候选者。该理论要求引力子存在这一事实，如约翰·施瓦茨所说，是一个“深奥的真理”。在其他量子场理论中，你首先得对所有其他事物进行描述，然后尝试加入引力；创建一个弦理论是不能缺少引力的。从那时起，人们开始重视弦理论。

从两个方面来看引力子，就可以理解连接弦理论和引力子之间的真理是多么的深奥。广义相对论和量子理论是20世纪物理学的两个伟大理论。万物之理的一个方面——的确，它是核心内容——就是它将不得不把这两种伟大的理论结合在一起，从而为引力提供了一种量子描述。爱因斯坦用弯曲的时空来描述引力，自此开始，不可避免地，你需要面对引力辐射 ——时空结构的波纹——的观点。继而，量子理论会告诉你这些波纹与一个粒子有关，即引力子，就像光波与光子紧密相连一样。20世纪60年代，理查德·费曼做了一系列有关引力的讲座 [3] 。在这些讲座中，他清楚地阐明了一点，即如果你从基于无质量的、自旋为2的玻色子的量子场论着手研究，你会一直向上研究到广义相对论中。从量子世界开始研究，弦理论给我们带来了找到万物之理的希望，因为它给理论学家提供了从无质量的、自旋为2的玻色子开始研究的理由。

尽管如此，要想接近万物之理，我们还有第二种方式，即从广义相对论开始研究，努力达到（希望如此）相同的结论，这被称为圈量子引力论。在此，关于圈量子引力论，我不想再多加探讨，因为在探寻多重宇宙的过程中，它并没有什么用处，但有一点值得注意，那就是弦理论并不是唯一的、最好的选择——即使圈量子引力论的主要支持者之一李·施莫林（Lee Smolin）也已经承认：“在可以被理解的语言中，不能再过分强调——量子粒子在时空背景中运行所对应的图解——弦理论是将引力与量子论及其他自然界的力有机统一的、唯一已知的方法。”

事实上，还存在第三种方式：一些勇敢的理论学家试图从基本原理中导出万物之理，他们雄心勃勃地预想，这将为理解相对论和量子物理学带来全新的方式。这是一个大胆的尝试，却不是我们此处所要探讨的内容。

从20世纪80年代起，更多的物理学家开始重视弦理论，他们必须要面对描述量子世界过程中的奇异之处。我们认知的是四维世界——三维空间加上一维时间。但在有关弦这一主题上的每一个变化中，只有当弦占据更多维度的世界时（总计至少11维——10维空间加上1维时间），方程式才能成立。乍一看，这的确让人很震惊，但其实它并没有什么新奇之处。通过调动额外维度来统一自然界的力这一想法，要追溯到20世纪20年代，恰恰是在发现广义相对论之后，而且从那时起，便出现了一种可以隐藏不可见的、额外维度的标准方式。它被称作“紧化 ”。

｜紧致但完美地形成｜

在20世纪20年代，就在爱因斯坦提出广义相对论的时候，物理学家认为自然界中的力只有两种——引力和电磁。广义相对论非常成功，所以，一些人自然而然就会尝试将爱因斯坦解释引力的方法应用于电磁。哥尼斯堡大学的初级研究员西奥多·卡鲁扎（Theodor Kaluza），做过这种尝试并取得了巨大的成功。他的创新思想萌芽于1919年初，但直到1921年才正式发表；五年后，瑞典物理学家奥斯卡·克莱恩（Oskar Klein）对其加以完善，完整版本就是我们现在所熟知的“卡鲁扎-克莱恩理论 ”。

在1919年，没有人会去寻找描述电磁的新方法，因为19世纪已经存在一套完美的方程组——麦克斯韦方程组，它是以发现者苏格兰人詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的名字命名的，它为我们提供了一套关于所有相互作用（包括电力、电磁）的完整描述。后来，考虑到量子效应，该方程组做了修改，进而创造出更为成功的量子电动力学理论， [4] 但若在计算中忽略量子效应，在1919年便出现了一个由麦克斯韦提出的完美而“经典”的电磁理论，和一个由爱因斯坦提出的完美而“经典”的引力理论。卡鲁扎只是以数学家的方式，并结合新发现，对爱因斯坦的方程式做出了修改。爱因斯坦的方程式在扭曲的四维时空中描述引力。而卡鲁扎在五维中写下等价方程式，来观察它们会是什么样子的。在真相揭开的时刻，卡鲁扎发现它们看上去像是广义相对论的场方程加上另一套数学上等同于麦克斯韦方程组的场方程。

如果引力可以被描述为四维时空里的波纹，那么电磁就可以被描述为五维时空中的波纹。卡鲁扎一举将物理学界的两大经典理论统一在一个数学领域里。连爱因斯坦也为之震撼。他写信给卡鲁扎说：“我非常喜欢你的理论。”在与卡鲁扎讨论了一些细节之后，他把该思想推荐发表在柏林科学院论文集中。

即使有爱因斯坦的大力支持，最初的卡鲁扎-克莱恩理论却并不流行，原因有以下两点。第一，物理学家们开始发现更多的粒子和自然力，他们相互作用的方式比电磁的交互方式更为复杂，因此该理论不再是一个万物之理，而“仅仅”是一个有关引力和电磁的理论而已。第二，人们对该理论所需的空间额外维度感到困惑。这个神秘的第五维度在哪里呢？

事实上，这个问题有一个完美而直截了当的答案，但这个答案并不是许多物理学家在几十年里所追随的卡鲁扎观点。额外维度会卷缩得很小或者紧化，因此我们根本看不到。

我们通常拿吸管来打比方。如果你拿起一个普通的吸管，像用望远镜一样向里面看去，就会很容易地发现它是由一个二维的平板 [5] 环绕第三维形成的一个空心管。但如果你把同一个吸管放在地面上，然后从远处看它，你所看到的就是一条线，就像从远处所看到的一个一维物体。在“线”上的每一“点”都是一个小圆圈，它太小了，所以我们看不到。在原始的卡鲁扎-克莱恩理论中，每个空间的“点”都是一个小环，直径不超过10-32 厘米，朝着一个方向弯曲，既不是上-下、左-右，也不是前-后；它是空间的第四维度，或者是时空的第五维度。

20世纪20年代初，可能只有数学物理学家才会接受这种观点。但随着更多的粒子和力被发现，对额外维度的需求也随之增加了。最终结果表明，为了描述所有的粒子和自然力，卡鲁扎-克莱恩理论的现代版本需要至少十一个维度——十维空间加一维时间。这就意味着在量子尺度中，至少七个空间维度必须要蜷缩或紧化，从而留下四个我们熟悉的维度作为事件在大规模尺度上发展的进程。几十年过去了，一些有数学倾向的物理学家在追随卡鲁扎-克莱恩理论时倍感困惑；但当弦理论也要求弦振动需要至少十一个维度时，事情发生了改观。紧化成为万物之理新候选者的一个主要组成部分，这一思想在20世纪90年代出现，并于21世纪早期得以发展。

｜M的魔力｜

尽管弦理论很成功，但是它最让人担忧的一面，就是该理论没有独特的版本。的确，万物之理有很多关于弦方面的候选者。确切地讲，到20世纪90年代为止，理论学家已经提出了五个不同的弦理论版本，其中的每一个都具有数学意义，看起来都像万物之理合适的候选者，都包括六个紧化维度加上我们所熟悉的四维时空。此外，还存在一个第六理论，被称为超引力，它也需要十一个维度。但值得高兴的是，我们可以证明这些是唯一可行的弦模型——可能还有其他有关弦的数学表达式，但它们都会受到无穷大和重整化问题的困扰。

但这只是一个小小的安慰。过多的弦理论与过少的弦理论一样令人为难。正如约翰·巴罗所说：“你等了近一个世纪，期待着一个万物之理的到来，突然间，五个一起来临了。”最理想的情况就是其中一个候选者会比其他几个更为出色。但在1995年，爱德华·威腾（Ed Written）于普林斯顿得出了相反的结论。他说，这些理论（包括十一维超引力）不分伯仲，因为他们都是相同事物的一部分。他展示了将六个模型中的一个转化为另一个的方法，这就意味着他们都是某个基本理论的不同方面，而这个基本理论就是真正的万物之理。这就好比电力和磁力看起来像两个独立的力，但实际上，他们都是电磁的不同方面。我们再换一种方式来看这个问题。设想在航海时代，五个不同的欧洲探险队分别发现了阿拉斯加、佛罗里达、巴拿马、巴西和火地岛，当时欧洲的每个人都认为它们是五个独立的岛屿，并没有意识到它们都是一块大陆的一部分。

除此之外，这一发现，即所有这些模型都是一个基本理论的不同方面，意味着弦模型，就像超引力一样，事实上需要十维空间加上一维时间。但这次，“额外”维度——第十一维度——可能不会被紧化。它可能非常大，但却位于一个空间维度中（不要与时间维度混淆），并与其他熟悉的空间维度成直角。如果我们把整个宇宙描绘成一个铺在桌子上的二维平板纸，那么这个额外维度会与纸张表面成直角，并在第三维中向上延伸。

这一切对弦理论产生了深远的影响。我们要从振动片或振动膜（就像鼓皮一样）的角度来思考，而不是从振动弦的角度考虑。膜，严格地说，是一个二维的片。在数学语言中，一个点是0-膜，一条线（或一个弦）是1-膜，一个片是2-膜，尽管他们都难以想象，在高维中，却有一些相同的结构，被称为3-膜，4-膜等等。他们一般作为“p -膜 ”被提及，其中的p 可以是任何数字。威腾把整套的想法称为“M-理论 ”，但从未提及“M”代表什么，许多人乐于把它看做是“膜”的缩写。

正是因为紧化——一种特别简单的紧化，使膜看起来很像弦。我们现在应该想到的是一条有限宽度的缎带（事实上，就像一条用弹性材料做的橡皮筋），而不是一根由单维线状物组成的弦。如果橡皮筋的宽度所对应的维度收缩直至太小而看不见了，那么带状物看起来就会像一根弦，即使它仍然是一条真正的缎带。

M-理论是万物之理的最佳候选者。在许多方面，它为探寻多重宇宙提供了新的见解。其中最为突出的一点就是它描述了一幅画面——整个宇宙就好比一张铺在桌子上的二维平板纸，额外维度与纸张表面成直角，在第三维中向上延伸。毫无疑问，在第一张纸的上面不会有另一张纸，在另外一张纸的上面也是如此——或者大量的三维宇宙在第十一维度中彼此分离。有一种观点认为大量的泡泡宇宙因三维空间的广阔距离而彼此分开，与此相对的另一种观点则认为“相邻的宇宙 ”因第十一维度中的微小距离而与我们分离。我一会儿再来谈这个问题。但M-理论也暗示了不同的宇宙大爆炸将如何按时间顺序接踵而至，而一个宇宙的诞生，正如凤凰涅槃般，从前世的废墟中重生。令人难以置信的微弱的引力以及无穷大的弦的存在是M-理论必须要应对的问题。

｜重新审视令人难以置信的微弱引力｜

与自然界的其他力相比，你很难理解引力到底有多么微弱。这一点很重要，那么在看“凤凰宇宙” [6] 概念之前，我们有必要从略有不同的角度重新审视第二章所提到的一些观点。我们习惯于把引力看作日常生活中的一种强作用力，它使我们待在地球表面并使我们有了体重。但这需要花费整个地球全部质量所产生的引力，才能使你待在地表，或者，如艾萨克·牛顿所发现的，才能使苹果从树上落下来。即使一个小孩子也可以摘下一个苹果放在地上，手臂的肌肉力量也就战胜了地球的引力。肌肉的力从本质上来说就是电磁力的一个方面，它大大强于引力。

在日常生活中，我们并没有意识到引力有多么微弱，因为它有两个重要的特性。首先，它是远程的——一个物体拖拽另一个物体的引力逐渐减少，减少的量与两个物体间距离的平方成反比（平方反比定律），尽管它很微弱，但却无限地延伸。因此，地球使我们待在其表面，太阳使行星沿着轨道围绕着它转动，而太阳受银河系所有物质的引力影响，沿着银河中心在其轨道中运行。其次，正如这些例子所强调的，引力只有一种，而且物质越多，引力越大。电力，像磁力一样，分为两种——正电荷和负电荷，北极点和南极点——他们彼此可以互相抵消。因此，比如，尽管你的体内有大量的负电荷（以电子的形式存在）和大量的正电荷（以质子的形式存在），但从电力学方面来说，你的体内并没有电荷，你也不会被身边的人吸引或排斥。 [7] 另外两个力——粒子交互中的强、弱力，都是近程的，不会直接影响规模大于原子核的任何事物。

为了弄清楚引力到底有多么微弱，我们必须在同类事物中作比较，而且要考虑原子核中的粒子通过四个不同的力而相互影响的强烈程度。如果强作用力的强度被定义为1，那么在相同单位中电磁的强度就是1/137，大约为10-2 ，而弱作用力的强度则为10-13 ，或是强作用力强度的十万亿分之一。但引力的强度仅为10-38 。即使是目前为止最弱的力，也为1025 ，或是引力强度的10 000 000 000万亿倍。原因也许在于弦与膜连接的方式（或者并没有与膜连接）。

一位数学家提出了另一种观点，但最初他研究这些方程式只是出于好玩。他就是工作在加利福尼亚大学圣芭芭拉分校的乔·普金斯基（Joe Polchinski）。在20世纪90年代中期，他对无限制的弦很感兴趣。尽管最初的橡皮筋观点认为弦是环状的，但弦理论也允许另一种弦的存在，即有末端的弦，乍一看，弦末端所发生的事物也并不明显。普金斯基认为弦的末端可能附着在一个表面上，但它可以在该表面上自由滑动。这个表面可能是一种膜， [8] 如果这个膜有三个维度，那么附着在其表面的振动弦的数学运算就可以用来描述“粒子”的特性——尤其是传递自然力的粒子。当然，数学家所提到的“在三维膜上”滑动，就等同于我们所理解的“在三维空间里”移动。

起初，这只不过是出于好奇。但在威腾提出M-理论后，它很快被众人接受。该理论认为我们的可见宇宙可能是漂浮在高维中的3-膜（3-brane），伴随着粒子（如光子和电子），弦与膜连接，并在其表面（或内部）滑行。数学运算描述了粒子交互的方式——例如，在1994年普金斯基展示了D-膜可能是电和磁场的来源。但是也存在例外。引力子仅仅以弦环的方式存在，而且无法与膜连接。若使它们与附着在膜上的粒子相互作用，唯一的方法就是使引力子从一个物体中移出，进入空间的额外维度，然后移回，进入3-膜中，与另一个物体相遇。但一些引力子可能无法返回。引力会因此而从膜中泄漏，引力的强度也随之减弱。

如果允许引力子飞行的额外维度是无穷大的，引力可能会完全泄漏，继而导致宇宙中的万物都不能凝聚在一起。但如果适当的额外维度以最简单的方式紧致——仅仅是被缩小而已，那么就会有一部分有限的可用空间与我们熟悉的三个空间维度成直角，而引力子也就不会走远。如果额外维度过小，那将很难辨别引力子是否真正离开了3-膜，而引力的强度将会恰到好处地解释它与世界上其他自然力的关系。为什么要用这个特殊的方式把它紧化呢？因为紧化空间的方式有很多，正如我将稍后讨论的，但这些方式所产生的引力或者太弱或者太强，都不能允许恒星、行星和人类的存在。如第二章中所讨论的，只有自然界的各种力彼此平衡，我们才能够存活于这个宇宙中来意识到这一切。

此外，还有一个额外的收获。如果引力子能从我们的宇宙中泄漏出去，那么它们也能漏进来——因此，在大型强子对撞机中有可能被探测到的其他有趣的粒子也能漏进来，但这是另一回事了。许多三维膜世界能够并排地出现在高维空间，正如我书桌上的一摞纸。在第十一维度中，相邻的宇宙可能微观上离我们很近，近得足以让一些引力子漏入我们的宇宙并影响事物变化的方式。这种影响就如同我们的宇宙包含着看不见的暗物质，正拖拽着可见的恒星和星系。而暗物质就是宇宙学标准模型中的基本要素之一。这一基本要素就是宇宙大爆炸——而膜也可以对此做出解释。

｜当世界碰撞时｜

膜在高维空间中漂浮，正如一个二维的膜或片在三维空间中移动。在高维中，膜（整个宇宙）并不像一摞纸一样被堆放在一起，它正如三维空间中的实物，可以移动并彼此碰撞，或者相互围绕着按轨道运行，就像月球围绕着地球运行，或行星围绕着太阳运行一样。与静置在书桌上的一摞纸相比，更好的比喻应该是同样一摞纸在狂风中被吹得四处乱飞的凌乱景象。尽管我们不能直接探测到空间的额外维度，但一些场确实存在，它们会受高维空间的几何体和临近最近膜的影响。终有一日，我们会探测到这一切。同时，物理学家一直在寻找这些场驱动暴涨的方式。

把两个膜推到一起需要耗费能量，正如把两个正电荷的原子核推到一起也需要耗费能量一样。但如果这些膜在高速中一起粉碎，那么它们的动能就会转化为其他形式，就像一个很重的原子核被高速运行的粒子撞击后发生裂变释放出核能一样。在20世纪90年代末，纽约大学的德瓦利（Georgi Dvali）和康奈尔大学的戴自海（Henry Tye）提出，在膜之间的正面相撞中，部分动能会转化为引发暴涨所需的能量。最终的结果表明该能量太少，并不能达到理想的效果，但探索并没有就此结束。

2001年，一大群研究员在思考另一种从膜碰撞中获取能量的方式时，取得了一个突破性的进展。正如与物质粒子和反物质粒子湮灭时释放的能量相比，原子能便显得无足轻重了——根据爱因斯坦的著名公式，在这样的碰撞中，所有的质量都转化为能量——因此，他们推断，如果一个膜遇到一个反膜并湮灭，所释放的能量会远远超出普通的膜-膜碰撞而产生的能量。公式允许膜和反膜的存在，就像电子被它的反物质对映体——正电子所吸引，膜也被反膜所吸引，以确保当它们彼此靠近时，确实会碰撞并湮灭。

这看起来似乎并没有太大的用处，因为不会有什么东西留下来以供暴涨。但在膜-反膜湮灭中释放了大量的能量，以至于有一些会溢出，进入到附近的膜中，从而为暴涨提供充裕的能量。这是一个额外的收获。这个湮灭的过程自然会产生各种各样的维度相对较少的宇宙，就像我们的宇宙一样。比如，如果7-膜与它的对映体湮灭，实际上它们并没有一次性完全转化为能量。在此过程中，大量的能量被释放出来，同时产生以5-膜和它的反膜形式出现的碎片。这些碎片依次毁灭，留下以3-膜及其反膜的形式存在的痕迹。3-膜毁灭转变成1-膜，而只有当1-膜毁灭时，一切才会全部转化为能量。巨大的膜（即具有多个维度的膜），就像我们的宇宙，在高维空间中分布得更为稀疏，并且可以在被破坏之前停留很长时间。这是一个貌似真实的理由去解释为什么我们所居住的三维宇宙是如此的普通。

另一方面，这种观点还存在某些不尽如人意之处，因为它似乎暗示了多重宇宙是一次性从早期少量的高维宇宙到后来大量的低维宇宙演化而来的。这与独一无二的宇宙大爆炸的观点一样令人不安，因为宇宙大爆炸碰巧创造了适合生命存在的条件。如果我们能去除公式中的时间，这个观点将会更为令人满意。有一种方式可以做到这一点，该方式与前一章所描述的无穷大的德西特宇宙中的永恒暴涨相呼应，但是这种方式中并没有暴涨。

｜依靠自身的力量｜

这种观点的主要倡导者是普林斯顿大学的保罗·斯泰恩哈特（Paul Steinhardt）和剑桥大学的图罗克（Neil Turok），但图罗克现在就职于安大略省的周界研究所（the Perimeter Institute）。在1999年，他们都参加了剑桥召开的一次学术会议。会上，宾夕法尼亚大学的伯特·欧鲁特（Burt Ovrut）发表了演讲。他概述了一种观点，即三维膜世界沿着第十一维度（如果你接受M-理论的话）移动，并被一些微小的实体所分离，这些微小的实体恰恰处于与三维空间成直角的方向上。当时，斯泰恩哈特和图罗克都没有注意到德瓦利和戴自海有关膜碰撞的早期研究成果。他们起初坐在会议室的两侧，但在座谈之后，便聚在欧鲁特的周围，彼此都持有相同的看法。现在他们也记不清楚是谁最先提出的这个想法，但都清晰地记得他们中的一个人脱口而出，“这些世界能够沿着额外维度向前移动吗？如果是这样的话，莫非大爆炸只不过是这两个世界间的一次碰撞？”这在他们的著作《无尽宇宙》（Endless Universe ）中有过描述，一个长期而颇有成就的合作就这样开始了。

这项工作仍在进行之中，但到目前为止，这一探索过程在循环宇宙的观点上产生了有趣的变化。因为模型是循环的，我们可以从该循环中任何一处开始描述它，因此我也可以从引发宇宙大爆炸的事件开始描述。根据斯泰恩哈特和图罗克的观点，当两个光滑、平坦又空旷的3-膜聚在一起并碰撞时，宇宙大爆炸就会发生。每个膜可能就像我们的宇宙一样，是一个完整的三维宇宙，还有六个额外紧化维度和时间维度，它最初因第十一维度中的微小距离而彼此分离。最初，它们沿着第十一维度慢慢移动，继而被一股弹簧状的力拽在一起，当它们彼此靠近时，便开始加速，最终它们伴随着巨大的冲击力而相互碰撞，使两个世界都达到极端温度。尽管如此，至关重要的是，这个模型并不需要足够大的能量输入来引发暴涨。相反，温度“仅仅”为1020开尔文，温度之高足以能够解释我们世界中的粒子是如何从辐射能中制造出来的，以及炙热的火球是如何冷却下来从而产生原子和背景辐射的。非但不是无穷大，所涉及的能量还要远远低于在普朗克尺度上与事件有关的能量，因此，在早期的宇宙模型中并没有涉及奇点。

针对成长为星系的不规则现象如何开始的问题，斯泰恩哈特和图罗克也给出了简明扼要的解释。正如在暴涨模型中一样，这要视量子涨落的情况而定。正是因为量子涨落，时空不可能保持完全的平坦和空旷，而在量子尺度上，两个相撞的膜也会随机不可避免地卷曲。因而，两个膜不会同时准确无误地结合在一起。它们会在十一维中突出的部分首先碰撞，这些区域也将会最早变热。两个膜碰撞之后，便反弹分离，但在每一个膜中，尽管处处温度都很高，但某些区域的温度会比其他区域的温度略高一些。整个碰撞和反弹的过程可能会长达几十亿年之久，而不像暴涨瞬间便从平坦的时空中制造出宇宙，但因为两者中造成这些不规则性的根本原因都是量子涨落，所以在膜碰撞模型中最终产生的不规则模型与暴涨产生的模型是完全相同的——这就意味着它与卫星的微波检测器，如威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）， [9] 观测到的模型是完全相同的。这个模型可能与每个宇宙上的模型都相同，因为热点是他们最早彼此接触到的点。因此一个宇宙的物质团会与相邻宇宙的物质团相匹配。当膜移动分离时，由于弹簧状力量的存在，他们彼此之间距离很近，近得足以对彼此发挥强大的引力作用，就像自由飞翔的引力子缩短了距离一般。在这幅画面中，暗物质是相邻宇宙中的物质，而相邻宇宙与我们之间的距离要比跨越一个原子的距离近得多。

因此，碰撞和反弹的膜可以从大爆炸中产生一个宇宙，该宇宙与我们自己的宇宙真的是难以区别。将两个膜连在一起的弹簧状力量与暗能量有关，因此，与暴涨理论不同的是，反弹模型 [10] 需要（不仅仅是允许）暗能量存在于我们的宇宙中。正如早期在暗能量模型描述的那样，我们生活在宇宙的一个有趣的阶段，此时暗能量正在开始称霸扩张。久而久之，宇宙将扩张得越来越快，而物质将蔓延得越发稀疏，直到时空变得完全平坦（除了量子涨落外）、完全空旷，在与今天整个可见宇宙的尺度相同的空间中，甚至没有一个电子。它将变成一个不断扩大的德西特空间。

同时，另一个膜世界，在碰撞中反弹离开了我们的世界，也正以相同的方式经历着它自身的扩张和稀释过程。但尽管两个世界沿着第十一维度移动分离，但它们仍被弹性力量拽在一起，最终又彼此靠拢。这个过程需要很长时间——斯泰恩哈特和图罗克认为需要“数万亿”年的时间，其中一万亿即一百万的一百万倍，或1012 。即“仅仅”比自宇宙大爆炸至今所流逝的时间长一百倍，它一旦开始，便显示出失控的、按指数膨胀的能量。最终，膜彼此聚集在一起，然后整个过程再次重复。像凤凰一样，一个新的宇宙（或是两个）是从旧宇宙的废墟中诞生的。宇宙似乎是自己（重新）创造了自己，依靠自己而存在，并提供了一个宇宙的无限循环，其中自然常量在每一次的循环中都有所不同，因此，我们仅仅居住在一个适合生存的特殊的泡泡中。但推动每一次宇宙大爆炸的能量来自哪里呢？这一切与我们关于熵的观点又如何保持一致呢？所有的一切都再次归结于引力。

｜无底洞｜

每当两个膜结合在一起时，一些运动的动能就会沿着第十一维度转化为辐射和物质。归根结底，这种能量来源于两个膜之间的引力，引力帮助弹性力量将它们结合在一起。日常经验告诉我们，如果是那样的话，两个膜之间反弹的强度会在多次反复后逐渐减少，正如一个球从高空掉到一个坚硬的表面，它每一次碰到地面，反弹的强度也随之变得越来越小。似乎两个膜之间间隔距离的最大值也同样会在每一次的反复中变得越来越小。但这并没有考虑到引力的负性。

引力不仅仅是负性的——它还是个无底洞。负性的数量是没有限度的，因此能量最低能下降到何种程度也是没有限度的。这与温度截然不同。事物有多冷是有一个限度的。因为我们选择设置零度为冰点，最低温度则以负数形式出现，-273.15℃。但我们可以选择温标中任何一点作为我们的零，在开氏温标中，最低温度被设置为零（0K），因而所有温度都是正数，而冰在+273.15K融化。对于引力，你却不能这么做，因为你没有一个最低的引力能量点来测量。鉴于此，我们甚至也不可能辨别出每个反弹中的能量是否少于上一次的反弹能量。大体上，在两个膜的最接近点，只有温度、物质密度和暴涨率可以被检测出来。斯泰恩哈特和图罗克的计算表明，这些特性从一个反弹到下一个反弹都精确地重复着。这个过程确实是循环的。

这个模型同样解决了出现在反弹模型中的熵的问题，它涉及宇宙扩张的逆转。在凤凰模型 [11] 的三维空间中，扩张从未逆转，因而这些问题并没有出现。也不存在“宇宙大坍缩论”。该理论认为，物质是集中的，在循环中早期建立的熵会阻止反弹成为先前宇宙大爆炸的镜像。在凤凰模型中，当宇宙扩张远离每一次的大爆炸时，熵按照平时的方式增加，但空间的极限拉伸与暗能量相结合，产生了大量熵的额外空间，从而使熵的密度保持在较低水平。即使当两个膜沿着第十一维结合，并与旧循环模型中的收缩阶段等值时，三维空间仍然在扩张。它的扩张从未停止过。直到碰撞发生，并且更多的物质和辐射能被倾倒在宇宙中时，熵的密度就变得微乎其微，而整个过程又会重复。无限的负性引力和无限的扩张空间为无限而连续的大爆炸提供了背景。这个模型适时地给我们提供了无限而多样的宇宙——宇宙大爆炸所产生的任何事物，而非无限而多样的跨越空间的宇宙。斯泰恩哈特和图罗克强调，就空间而言，每一个循环，都是相同的事物，但又存在些许的变化。

｜有很多像家一样的地方｜

尽管在很多方面，凤凰模型创造的宇宙与暴涨产生的宇宙没有什么区别，但两个观点还是存在一些差异的，其中之一可能会辨别出我们住在哪种宇宙之中。从概念上来看，两种观点几乎是彼此对立的。暴涨观点认为，一个类似于我们的宇宙，即使从内部看起来是无穷大的，但实际上，它是从相似的宇宙泡泡中，被暴涨空间的扩张所分离出来的罕见的泡泡。可能会有无穷多的此类泡泡存在，而且关于暴涨会引发什么这一主题，这些泡泡会提供每一种可能的变化，但他们绝不是彼此“相邻的”，而且也没有理由认为随机选择的任何一个泡泡都会与我们的泡泡相似。大多数多重宇宙都不同于我们的家园。

而有关凤凰模型的观点则认为，在每个循环中各处都大致相同——局部的宇宙就代表着整体的宇宙。整个无限宇宙包括星体和星系，它们分布的方式与相邻宇宙中星系的分布方式相同，居住在无限宇宙中任何星球的任何地方的生物也都会观察太空，并看到我们所能观测到的相同事物。任何地方都像我们的家园一样，即使与堪萨斯州有些不同。

这并不是我们希望通过观察所检测到的事物，因为在任何一种情况下，即使用最好的望远镜，我们所能看到的最大空间区域与我们已经观察到的空间区域也几乎相同。但有一个方法可以使两个模型做出不同的、可检测的预测。根据暴涨理论，宇宙诞生时的极端环境会产生强烈的引力辐射，同时产生在宇宙微波背景辐射中留下印记的空间结构波纹。当今有关辐射的观测效果真的是微乎其微，但它可能会被欧洲普朗克卫星携带的设备检测出来。该卫星于2009年发射，目前正在分析背景辐射。另一方面，凤凰模型比暴涨更为温和，也不像暴涨那样极端，它明确地指出，背景辐射中的引力波不应该有印记。

如果普朗克没有发现预测效果，那么我们就不能证明凤凰模型是正确的，因为在一个较低的水平仍会有波纹存在。但如果普朗克卫星的确发现了引力波的痕迹，那将证明凤凰模型绝对是错误的。

斯泰恩哈特和图罗克喜欢他们模型的简单明了之处：

驱动循环的潜在机制很温和而且可以自动调节。两个膜在中等速度时发生碰撞（该速度远低于光速）。暗能量密度常常很低，而广阔无边的暴涨宇宙在高能状态下产生，其中并没有能量流失。相反，暗能量充当了减震器的角色，它使循环保持在控制之中，并抑制随机涨落的影响，因而常规、定期的进化会正常进展。

他们举了一个很好的实例，但这并没有使我信服；我认为普朗克或其思想的继承者之一会在早期宇宙中发现正在运行的引力波的痕迹。凤凰模型极具吸引力，但也有一个很大的缺陷。为什么会在两个膜之间停止呢？如果这两个膜被锁在一个永恒的包围中，那么在十一维空间中还会发生什么？M-理论最令人兴奋之处，就在于它对可能的世界提供了无限的选择，而不像一对枯燥乏味的钹重复击打着同一首老歌，这也正是我们重视多重宇宙观点的最令人信服的理由。苏士侃把M-理论提供的多样化称为“宇宙景观 ”，目前它是宇宙学领域中最热门的话题。在景观中甚至也有循环宇宙的空间，它是我们存在之谜的众多解决方案之一，但不是唯一的解答。

｜探索宇宙景观｜

之所以存在这么多的选择，是因为尽管确实只有五种不同的弦理论，而且都包含在单一的M-理论中，但空间可以通过大量令人难以置信的方式在其中的任何一个理论中被紧化。一个紧化等同于一个不同的宇宙。紧化的细节决定着力的强度和自然常数的尺度，这些我们已经在第二章中探讨过，此外，它也决定着电子的电荷，及存在于特定宇宙中的类电子粒子的数量。在我们的世界中，只存在一种电子和三种夸克；但若出现一个不同的紧化，那么相应地就会出现一个包括三种电子和五种夸克的世界。

当你记起有六个空间维度会被紧化（的确在一些宇宙中，十个空间维度约有六个会被紧化），而且每个维度都能以多种方式卷起时，选择多样化的原因就会清晰地呈现在你的面前。马克斯·泰格马克将其分类为“第四层”多重宇宙（Type IV Multiverse）。最简单的例子就是，一个维度可能会卷曲成一个微小的球形结构。但空间也可能卷曲成一个螺绕环，或者像两个圆环连在一起而组成的8字结构等等。如果是六个维度的话，情况就会更加复杂，也将更难以形象化，但所有的可能性都可以从数学角度来描述；它们被称为卡拉比 -丘形流。丘形流中的洞，等同于许多圆环并排连在一起组成的洞，它很重要，因为场可以穿过洞，缠绕在圆环上，或高维空间的对等结构上。

我们都比较熟悉磁“力线”的观点，当铁屑撒落在条形磁铁上方的纸上，磁“力线”的作用就会显露出来。对于磁力和其他场，这种磁力线会环绕高维“圆环体”并穿过洞。但以此方式，一个场环绕的频度是有限的，因为洞里的场力线产生了一种向外的压力，如果这个压力足够大的话，就会使洞扩张，从而减少空间的紧化。场交互作用和卷曲的维度会产生一种具有特殊组态的能量，即真空能量。这是理解我们在宇宙景观中所处位置的关键所在。

20世纪90年代末，当物理学家首次开始考虑这一切对宇宙论的暗示时，他们遇到了难题，即为什么我们这个特定的宇宙会从许多可能性中脱颖而出，而这些可能性都遵从M-理论。有些人受到一个观点的诱惑，即如果许多不同的组态都存在于多重宇宙中，那么人择原理的一种形式可能正在起作用；但那会需要大量的组态使类似于我们的宇宙有可能存在，而首先并没有人知道这是否遵循了该理论。2000年，当时在斯坦福大学工作的拉斐尔·布索和乔·普金斯基从一个更为可信的角度提出，在罕见的情况下，量子涨落会允许空间区域从一个紧化组态跳到另一个之中。实际上，这会创造出新的泡泡宇宙，它们从自身的大爆炸中产生，按照自己的方式扩张，遵循自己的物理定律，又被“旧”组态的扩张空间区域所分离，从而形成了一个与永恒暴涨中的泡泡宇宙相似的模型。泡泡之中还会有泡泡，没有起点也没有终点。

该观点并没有很快被众人所接受，但在2003年，一个叫做KKLT [12] 的小组提出了一个关于宇宙总数的现实估算方法，它遵循十维空间中一些维度的紧化。小组成员发现，紧化的空间大概能容纳高达500个洞的“圆环体”，但不会多于这个数字了。他们还发现每个洞只能被一些力线穿过，当然力线数量不多于9个。选择9作为最大数值，每个洞就有了10种可能性（0，1，2…8，9），那么500个洞就意味着真空组态的最大数值为10500 。相比之下，在整个可见宇宙中仅有1080 的原子。10500 ，这个庞大的数量，并不是无穷大的，但它庞大得足以使一些事情变得完全有可能，即如果所有这些组态都存在于多重宇宙中，其中一些会与我们的宇宙非常相似。 [13]

苏士侃成为这个观点的狂热支持者，不同的宇宙有不同的紧致组态和能量，他把这样的多重宇宙称作宇宙景观。自2003年以后，这个观点以此名称而被广为流传。力图正确看待这个令人难以置信的数字——10500 ，苏士侃指出如果你把一系列的圆点（普朗克长度除外），放置在整个可见宇宙的直径上，那么在线上仅仅只有1060 个点。不久他便放弃了。“10500 这个数字是如此的庞大，以至于我想不出能够用图表来呈现这么多点的任何一个方式。”但这又能如何呢？体积的增长正如立方体的半径，因此即使你通过这种方式用点填满可见宇宙，那也只不过是其中10180 之多。你需要10320 个宇宙，就像我们可见宇宙包含10500 个“普朗克点 ”一样。那就是宇宙景观中变异的数量。这个非同寻常的数字并不能标志此次探索的结束。它并不意味着在多重宇宙中“仅仅”有10500 个不同的宇宙，而是指有10500 种不同的宇宙。此外还有很多丘形流的复制品，具有相同的物理定律，每一个都从自身的“大爆炸”中以自己的方式发展，其中的含义我们将在以后讨论。

即使如此，宇宙景观也并不等同于一个平滑、连续的表面。要想完全填补这个表面，我们需要无穷多的点。你能够看到的图像更像是一幅点彩画。从远处看，景观像平缓起伏的丘陵和山谷，可能偶尔伴有高耸的山峰和深深的峡谷，但靠近观察，你会发现它是由无数个几乎彼此接触的小圆点组成的——实际上，这不同于有限数量的原子组成一张连续而平滑的纸的方式。

但并不是景观中所有的点都相等。至关重要的是，并不是所有的点都具有相同的能量。景观思想常作为将某种变量特性和常用能源形象化的一种方式而用于科学领域。苏士侃说过，他是从其在化学领域中的应用了解这种观点的，而该化学领域又与大分子能量有关。一个分子包含了成千上万个不同的原子，原则上，相同的原子以不同的方式排列，并可以通过许多不同的方法组合在一起。主题的每一个变异都有它自己的能量，而可能性的范畴也可以用形象的方式来呈现，正如起伏的山丘景观对应着更高的能量组态，而山谷则对应着较低的能量组态。这使得化学家们能够去思考一个特殊组态的稳定性——如果它位于山顶，那么任何干扰都有可能使原子重新组合为能量较低的组态，继而滚落到山谷。但如果该组态已经在低谷了，它就会很稳定，不可能改变它的外形。

在宇宙景观中，山丘和山谷分别对应着每一个紧致组态的真空能量。该观点指出，当量子涨落产生一个“新”组态时，它就会随机地这样做。如果新空间在山谷之中，那当然很好。它停留在山谷之中，有一套特殊的物理定律，并在自己运行着。但新组态如果在山顶，或被高挂在山谷的一侧，它就会滚落到最低点，在进入稳定状态之前，释放能量。这一释放能量的滚动，恰好是我们所熟知的暴涨。 [14] 能量驱动宇宙大爆炸发生，而在低谷中的真空能量的低能级正是暗能量（宇宙常数），它最终促使特殊宇宙加速扩张，并提供大量的新空间，在这些新空间中罕见的量子涨落可以产生新的宇宙。“所有已知的宇宙论，”苏士侃说，“都发生在从一个宇宙常数的值滚动到另一个更小值的过程中。”

设想有一个该景观的桌面模型，有山丘也有山谷，然后我们在其表面滚动一个弹球，最终弹球会落在山谷，而不是山顶。像我们的宇宙一样稳定的宇宙，一定有微小的宇宙常数的数值。但为什么我们这个特殊的宇宙会被挑选出来呢？如果你在景观中仅仅滚动一个弹球，这就不太可能。但如果你同时滚动许多弹球，或者一个接一个不断地滚动多个弹球，那么所有的山谷都会被填满。弦景观上的每一点对应着一个有自己特定的物理定律的特殊紧化。但根据布索和普金斯基的观点，在“最有效点”，约有10380 个真空状态，与我们相似的宇宙可以存在其中。尽管我们只能存在于这样一个宇宙中，但这足以满足人类宇宙学的需求。弦理论为多重宇宙的存在提供了一个自然的理由，而永恒暴涨则提供了一个自然过程去占领多重宇宙景观中的每一个可能的山谷。物理定律取决于宇宙景观中一个宇宙所处的位置，而宇宙学家则开玩笑地说，在这幅画面中，我们所了解的物理定律可能只是局部的法则。

｜薛定谔的猫归来｜

（到目前为止）宇宙景观的故事尚未结束。分布于弦景观之中的宇宙的数量是如此之大，以至于不同宇宙之间的区别常常并不明显。例如，在景观中有一个宇宙，它的定律与我们宇宙的定律几乎一模一样，但电子的质量会多一点（或少一点）。当然，也有许多与我们宇宙完全不同的宇宙。但目前在亚利桑那州立大学工作的宇宙学家保罗·戴维斯（Paul Davies）说：“你可以去设想一个宇宙，这并不是一种夸张的说法。如果你选择了任何一种假设的（合乎情理的）低能物理现象，那么在难以想象的众多可能性中，就会出现一个宇宙与该描述相匹配。”在“合乎情理”的范围内，他的意思是指，比如，正如我们在第二章所讨论的，在一个多维宇宙中，你不会有引力的平方反比定律，它只存在于三维空间中。什么样的紧致能产生不同的宇宙，关于这一问题有很多约束条件，这也正是为什么宇宙景观中只有10500 个点而不是无穷多的原因。

宇宙景观中还存在一些宇宙，它们的物理定律与我们宇宙的物理定律很难区分开来，但它们的历史却与我们宇宙的历史大不相同。比如，约6500万年以前，在另一个宇宙中的地球并没有被太空中一个大型物体撞击，恐龙的时代也并没有戛然而止。听起来熟悉吗？它很像埃弗莱特对量子力学所做的多世界诠释。两者的确非常相似，以至于苏士侃提出，它们本质上是相同的事物。

苏士侃指出看待弦理论中多重宇宙（他指的是“超大宇宙”）的两种方式的相同之处，同时提出看待量子理论解释的两种最熟悉的方式。有一个观点是从单一的观察者角度来谈的，我们想象该观察者不受空间结构变化的影响，而从单一的因果补丁中观察事物。而具有一套特定的物理性质的“袖珍宇宙 ”也出现在该观点之中。量子涨落近似于隧道，它及时地把空间转化为不同的形式，而不同的形式又有一套不同的物理定律，并很有可能带有较低的能量。这个过程一次次地发生，但观察者所经历的绝大多数连续的宇宙都是贫瘠的，并不适合生命的存在。它就像一条蜿蜒穿过宇宙景观的小河，仅经过其中一片狭窄的景观区域，其余的区域还尚未开发。假定的观察者几乎不可能看到适合生命存在的宇宙。苏士侃称之为“一系列的”观察，因为连续的宇宙是一个接着一个的。

这就像由尼尔斯·玻尔最先提出的量子物理学的哥本哈根诠释。该观点认为，每当在量子水平中做出选择时，若一条路径被选出，那么其他的所有可能性都会消失在“波函数的坍缩”中。但正如苏士侃所强调的，波函数的坍缩并不是量子物理学的数学运算的一部分，它是“玻尔为了结束观察实验而不得不附加的东西”。既然宇宙并不会以一次观察而终结，那么当我们试图描述多重宇宙时，哥本哈根解释是不合适的，更何况它还有其他的缺陷。

另一个方法就是苏士侃所说的平行观点。该观点所涉及的并不是一个单一的宇宙一个接一个地经过弦理论所允许的不同状态，而是指许多袖珍宇宙遍布于宇宙景观之中，同时以它们自身的方式发展——彼此平行。从该观点来看，可以确定其中一些将终结在适合生命存在的状态之中。“谁会关心其他的一切呢？”苏士侃感慨道，“生命会从它可以形成的地方形成——也只能从它可以形成的地方形成。”

他说，这就像量子物理学的埃弗莱特版本。它甚至更像戴维·多伊奇对这一主题的发展。从宇宙景观中的任何一个特定的袖珍宇宙开始，每一个可能的未来都将存在于景观中的某个地方，也并没有一条独特的线来连接一系列的袖珍宇宙，使它们像一条小河一样，蜿蜒地经过景观的狭小区域。相反，它更像一场淹没了整个景观的洪水，因而每个洞都填满了水。

苏士侃把它视为意义深远的见解：

也许最终我们会发现量子力学仅仅在超大宇宙分支的背景下才会有意义，而超大宇宙只有作为埃弗莱特解释的现实分支才会有意义。

每当我们运用超大宇宙或多世界诠释的语言时，平行观点和巨大的弦理论景观就为我们提供了两个要素，使人择原理从一个无谓的重复转变为一个有效的组织原则。

这恰恰把到目前为止书中所讨论的所有内容都统一在一起，方式是如此的轻松愉快，好像要就此结束。弦理论的宇宙景观正是放大的戴维·多伊奇的多世界理论，它自身又包含着暴涨。但还有一件事尚未完成，由苏士侃拼装的画面还需要添加一小部分。有些人很重视这个未完成的事，即宇宙是个赝品——我们住在一个计算机仿真中，类似黑客帝国系列电影中的人物所居住的世界。而宇宙诞生时黑洞所扮演的角色则是谜团的最后一部分。

注解：

[1] 　后来，丹麦物理学家霍尔格伯克·尼尔森（Holger Nielsen）也提出了一个类似的观点，只是形式略有不同，但他并没有全面阐述该观点。

[2] 　谈论弦“理论”而不是弦“模型”，这让我有点不太舒服。因为这些观点还没有通过实验检测。但正是由于它成功地“预见”了引力的存在，因而在许多物理学家心中，它已成为可敬的理论，所以我也同意这一常见用法。

[3] 　艾迪生·韦斯利出版社，读物，马萨诸塞州，1964。

[4] 　克莱恩的成就在于他把量子论的一些要求包含在卡鲁扎模型中。由奥地利的埃尔温·薛定谔发现的对电子的数学描述，即众所周知的薛定谔方程式，被他在五维中重新撰写。

[5] 　我们忽略材料自身的厚度。

[6] 　如前文所述宇宙如凤凰涅槃般，诞生于前一个宇宙的废墟中——译注

[7] 　有时，你可以在自己的身体里建立一个小电荷，比如，在干燥的天气里穿着不同种类的鞋子在尼龙地毯上走动。当你碰到一些金属物体时，例如门把手，过量的电流便会释放出来，而你则会感觉到明显的电击。

[8] 　普金斯基把它们称为D-膜，以此来纪念19世纪的数学家彼得·狄利克雷（Peter Dirichlet），因为他研究出波纹从表面反弹的方式。

[9] 　膜之间从未相互碰撞，但靠近后又彼此排斥的观点有很多完善和改进的版本，但最终的结论都是相同的。

[10] 　斯泰恩哈特和图罗克把它叫做“ekpyrotic”模型，该词为希腊语，意为大火。我讨厌这个术语，而且将尽量避免使用它。

[11] 　即宇宙自我重生的模型，下同——译注

[12] 　来自以下几人名字的首字母——沙米特·卡赫鲁（Shamir Kachru），蕾娜塔·考洛施（Renata Kallosh），安德烈·林德，桑迪普·特里维迪（Sandip Trivedi）。

[13] 　一些计算表明会有多达101000 的真空状态，实际上10500 这个数字只是个保守的估计。

[14] 　由于景观的“点彩”本质“滚动”实际上是指一种量子振动，正如一个球跳着滚下楼梯，但这并不影响论证。

chapter
7
伪造它？还是制造它？

它是科学吗？/内在的信息/伪造者/黑洞和婴儿宇宙/自然地选择宇宙/一个新的视角/宇宙的创造者/设计宇宙的进化/设计的宇宙

世纪初期，出现了两种令人震惊的观点。在弦理论的多重宇宙背景下，这些观点对周围的宇宙做出了相应的解释，需要我们认真地思考。第一种观点认为我们的宇宙是一个计算机仿真模型——换句话说，是一个赝品。众多杰出的宇宙学家都非常重视该观点，但我认为他们找错了对象，有关原因我将在下文阐释。第二种观点不够流行，但依我看，它更加引人注目。该观点认为我们的宇宙是一个人造的结构，它由另一个宇宙的智能生物精心制造而成。在伪造和制造之间存在着很大的区别，我认为有证据表明制造宇宙的可能性更大。乍一看，这些观点可能更像哲学或宗教问题，而不是真正的科学。但它们都是建立在真实而充分的理论（弦理论景观科学）基础之上的。因为由这些观点得出的结论是非常重要的，所以它值得我们深入研究，从而弄清楚该争论的科学依据。

｜它是科学吗？｜

人们普遍认为多重宇宙概念是某种模糊的哲学思想，而宇宙巧合之谜的人择解决方法，如驱动宇宙加速的真空能量值，是某种同义反复或循环论证。拉斐尔·布索对此做出了解释，我从他那儿引用了下面的三步论证。

首先，多重宇宙或者存在，或者并不存在。很明显，这是一个科学问题，并不是一个看法不一的问题，或者你愿意相信哪个的问题。在科学论证中有一点非常关键，即粒子物理学原则上是否允许至少一个“伪真空 ”的存在——它也是一种真空状态，但这种真空状态比另一种真空状态具有更多的能量。如果允许，那么毫无疑问，量子涨落迟早会创造出一个伪真空。继而伪真空将“滚落”到一个更低的能量水平，驱动暴涨并产生一个无限膨胀的空间，而在此空间中量子涨落将产生更多不断膨胀的泡泡，其中的每一个泡泡都有无限的体积。只要存在一个物理定律所允许的伪真空状态，即使刚开始时空间是有限的，最终也会形成一个无限的宇宙。“（虚拟实境）可能是无穷大的，而且它可能包含无穷多的我们区域的复制品，”布索说，“这种观点确实是从一个简单而合理的假设中衍生出来的。”

其次，多重宇宙观点的现代版本所要求的宇宙景观，不是包含一个而是包含许多伪真空，从而创造一个复杂的多重宇宙，这个多重宇宙中包括许多不同种类的宇宙。这就有助于我们运用人择参数来解释宇宙常数的尺度或碳和氧的共振值等。但如何从基本原理中制造这样的景观还尚不明确。而弦理论制造了这样的景观，包括D-膜和螺绕环。“虽然弦理论本来并没有给你提供选择参数的自由，但它却提供了允许（这种景观）实现的要素，依我看，这真是非同凡响的。其实，它不必提供这些要素，但它却的的确确提供了这些要素。”

最后，景观不是一个简单的形而上学的理念，而是一个在特定物理学理论中产生的具体的模型，正因为如此，原则上，根据景观绝对有可能做出可检验的预测。这可并非易事，即使大型强子对撞机技术也不可能胜任检验此类预测的任务，但正如布索强调的，这并不是“怎样都行”的情况。他用原子和核子的行为做了类比。比如，物理学相关的理论并不允许一个原子核中的质子超过一千个，铁在室温下也不会呈气态。他希望并预测，将会有办法从弦理论中提取物质运行状况的广泛规则，这些物质与宇宙大爆炸相比能量较低，但从日常生活标准看，这些物质的能量是非常高的。正如铁的导电性取决于许多原子的体积特性，而无需从基本原理中计算出一块铁里的每一个质子和每一个电子的交互作用。

弦理论是真正的科学，而宇宙景观则是弦理论的一部分。那么，实际上，这对于我们来说意味着什么呢？

｜内在的信息｜

制作一种我们可以从外部观察的世界图像，这并不稀奇——甚至都不需要聘请演员，自“威利汽船 ”和他同时代的作品出现后，动画片便一直在做这件事。这些模拟从手绘的钢笔画素描发展到看起来非常接近真实世界的计算机仿真。不久以后，我们完全有可能利用全息摄影技术，使这些仿真呈现出三维效果，而观众则会沉浸于仿真出来的景色或动作之中，并误以为他们的体验是真实的。逼真地模拟外部世界的外貌来愚弄我们的感觉，与模拟整个世界及其中的任何事物（包括“生存”在该仿真中的任何智能生物的思考过程）相比，两者之间存在很大的差别。除了实现它所需要的技术难题，我们必须要回答的关键问题是，通过这种方式来模拟一个类似于我们的宇宙，需要多少以二进制数字形式编码的信息——或者从另一角度看，如果以二进制数字编码信息的话，我们的宇宙包含多少信息？

宇宙学家对信息这个概念及其与宇宙的关系很感兴趣，部分原因在于信息（与熵紧密相关）与黑洞相互作用的方式是非常独特的，还有一部分原因在于，如雅各布·贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）所概括的，“最终的理论关注的不是场，甚至也不是时空，而是物理过程中信息的交换”。在这幅画面中，甚至连M-理论也会成为信息流的某种粗浅的表现，尽管这并不会使从M-理论得出的任何结论失效。在此处，对信息辩论详细探讨并不合适，最重要的是，对于信息和信息流的兴趣，为讨论如何伪造宇宙提供了大量相关的知识。

贝肯斯坦目前任职于以色列的希伯来大学。20世纪70年代，他因研究黑洞的熵和黑洞的温度之间的关系而闻名。后来，剑桥大学的史蒂芬·霍金发展了这项研究。他展示了这种关系是如何导致粒子和辐射不断从黑洞表面辐射出来的，这被称作“霍金辐射 ”。一个庞大的黑洞所吞没的质能要比它以这种方式辐射的质能多，因而尽管有辐射，庞大的黑洞仍然会增长，但一个微小的黑洞在流失能量时便会收缩，辐射速度也变得越来越快，当它缩减到近乎为零时，就会在最后的一阵粒子流中爆炸。

这一切使人们对信息和宇宙产生了困惑。陷入黑洞的信息会发生什么？假设它是一个像宇宙飞船般的复杂的人工制品，那么宇宙飞船的信息已经丢失了吗？在宇宙的熵中，是否已经产生了一个相应的改变？或我们是否也必须得考虑黑洞的熵呢？由于这艘宇宙飞船，这个黑洞现在包含了一个组件。有一种观点认为，陷入黑洞的信息将永远消失，无法恢复。很长一段时间，霍金一直是该观点的主要支持者。在这场激烈而友好的辩论中，另一方，包括李奥纳特·苏士侃在内的一组人提出，“信息的守恒定律 ”是真实存在的，即使信息消失在黑洞中，它也不会从宇宙中消失。

苏士侃和他的同事推论，尽管信息会胡乱地拼凑，以至于我们几乎不可能还原它，但陷入黑洞的少量信息会以霍金辐射的变化形式返回到宇宙外部。苏士侃说，这就像洗一副纸牌。如果你开始的时候先把一副纸牌按顺序分组排列，而每一组中的纸牌排又按序号排列，然后用某种复杂的方式来洗牌，但遵循一定的规则，那么信息仍然存在。（尽管这样做不可能让纸牌恢复到原来的排列方式，除非你知道“逆向洗牌”的规则才能回到起点。）这与随机洗牌不同，因为随机洗牌并没有逆向洗牌的规则。只要逆向洗牌的规则存在，即使你不知道规则是什么，信息也不会丢失。

这便导致了广义相对论和量子论的经典对峙。广义相对论认为信息会陷入黑洞之中；量子论认为，用苏士侃形象的语言来说，“这就好像信息在送信者手中就被撕裂，并在经过临界点之前，就传递给了正在向外运动的霍金辐射”。像许多量子困境一样，对这两种理论的解决方案就是鱼和熊掌兼得。因为时间受引力影响而变得扭曲，对于在外部世界监测物体陷入黑洞时会发生什么的任何人来说，他们所看到的是一个物体越来越接近黑洞但却移动得越来越缓慢，从不跨越被称为视界的临界点。就在该视界之外，该物体最终被破坏，并转化成向外发出的霍金辐射。但任何陷入黑洞的人，也许正乘坐着假设的宇宙飞船，并不会体验到此类事情。如果黑洞很大，宇宙飞船和乘客会非常顺利地通过该视界，穿越临界点，而且不会感觉到任何异样。乘客可以观看宇宙飞船周围的世界，甚至黑洞内部的世界，但当他们到达中心区时，宇宙飞船、乘客和所有的一切都会被潮汐力撕成碎片。

20世纪90年代，苏士侃和荷兰物理学家赫拉德·特霍夫特指出，上述的两种观点都是正确的，同样，把光看作粒子的观点和把光看作波的观点也都是正确的。这是所谓的互补性的一种形式，研究量子世界的物理学家都非常熟悉这种观点，即在量子世界中，既可以把电子这样的实体描述为波也可以把它描述为粒子，两种互补性的描述都是正确的。现在霍金也承认他当时确实错了，当一个物体陷入黑洞时，信息不会丢失。正如苏士侃所言；“对于黑洞之外的人来说，横穿视界的探险家一生中的事件都是在视界之外的。但这些事件都属于物理学，而不是形而上学。这些信息以霍金辐射形式的全息代码向外发送……代码（规则）是否丢失，甚至我们是否有过代码，都不重要。信息是注定存在的。”如果黑洞就是通向其他世界的走廊（这种可能性很大）的话，一些来自其他宇宙的加密信息也会以这种形式出现在我们的世界中。在多重宇宙中，信息可以穿过虫洞，从时空的一个区域——一个宇宙——转移到另一个区域，因而在整个虚拟实境中信息永远不会丢失。

贝肯斯坦做了一项有关黑洞的全部信息量的估算，这已经成为有关黑洞和信息/熵之间相互作用的调查成果之一。信息量与视界的表面积成正比，并标注了环绕着黑洞的临界点。如果一个微小的黑洞放射了能量和信息，黑洞就会收缩，表面积也随之变小，而当一个庞大的黑洞吞并了塞满信息的物体时，它就会变大，表面积也随之变大。这一切看起来都非常合乎逻辑。

如果一个黑洞视界的表面积被分成许多正方形，每一个的边都与普朗克长度一样长，每一个正方形中都包含一位元信息，那么我们就可以用正方形的总数测量黑洞的信息量。一个直径约为一厘米的黑洞包含约1066 位元信息。最大的问题是，宇宙包含多少信息？如果以最有效的方式存储这些信息，你需要多大的黑洞呢？贝肯斯坦估算，宇宙中所含信息的最小量等同于10100 位元，这可真是个天文数字（googol）！搜索引擎谷歌（Google）选择了一个发音相同的名字，意在使人听后留下深刻的印象，但它远没有那么庞大数目的信息量。若要存储这个天文数字的信息量，我们需要一个直径为十分之一光年的黑洞。

姑且不谈计算机本身的尺寸得有多大，或者它是否按量子原则运行，这就是计算机仿真一个宇宙所需的存储量的最小尺度。与宇宙的尺度相比，它真是小得惊人；但计算的顶端是开放式的，宇宙包含的信息量没有已知的上限。很有可能，而且我也非常相信，能够存储足够的信息来描述宇宙的最小物体就是宇宙本身。毕竟，从多重宇宙中的泡泡宇宙角度来看，宇宙是一个黑洞，而它的表面积就是与它所包含的信息量相对应的最小尺度。这将使伪造宇宙变得非常困难！

｜伪造者｜

伪造宇宙观点的支持者所使用的论据，从本质上来说，有以下几点：原则上，在计算机中模拟宇宙非常简单，那么肯定有许多模拟仿真分散在多重宇宙中，它们由真实世界的编程员制作，也有可能包括由模拟宇宙中的模拟编程员制作的模拟仿真，仿真之中又有仿真，就像嵌套的俄罗斯娃娃。因而，他们提出，仿真的数目远远超过实际可居住的宇宙数目，那么从统计数字上来看，我们很有可能居住在这样一个仿真之中，而不是生活在一个真实的物质宇宙中。编程仿真也许只是为了好玩，就像一系列虚拟世界的电子游戏一样，或者是出于科学兴趣，旨在探究在自然常数发生轻微变化的情况下宇宙将如何表现，或者是为了娱乐，或者是为了人类智慧无法理解的原因。最重要的是，模拟仿真是制造出来的。

你也许会好奇，为什么任何人都认为模拟一个类似于我们的宇宙是一件很容易的事情，要知道它的最低要求是能够从直径为十分之一光年的黑洞的视界中获取普朗克尺度上的信息。但这完全取决于你如何理解“容易”一词。模拟一个宇宙需要一个超级文明世界的出现，该世界的计算能力远远超出了我们已经能够实现的任何计算能力。很可能具备这种能力的文明从未出现在我们的宇宙中。但多重宇宙允许每一种可能的宇宙存在，包括与我们的宇宙非常相似的宇宙，在这种宇宙中，一个超级文明世界就会从一些罕见而奇怪的事件组合中出现。除非每一种可能的宇宙，都具有阻止该文明出现的物理定律，否则与我们宇宙非常相似的宇宙将不可避免地存在，而这种超级文明也会存在于其中。很难（就我而言，简直就是不可能）想象会有定律来阻止这一切。模拟宇宙观点的支持者认为，即使这样的宇宙很罕见，它们所包含的超级文明也将会产生大量的模拟宇宙，因此伪造的宇宙会比真实的宇宙更为常见。在这种情况下，很可能我们就生活在一个模拟宇宙之中。

戴维·多伊奇比我所见过的任何人都更加懂得计算，他尤为严厉地批判这种推论，并把该推论描述为一个“虚构的怪物”和一个“不可检测的阴谋论”。他说，“计算不能解释硬件”，并指出在真实世界中（并且他确信这是真实的世界），蒸汽机是有可能出现的，但永动机还不太可能出现。然而“量子理论计算对热力学第二定律一无所知：如果一个物理过程能被通用量子计算机模拟，那么其在时间上的逆向过程也可以如此”，“居住在”模拟中的人们就能够制造永动机。

剑桥的理论学家约翰·巴罗采用不同的策略来研究这种观点。他认为如果我们居住在一个模拟宇宙中，那么在物理定律中肯定会存在一些以“小故障”形式出现的线索。他推论，即使是超级文明世界，也不会熟知物理定律的每一件事。的确，运行仿真宇宙的原因之一就是我们可能会发现有关这些定律的更多信息。因而，在他们的编程中就有可能包括缺口或错误，继而这些缺口或错误将在我们的世界中出现，产生令人困惑的实验结果——比如，观察似乎表明，随着时间的推移，物理常数正在缓慢地变化着，或者宇宙的不同部分会有不同的物理常数。最终，正如他在《无限的书》中所说：

（这些仿真）将变成他们无能的创造者之牺牲品。错误将累积起来。预测将发生故障。而世界将变得毫无理性。

这是一个令人不安的前景，但我不会为此而担忧。首先，除非出现一个与我们宇宙同样大小的复制品，否则我们根本无法相信一个类似于我们的宇宙会以任何方式被模拟。除了已经提到的“泡泡宇宙”问题，指定空间中粒子的位置需要信息量，而存储这些信息量确实存在困难。在有些情况下，精确地指定位置涉及一个无理数，例如π，这个无理数的小数点后面有无穷多的数字。因此，你会需要一个无穷大的存储空间来指定数字，从而精确地指定粒子的位置！ [1]

当然，任何一个计算机编程员都知道在这种情况下你会做什么——求一个近似值。对于一些计算，如果你仅需要一个粗略的答案，那么你可以把22/7这一数值当作π来使用，或者你可以用3.14159来得到一个更为精准的答案。π的定义是圆的周长除以它的直径；如果你精准地测量一个画得很完美的圆，那么就会有趣地发现，在小数点后无数的地方，代表这一比率的数字有规则地重复或结束。这将成为我们居住在一个模拟宇宙中的有力证据。

但是这种取近似值的观点引发了另一种反对模拟宇宙的观点。为什么要费力去模拟全部事物？我们并不需要模拟每个遥远的类星体和恒星的完整工作方式。一些假信息好像来自遥远的宇宙，并以光子的形式进入地球上的望远镜和其他探测器中，我们为什么不用这些假信息来具体地模拟地球呢？如果你对行星上生命的演化感兴趣，那么这些问题便不难回答。我们被带到了逻辑的极端，而这个争论又把我们带回到类似于波尔兹曼大脑的难题之中。伪造者的论点基于一个假设，即轻易制造出来的模拟宇宙将在多重宇宙中变得非常普遍。与你所经历的一切事物（包括读这本书）都保持一致的最简单的模拟就是，你感知到的性格只是精密机器所运行的一个计算机程序，其中填满了一个数据，从而给你一个错觉，好像你的周围有一个世界。因为这比模拟整个宇宙或一个行星简单得多，那么通过伪造者所使用的逻辑，这种模拟“大脑”的数量会多于完整的模拟宇宙的数量，因此你只是一个孤立但却精密的计算机程序这种可能性，要比宇宙或者以模拟形式存在或者以真实世界形式存在的可能性大得多。

但即使如此，这条探索之旅也没有走到尽头。正因为结果证明制造整个宇宙比制造孤立的波尔兹曼大脑更为简单，因此，实际上，制造完整而崭新的宇宙比制造模拟宇宙或模拟性格要简单得多。大自然一直在借助黑洞来做这件事。宇宙的大量繁殖并不需要智能文明的干涉，而如果有这种智能，它会像园丁培养繁殖植物一样，来培养并繁殖宇宙。

｜黑洞和婴儿宇宙｜

在黑洞内部，朝向奇点坍缩的物理事件，正是向外膨胀远离奇点的宇宙大爆炸的逆时物理现象。物理学家认为，在这两种情况中，不会真正地存在奇点，但在我们认为存在奇点的地方发生了某些事情，从而使我们产生一种幻觉，即坍缩一直在朝着数学奇点进行，而膨胀始于奇点，并不断远离奇点。这就涉及了量子引力，量子引力属于普朗克尺度上的事件，而在普朗克尺度中空间自身又具有泡泡状结构。

最有可能出现的一种可能性是，朝向奇点坍缩的时空会因缺乏奇点而“反弹”，收缩则会变成膨胀。这是循环宇宙早期思想的基础。但因为熵在相同的时空中会从一个反弹被转入另一个反弹之中，该观点又陷入困境。这些观点包括在我们熟悉的三维空间加一维时间中出现的反弹，因此，坍缩涉及一个三维空间的收缩及相同的三维空间在反弹后的再一次膨胀。且不说在这种情况下时间之箭会发生什么变化，这根本不可能发生在我们宇宙的黑洞中，它从视界外部的三维空间中分离出来，永不复返，或蒸发殆尽。但在20世纪80年代，一些数学物理学家便开始研究朝向奇点坍塌的黑洞里的物质，从一种空间扭曲转移到另一个膨胀而成的时空的可能性。

通过数学方法，从四维的角度，即三维空间加上一维时间，其中每一维度都与我们时空所有的四个维度成直角，我们可以轻松地描述这种新时空。若在数学方面多下点功夫，这一描述也可以用来处理紧致的维度。在“新”时空中，可能会存在各种各样解决紧化的方式，但这并不是我想在此详述的内容，因为对于我们来说，重要的是类似于我们的时空是否存在。从苏士侃的宇宙景观角度来看，我们可以把黑洞看作（如果这种观点是正确的）一个连接景观中一部分与另一部分的隧道。在多重宇宙的景观中，每一个“奇点”，即每一个黑洞，都是另一套时空维度的入口，也可能是紧化主题的另一个变异。

我们还可以用一个熟悉的比喻来描述这一切，即把我们不断膨胀的三维空间与充气气球不断膨胀（因为在不断地给气球打气）的二维表面进行比较。暂且忽略气球内部的体积，假定气球的表面等同于空间。在这幅画面中，黑洞可以用气球表面的一个小气泡来表示。该气泡被挤破并开始用自己的方式膨胀。一条小“气管”把原始气球和不断膨胀的气泡连接起来，气泡可以变得和原始气球一样大，或更大，却并不影响原始气球（原始空间）的结构。原始宇宙中的居民只能看到一个黑洞，但这个黑洞是连接母宇宙与一个新婴儿宇宙的脐带的末端。在新的宇宙中，对任何一个智能观察者来说，脐带的另一个末端都以它们自己的大爆炸形式出现，包括暴涨和由于引力的负性而产生的大量物质和能量。

当然，我们并不需要停留在一个泡泡上。新的时空泡泡能够在原始宇宙中任何一个有黑洞的地方形成，也能够以相同的方式在任何一个新宇宙中的任何地方形成由原始宇宙产生的婴儿宇宙。这一观察最深刻的含义就是，在宇宙景观的另一个区域，我们的宇宙可能以相同的方式从一个黑洞朝向奇点的坍缩中产生。我们不得不把我们的宇宙视为由贯穿时空的隧道所连接的各种各样的（可能是无穷多的）宇宙中的一部分。 [2]

当然，目前任何可能的事物都能够并且将会存在于多重宇宙的某个地方，因此从这个意义上说，这样一个互相连接的宇宙网络（其中的一些宇宙很像我们的宇宙）的存在就不是一个不解之谜了。整个事件是如何开始的？类似于我们的宇宙是否普遍存在？而相应的我们对宇宙巧合的人择解释是否有效？我们最好弄清楚这些问题。对此研究最深入的人便是李·施莫林。在闲暇时光，他总在苦苦思考圈量子引力论。20世纪90年代初期，他提出了这个想法，后来又在他的《宇宙中的生命》（The Life of the Cosmos ）一书中做了详细的阐述，即一个与地球上生命进化的方式非常相似的进化过程，从普朗克尺度中最小的量子涨落开始，能够产生大量的类似于我们的宇宙。进化有两个本质特征：其一，个体繁衍的后代与它们的父母特征相似但不等同；其二，这些后代成功地继续繁衍取决于它们自己的一套特征。因此有助于成功繁衍的特征往往会继续传播。施莫林指出，这同样适用于宇宙及地球上的生命。

｜自然地选择宇宙｜

施莫林的核心思想是，当时空中的黑洞坍缩，进入另一个时空时，“新”时空的物理性质，比如引力的强度和其他自然常数的值，与母宇宙中的物理性质非常相近，但不完全等同。 [3] 正如脱氧核糖核酸（DNA）中的小突变意味着动物或植物的婴儿基因组与父母的基因组非常相似，但不完全等同。考虑到这种情况，他认为一些宇宙中的自然常数有促进黑洞形成的数值，这样的宇宙将会比其他宇宙更为常见，因为它们会有很多后代，而这些后代也具有促进黑洞形成的特性。与用于人择宇宙学中的论点相同，这些观点暗示着我们的宇宙已经从多重宇宙的所有宇宙之中被挑选出来，不是因为它是生命的美好家园，而是因为它善于制造黑洞。对黑洞有利的事物也对生命形态有利，这一事实仅仅是一个巧合而已。正如施莫林所言：

我们发现基本粒子物理学标准模型的参数有数值，因为比起其他选择，这些使生产黑洞变得更有可能。

但是在一代又一代的传承过程中，性能的微小变化使得类似于我们的宇宙变得如此普遍。

施莫林利用景观思想的一个版本解释了这是怎样发生的。苏士侃借用了化学中的一些想法，而施莫林的想法则源于进化生物学 ——实际上，20世纪90年代，施莫林在宇宙论背景下实施了这一想法，比苏士侃独立地提出自己的观点要早几年。我们可以把施莫林的景观想象成一个点缀着群山的平原。景观中的一点对应着一套特定的参数值，它决定着一个宇宙的特性，尤其是宇宙制造黑洞的能力。在平原的平坦地区，众多宇宙有着不同而具体的特性，但它们都具有一个共同点——每一个宇宙都只能制造一个黑洞，黑洞从量子泡泡中出现，而又迅速坍缩。小山对应着一些宇宙，它们生存的时间很长，能够制造一些黑洞，因此也有一些后代；而高耸的山脉则对应着多重宇宙地区，其中的宇宙具有正确的特性可以制造许多黑洞并有许多后代。

正如宇宙景观主题的所有变化一样，重要的一点是，在景观的每一点可以存在多个宇宙。从生物等效的角度来看，比如说，景观中的一点，可能对应着一个斑马的特性（或基因组），但可能会有许多斑马都拥有这些家族特性。在道金斯最好的一本书《攀登不可能的山峰》中就使用了景观这样一个熟悉的概念。“不可能的山峰”是进化景观中的高峰，它对应着一个复杂的生物系统（例如眼睛）。出于无知，有些人会反对自然选择的进化观点，这就相当于问“半只眼睛有什么用”这样幼稚的问题。换句话说，正如自然选择要求经过一系列步骤才能使生物进化一样，像眼睛一样的复杂器官如何通过一系列琐碎的步骤进化而成。最快速的回答是半只眼睛的确很有用，当你受到掠夺者的威胁时，有半只眼睛当然比没有眼睛要好得多。关于眼睛如何一步一步地从皮肤上一块光感细胞开始进化而成，在《攀登不可能的山峰》一书中有详细的解答。景观到底是什么？这便是一个经典的例子——你不可能一跃而至山顶，但可以沿着一条漫长而平缓的路到达顶峰。如果你看到一幅画，画中一个人位于山顶之上，你不会假设他们是通过魔力或上帝超自然的干预而到达顶峰的，这是他们一步一步攀登的结果。眼睛和其他复杂器官的进化过程也是如此。的确，眼睛是如此的珍贵，它们至少进化了四十遍，沿着四十条不同的曲径才达到这一特殊的山顶。如果施莫林所言是正确的，那么我们周围的复杂的宇宙也同样出现在一个从简单的量子涨落开始的循环渐进的过程之中。

施莫林举了一个简单的例子，他要求我们假设只存在两种可能性——一个宇宙或者只能留下一个后代，或者留下十个子孙。如果你在景观的任何地方随机选择一个宇宙，它很有可能会在平原上，并且只有一个单一的后代。后代，像它的父母一样，也是在短期内迅速形成的，继而它会坍缩并产生另一个单一的后代，但关键的是，就上一代而言，每一代都具有一些不同的特性。这就相当于连续的宇宙形成了一条蜿蜒穿过平原的路。最终，一个宇宙产生了，它所具有的特性恰好把它留在一个小山旁，而这个小山正对应着具有十个后代特征的宇宙。又一个细小的“突变”把它带到山上，而在该链条中的下一个宇宙确实有十个后代。其中的一些宇宙可能会具有一些变异的特性来把它们带回平原，但留在山顶的下一代中每一个成员也会有十个后代。结果导致指数增长，从而产生大量的宇宙，分布在具有十个后代特征的山上，以及在景观中具有相同特征的所有其他的山上，其数量远远超过了在平原上只有一个后代的宇宙的数量。

在一个更为真实的景观中，具有十个后代特征的小山可能刚好在一座大山的山脚，相当于道金斯的“不可能的山峰”，而在它的山顶有类似于我们的宇宙。施莫林用这种方法将他的论点扩大到更为复杂的宇宙，他指出即使从宇宙景观中荒凉地带的单一量子涨落开始，也会产生大量善于制造黑洞的宇宙——当然，我们也没有理由认为宇宙景观中只有一个量子涨落。

在多重宇宙中随机选择的任何一个宇宙一定是最常见的一种，基于此，他提出，在我们宇宙中的物理定律肯定接近黑洞形成的最佳值，而“大部分物理定律参数的变化将会降低我们的宇宙制造黑洞的速度”。这是一个有争议的断言，也是一场激烈辩论的焦点，但我可以举一个支持施莫林论点的例子，也会使他的假设——生命是黑洞形成过程中产生的副产品——更加清晰明了。这涉及最著名的宇宙巧合：霍伊尔有关碳原子核本质的人择洞察力。

｜一个新的视角｜

目前，在宇宙中，黑洞在恒星垂死挣扎之际被大量地生产出来。并不是每一个恒星都以一个黑洞的形式来结束自己的生命——这是施莫林论点中一个有争议的特点——但天文学家估计，今天每一万个宇宙的可见恒星中，至少有一个黑洞产生于前几代的恒星中。因此，在一个星系中，比如包含了几千亿恒星的银河系，至少有数千万的黑洞，当恒星贯穿生命周期时，更多的黑洞则会不断地被制造出来。在可见宇宙中，有至少一千亿个像银河系一样的星系，这意味着据保守估计，在可见宇宙中有1018 到1019 个黑洞。如果施莫林所言是正确的，那么每一个黑洞都会成为连接我们宇宙与另一个宇宙的脐带的末端。为了制造这些黑洞和婴儿宇宙，你首先需要制造恒星，这就是碳如此重要的原因。

当空间中的一团气体及尘埃在自重作用下开始坍缩时，也就开启了恒星形成的第一阶段，当引力能被释放时，它渐渐变热，而这种热能产生一种压力，常常托起云团，阻止它坍缩。宇宙大爆炸后，宇宙中形成的第一批恒星，由只包含氢和氦的云团组成，而氢和氦又设置在暗物质的结构中；这些云团一定很大，因为只有庞大而厚重的云团才会不受该热量的影响而坍缩。但在第一代及接下来的几代恒星中，较重的元素被制造出来，因此恒星的形成变得更加简单。目前形成新恒星的云团包括大量的氢和氦及有机分子的痕迹，诸如善于从云团中吸收热量，继而在红外波段（它可以躲进空间）中再次向外放射的一氧化碳。云团中也包含颗粒状物质，它像香烟烟雾中的粒子一样多，也是围绕碳原子建立的，而碳原子会保护云团的中心不受附近热量的影响，否则云团可能会在坍缩前便蒸发掉。

无须探究细节，最重要的是，由于它在协助星际气体云团坍缩中的作用，碳成为恒星形成过程中一个关键的因素。这意味着自然常数的任何变化都会使制造碳变得更加困难，从而导致一个宇宙包含更少的恒星和更少的黑洞。弗雷德·霍伊尔所关注的碳共振依然作为宇宙巧合的例子而需要被解释；但施莫林给予的解释却是，容易制造碳的宇宙会在宇宙景观中被挑选出来，因为它促进了黑洞和婴儿宇宙的形成。而我们的存在与它无关。

施莫林也从同一个视角解决了其他宇宙巧合的难题，他指出，有许多方法可以使物理参数发生变化，从而创造一个宇宙，而在这种宇宙中，黑洞是很稀少的。这些巧合同样也是人择宇宙学的支持者所使用的，他们意在指出我们居住的宇宙因我们的存在而从宇宙景观中被选出，因为如果这些巧合没有控制住的话，我们就不会在这里意识到这一切。但从施莫林的观点来看，我们这种生命只不过是恒星和黑洞形成过程中的附带产物，而对黑洞有益处的事物——比如碳——恰恰对生命有益处，这纯属巧合。 [4]

施莫林也很关注宇宙景观和由脱氧核糖核酸（DNA）——生命的分子——编码的适应度景观之间的相似性。DNA能够为地球上所有的生命形式指定遗传密码，也可以为其他实际上并不存在的生命形式指定遗传密码。有一种DNA景观，并且“所有可能的DNA序列及其集合都有可能永恒存在”。这与弦宇宙允许的所有宇宙在宇宙景观中永恒存在的方式非常相似。施莫林说：“它可能会饱受争议，有些人认为自然选择没有创新性，它只不过是从一系列一直存在的可能性中做出选择而已。” [5]

如果你熟悉“为生存而斗争”的思想和通过资源竞争淘汰地球上的生命形式从而导致“适者生存”的观点，那么你就会发现地球上生命形式的自然选择与宇宙景观中宇宙形式的自然选择之间的相似程度比你所想的还要紧密。这种斗争非常善于制作适合生态位的物种，但正是变异使得新的生命形式战胜了新的生态位。在一个基本水平上，重要的是个体留下的后代数量，或更专业地讲，是生物体的微分存活率。 [6] 资源竞争和为生存的斗争在决定地球上生命形式的微分存活率方面扮演着重要的角色，但这并不意味着它们就是故事的全部，即使它们是进化必不可少的一环。而变异才是真正不可或缺的。只要一代接一代的过程中存在细微的变化，而且下一代的繁殖率与遗传物质（genetic material）（对于地球上的生命来说）有关，或与（宇宙的）物理参数有关，进化就会产生大量的主题变异。施莫林简洁地总结如下：

流行的进化论解释常常强调竞争，强调物种以多种不同的方式被创造出来。为了使不同物种间的实际竞争降到最低，似乎进化的一个重要主题反而应该是创造新的生活方式的能力。

有关这一切，我的观点是：人类——可能是进化的顶峰——实际上起源于一连串的失败者。擅长做鱼的鱼类会留在海中，而那些不擅长做鱼的鱼类，不得不进化能力来学着呼吸并移动到陆地上；擅长做两栖动物的两栖动物会留在水边，而那些不擅长做两栖动物的，则进化能力来远离水域并在内陆寻找新的生活方式，而不是继续与它的同类竞争。沿着这条线继续探究，擅长住在树林中的类人猿生物会留在树林中，而不擅长在林中生存的生物则会进化并形成一种不同的生活方式，以确保他们能够在非洲平原上生活。从适者生存的角度看，地球上最成功的生命形式——简单的细菌，具有最高的存活率，40多亿年来，即自宇宙大爆炸后近三分之一的时间里，它们基本上没有发生过变化；但正如在一个特定的地点变得更加适应生存，在进化过程中开发DNA景观的新区域是非常重要的。

宇宙的自然选择观点把生命（包括人类的生命）从故事的中心舞台移走，并提出了一个令人沮丧的观点——我们只不过像寄生虫一样，利用宇宙进化并产生大量黑洞的过程而生存。如果换个角度来思考，你或许会得到一些慰藉，即施莫林的观点根本没有得到人们的广泛认可，有很多反对的观点在驳斥他的论点，集中体现在一点上，即可以设想有些宇宙生产黑洞的效率甚至比我们宇宙的效率更高。依据施莫林自己的推理，这将意味着我们住在景观中相对罕见的区域，伴随着所暗示的种种问题。这场争论远远没有结束，而问题也并没有以某种方式而解决。但我并不需要过多地讨论这场辩论，因为施莫林的提议引出了另一种观点，而这种观点恰恰把生命，甚至也可能包括人类的生命，重新带回到故事的中心舞台之中。

毫无疑问，自然选择为地球生命的多样化工作了数十亿年，但在过去的几千年中，人类也一直在为自己选择可取的个体特点，这就是为什么查尔斯·达尔文不得不使用术语“自然的”选择来使他所谈论的事物清晰明了。在下一代中选择我们想要的个体，利用这种方法，我们已经按照自己的意愿生产出更为优良的农作物和动物。我们对野草进行改良，研发出小麦；我们让奶牛比野牛的产奶量更多；而且不同品种的狗都是从狼发展进化而来的。所有品种的狗，在遗传景观中，都暗含着狼的DNA密码，我们利用传统的选择方法对其进行筛选或开发，从具有我们想要的特征的动物中育种，在DNA景观中从一种个体动物到另一种个体动物的进化，都遵循着一定的规则。

如今，我们获得了更多有关遗传物质的知识，我们可以直接改变DNA来获得改良的品种，从DNA景观中的一个区域跳到另一个，却并没有遵循特定的规则。我们甚至还会谈到设计婴儿——“改进”孩子的技术已经存在，而辩论主要是围绕着使用这种能力的意愿或其他方面展开的。那么一个比我们的文明稍微先进一些的文明能为宇宙做同样的事吗？是否存在一种人工选择，它可以取代自然选择，并设计出设计者想要的宇宙呢？我们是否就生活在这样的一个被设计出来的宇宙中呢？上帝是宇宙的园丁吗？答案是非常“肯定”的，因为制造黑洞是如此的简单。大自然可能需要一个恒星来实现这一目标，但某些更为先进的技术会在地球上完成这项任务。的确，有人提议，黑洞可能会在像大型强子对撞机这样的碰撞机上被意外地制造出来，这种观点支持了近年来最好的“硬科学 ”科幻故事。 [7]

｜宇宙的创造者｜

我们可以将一切事物制成黑洞，前提是这些事物要受到强烈的挤压。任何质量都有一个临界半径，我们称之为施瓦茨席尔德半径（又称史瓦西半径），它是这一质量能够制造出的黑洞所需要的半径。对于太阳的质量来说，施瓦茨席尔德半径大约为3公里，这意味着如果所有的太阳质量被塞进一个直径为3公里的球体，它就会变成一个黑洞，并从我们的视线中消失，而其内部的所有事物都向着一个奇点跌落，或进入通向另一个新宇宙的量子隧道。如果你拥有如一百万个太阳之多的质量，而它对应着一个相当小的星系，那么这些质量就会被塞进一个半径为三百万公里的球体中，从而形成一个黑洞。如果地球被塞进一个半径只有一厘米的球体中，它也会变成一个黑洞。一个黑洞的半径与它的质量成正比。在像大型强子对撞机这样的粒子加速器的碰撞光束中，微小的质量被挤进了微小的体积中。它们有可能因过度挤压而形成小的黑洞。但由于引力的负性，黑洞有多么小并不重要，它仍然有可能暴涨、膨胀从而脱离原来的尺度，变成一个像我们宇宙一样的羽翼丰满的成熟宇宙。

被称为暴涨理论之父的阿兰·古斯，是深入研究该观点的众人之一。他与同事一起在麻省理工学院（MIT）潜心研究，在20世纪末，他提出了“实验室中的宇宙创作”的专业术语，并在自己所著的《暴涨宇宙》（The Inflationary Universe ）一书的结尾部分探讨了这些观点。他的结论是，原则上，物理定律的确允许一个非常先进的技术文明通过这种方式创造一个或更多的宇宙；其余的，古斯开玩笑地说，“仅仅是一个工程设计的问题”。进一步改良后的观点认为，似乎任何以此方式形成的微小黑洞都会在霍金辐射过程中迅速蒸发，并从我们的宇宙中消失，切断与婴儿宇宙的联系。

在20世纪90年代中期，任职于马萨诸塞大学的宇宙学家泰德·哈里森（Ted Harrison），将施莫林的宇宙自然选择观点的要素与古斯的实验室创造宇宙观点的要素有机地结合起来，提出了一个宇宙人工选择的方案。 [8] 这是（到目前为止）该主题长期探索进程中的一个顶点。1584年，乔尔丹诺·布鲁诺激怒了国教，因为他提出“上帝的卓越”可能被“放大了，而且他的王国的伟大之处显示出（如果）他不是在一个太阳上被美化了，而是在无数的太阳上被美化了；他不是在一个单一的地球上被美化了，而是在一千个类似于地球的星球上被美化了。也就是说，他是在一个无穷大的世界上被美化了”。在1779年，哲学家大卫·休谟（David Hume）被判犯有轻微的罪行，因为他曾提出，上帝不可能在第一时间就做得非常正确，一个接一个的宇宙“在系统被制定出来 [9] 之前，会在一个永恒的状态中被弄得一团糟。浪费了很多的人力，也做了很多徒劳的尝试，一个缓慢但持续的改进将最终在创造世界的无限岁月中实现”。哈里森赞同休谟的观点，他提出：为什么在我们的宇宙中停止呢？为什么这个过程不能继续，从而使宇宙更加多彩，甚至比我们所居住的宇宙更加适合生存，你是否祈求上帝也参与其中呢？

于1937年首次出版的《星球制造者》（Star Maker ）是奥拉夫·斯蒂伯顿（Olaf Stapledon）科幻小说的早期作品，在书中，他描述了这样一个过程。梦境里的人物正在观察工作中的星球制造者：

我疲惫而又饱受折磨的注意力依然要尽力地跟随这个越来越微妙的创作，根据我的梦，它是由星球制造者构想的。一个又一个的宇宙产生于他热切的想象之中，每一个都与众不同，无限地多样化，在最大程度上每一个都要比上一个更容易被唤醒，但每一个我都越来越不明白……我努力集中昏昏沉沉的理解能力，试图捕捉宇宙的最终形式。混杂着欣赏与抗议，我犹豫地瞥了一眼最后制造出来的世界、肉体和灵魂的微妙之处，看了一眼由那些多样化的生命个体所构成的群落的微妙之处，这些生命个体已被唤醒，并拥有了丰富的自我认知和相互洞察力。

在星球制造者制造出的一个宇宙中：

每当一个生物面对着一些可能的行动方案时，它会全部采纳，从而创造出许多独特的时间维度和独特的宇宙历史。因为在宇宙的每一个进化序列中，会存在许多生物，而每一个生物都不断面对着许多可能的方案，所有方案的组合是数不清的，一个无穷大的独特宇宙会在宇宙的每一个时间序列中的任何时刻脱落。

这就是多世界观点，不可否认，它没有任何科学基础，但比休·埃弗莱特的版本早20来年！ [10]

那么——真的存在星球制造者吗？我们真的居住在一个设计出来的宇宙中吗？

｜设计宇宙的进化｜

在一本有关宇宙的书中，若一句话里同时使用“智力”和“设计”两个词，就会出现问题。问题就在于当时有一群人（他们中大部分来自美国）总是提出反对意见，不能接受进化这一事实，更不必说查尔斯·达尔文提出的自然选择理论和阿弗雷德·罗素·华莱士对进化如何发挥作用的解释。他们相信《圣经》中的文字（或至少《圣经》中适合他们相信的部分内容），而且认为每一个物种都是由上帝创造或设计的。他们把这种观点称作“智能设计 ”，或简称为ID。因此，为了避免任何混淆，我需要讲清楚，这并不是当我提到设计宇宙时所涉及的事物，或当我谈到我们的宇宙由多重宇宙另一区域的一个技术先进的文明中一个或几个成员精心制造出来这一可能性时所指的事物。这样的一个设计师可能是引发宇宙大爆炸的原因，但这仍意味着自然选择的进化和生产我们星球及其生命的所有过程，自大爆炸后就开始在我们的宇宙中发挥作用，而无须外界的干涉。

进化是一个事实，就像苹果从树上落下这个事实一样。的确，在达尔文时期，这已经是众所周知的事情了。他的祖父伊拉斯莫斯·达尔文（Erasmus Darwin）是早期的思想家之一，早在查尔斯·达尔文出生之前，他就在苦苦思考进化这一事实，并试图找到一个原理来解释它。这个原理就是自然选择原理，它是由达尔文和华莱士分别独立地从他们各自对热带地区生命的扩散和“为生存而斗争”的研究中偶然发现的。自然选择是解释进化事实的理论，就像广义相对论是解释引力事实的理论一样——抛开其他因素不谈，引力让苹果从树上落下来。

当物理学家提到“引力理论 ”时，他们所指的是解释引力事实的爱因斯坦理论；当生物学家提到“进化理论 ”时，他们所指的是解释进化事实的达尔文-华莱士理论。

这个术语强调了科学事业的另一个重要的特征。批评进化思想的人，比如ID的支持者，其批评的依据之一就是它“仅仅是一个理论”。要知道这种理论是自然选择而不是进化，除了这一事实，重要的是，他们已经混淆了日常用语中“理论”一词的用法及它在科学领域的用法。在日常用语中，某个人不成熟的想法可能会被描述为“仅仅是一个理论”——我哥哥认为，把牛奶加入茶中正确的方法是先倒入牛奶，但这只是他的理论，而我有权持有自己的观点。而在科学领域，一个理论是一个完全成熟的想法，是一个被实验和观察检验，并通过了这些检验的想法。

即使它没有通过检验，或者当它没有通过检验时，一个成功的理论也不能完全被废弃，因为任何取代它的新理论一定要通过先前的理论所通过的全部检验，以及一些新的检验。这样，当爱因斯坦的引力理论出现后，牛顿的引力理论也不会变得毫不相关。在描述苹果从树上掉落的方式时，牛顿的理论仍然会发挥很好的作用；爱因斯坦的理论也会解释这一点，但除此之外，它还会解释，比如水星轨道的细节，而牛顿的理论却不能对此做出解释。同样，达尔文-华莱士理论得以优化和改进，相当一部分是由于对DNA工作方式的理解及其发展，但这并没有使19世纪时他们偶然发现的基本真理失去价值。

自然选择已经在我们的身边发挥了作用——其中一个最美丽而贴切的例子，就是加拉帕戈斯群岛（Galapagos Islands）的雀种群，达尔文看到之后也颇为震惊。乔纳森·维纳（Jonathan Weiner）的《雀喙之谜》（The Beak of the Finch ）一书描述了更多吸引人的相关细节。在实验室的实验中，我们也可以发现自然选择在发挥作用，比如果蝇这种生物，它的寿命很短，可以被研究许多代。鉴于在我们宇宙中运行的物理定律，其实我们并不需要智能设计师来解释我们如何成为现在这个样子。那么宇宙的智能设计师的工作领域在哪里呢？

｜设计的宇宙｜

如果宇宙的设计师通过生产黑洞来制造新的宇宙——这也是目前我们所了解的唯一方式，他们会从三个层面来操作。第一层面只是制造黑洞，没有任何影响物理定律在新宇宙中运行的意图。就宇宙的进化而言，这一点本质上与李·施莫林的方案是一致的，即由众多宇宙构成的多重宇宙从自然的黑洞中被创造出来，但此外，设计师可能会用他们自己的宇宙中一生的时间来制造更多的黑洞和婴儿宇宙，其数量远远超出自然形成的黑洞和婴儿宇宙的数量。人类几乎已经达到了这一层面，杰格瑞·班福德的小说《宇宙》把前景放在一个令人愉快而又虚幻的环境之中。有趣的是，这可能暗示了在多重宇宙中智能生活被“选定”，因为智能可以制造黑洞，蕴含智能的宇宙比无生命的宇宙更为常见。

第二个层面，对于一个稍微先进一点的文明来说，将涉及在某一方向推进婴儿宇宙特性的能力。比如，它有可能调整黑洞形成的过程，这样婴儿宇宙中的引力要比母宇宙中的引力稍强一些，但没有设计师能精确地说出它将强到什么程度。

第三个层面，对于一个非常先进的文明来说，将涉及在婴儿宇宙中准确设置物理参数的能力，比如，碳共振的精确值，从而详细地设计出婴儿宇宙。正是在这一层面上，我们能够与设计婴儿做一个类比——与通过修复DNA来获得一个完美的孩子有所不同，一个非常先进的技术文明会通过修复物理定律来获得一个完美的宇宙。至关重要的是，婴儿宇宙一旦形成，那么在任何情况下设计师都不可能——即使在最先进的水平上也不可能——再进行干预。从它自身发生大爆炸的那一刻起，每一个宇宙都将依靠自己独自运行。

制造婴儿宇宙中最令人吃惊的是，正如我所解释的，它很简单——比在计算机中模拟类似于我们的宇宙要简单得多，至少在第一层面。鉴于此，伪造宇宙观点的支持者所使用的全部论点会更有说服力地应用于制造宇宙的观点之中。即使伪造者是正确的（我的确相信他们是正确的），根据他们自己的推理，制造宇宙的数量应该远远超过模拟宇宙的数量，因此极有可能（在伪造者的语言中，指数显示更有可能）我们居住在一个制造的宇宙中，而不是一个计算机模拟中。

哈里森的提议指出，在一个最初的 [11] 宇宙景观中，进化通过施莫林的过程自然地发生，直到至少一个宇宙出现，而该宇宙所具有的智能与我们的智能在同一层面上。智能设计 [12] 加上进化会导致类似于我们的宇宙的大量繁殖（从适合智能生命的意义上来说），以至于“非智能”宇宙变成了整个多重宇宙中的一小部分。第一个智能宇宙可能在偶然间被生产出来，但从那以后，制造的宇宙大量繁殖并占据主导地位。从这个意义上说，在多重宇宙的宇宙景观背景下，似乎很可能我们周围宇宙的存在，是人择选择（把术语“人择”一词扩展为任何智能的生命形式）和适合生命的调整两者的产物。

正如哈里森发表在皇家天文学会季刊（Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society ）的一篇文章中所说：

生命自身接管了创造的任务……创造我们宇宙的高级生命所居住的宇宙与我们的宇宙并非大相径庭。它们不仅是智能的，而且还是可理解的，并可能与我们也会创造宇宙的遥远后代有相似之处。这些高级生命如何创造我们的宇宙，他们自身又是如何被创造出来的，这些都成为目前可理解的议题，并等待我们去探索。

做这项工作所需的智能可能比我们的智能要优越一些，但它与我们的智能大致相同，是一个有限的智能，而不是一个无限的不可理解的神。这样的智能制造宇宙的原因，极可能与人们做如下事情的原因相同，如爬山或用像大型强子对撞机这样的加速器来研究次原子粒子的本质——因为他们可以做到。拥有制造婴儿宇宙技术的文明可能会发现难以抵挡的诱惑，而在宇宙设计的更高层面，如果高级智能是像我们一样的任何事物，那么就会有一个势不可挡的诱惑来改进他们自己的宇宙设计。

这为阿尔伯特·爱因斯坦常常提出的难题，提供了一个最好的解决方案，“关于宇宙最不可理解的事物就是，它是可理解的”。对于人类的心智来说，宇宙是可理解的，因为至少在某种程度上，它是由思维与我们相似的智能生命设计的。弗雷德·霍伊尔表达得略有不同。“宇宙，”他常说，“是一个圈套。”我相信他所说的是正确的。但为了使大家理解这个“圈套”，我们需要本书中讨论的每一个基本原理。

我认为，“因果补丁”论点和热力学之间的比较意味着尽管因果补丁之外没有任何事物可以影响我们，但我们仍然仅存在于此处，是因为因果补丁外部的一切事物都存在着。我们存在的这一事实，似乎是我们的确生活在多重宇宙中的最好证据。对于我们今天的多重宇宙，它最好的数学描述就是弦景观，苏士侃已经展示了它本质上与休·埃弗莱特的多世界“景观”是相同的，该观点近来被戴维·多伊奇表达得最为清晰。从任何一个观点来看，泰德·哈里森对李·施莫林关于宇宙进化观点的改进，涵盖了宇宙的智能设计师的角色，也使得该理论更加全面。根本不存在关于宇宙巧合的难题。确实，宇宙被创建，从而为生命提供家园，但一旦宇宙开始运行，生命就会通过一个自然选择的过程进化，而无须外界的干扰。与其说人类是上帝通过想象创造出来的，还不如说宇宙似乎是宇宙设计师通过想象创造出来的。

注解：

[1] 　这一问题我在《深奥的简洁》一书中讨论得更为充分。

[2] 　无限的网络本身可能就是宇宙景观中无穷多的此类网络中的一个。

[3] 　“再加工”物理参数的观点事实上可以追溯到20世纪70年代（在单一的“反弹”宇宙背景下）约翰·惠勒（John Wheeler）的作品中。顺便说一下，正是惠勒给黑洞起了这个令人回味的名字。

[4] 　“巧合”是一个不太恰当的词，因为如果施莫林的观点是正确的，那么生命就像寄生虫一样，利用促进黑洞形成的条件而进化。不管怎样，黑洞才是真正重要的。

[5] 　坦白地说，施莫林并不是特别喜欢这个论点，但我很喜欢！

[6] 　严格地说，这代表着下一代的存活率；如果后代没有继续繁殖就全部死去了，那么有很多后代也没什么好处。但进化生物学家用术语“后代”（offspring）涵盖了这一切。

[7] 　杰格瑞·班福德（Gregory Benford）的科幻小说《宇宙》。

[8] 　令人困惑的是，哈里森把它称作“宇宙的自然选择”。他与施莫林都使用了相同的名字，但所指的并不是相同的事物。

[9] 　“被制定”是指硬币在铸币厂被打压印制出来，而不是现代意义上的被删除。

[10] 　一个相似的观点出现在豪尔赫·路易斯·博尔赫斯（Jorge Luis Borges）的小说《小径分岔的花园》（The Garden of Forking Paths ）中。

[11] 　在使用“最初”一词时，我颇为迟疑，因为正如我前面所讨论的，时间流动可能就是一种错觉；但日常用语真的不能胜任描述永恒的多重宇宙的任务，所以我不得不用这个词。

[12] 　并不是反进化论者提出的那种“智能设计”！

译者后记

翻译完本书后，我们感受到了原著作者约翰·格里宾（John Gribbin）开阔的科学视野，在本书中，涉及当前科学研究的诸多前沿知识和深奥的专业理论，如广义相对论、量子理论、人择宇宙理论、黑洞、生命的起源，等等。特别是本书的中心议题——多重宇宙理论，更使我们对浩瀚宇宙的复杂性和无限可能性有了进一步的了解。尤为难能可贵的是，作者用了大量生动形象的比喻和例子将这些深奥的理论解释得尽可能浅显易懂，例如将多重宇宙比喻为一个有无限多藏书的图书馆，这对初次接触这些理论的广大读者来说不啻为一个良师益友。

在本书翻译过程中，我们在忠实于原著的前提下，尽可能使表达符合汉语的习惯。但是，因为两种语言在表达习惯和叙述风格方面的差异，在译文中不可避免有些句子会留下英语的表达痕迹，这一点相信读者可以理解。此外，原书所附“延伸阅读”均为英文著作，国内读者不易查阅，就没有译成中文，有兴趣的读者可与译者联系。

因为书中涉及的知识面很广，专业术语众多，为使译文与国内通行的标准译语一致，我们参阅了大量的同类文献，如目前在国内发行的约翰·格里宾的另两本译著——《寻找薛定谔的猫》和《霍金传》，对于个别专业名词没有标准的译法，我们对其含义或作音译或作意译。此外，在不同的语境下，有些词的译法会有所不同，对于这种情况，我们并没有刻意地追求同一词语或句子前后完全一致，而是在确保清楚表达原著作者意图的前提下，做了灵活的处理，如“irregularity”一词，在第二章中翻译为“褶皱”，但在其余章节中翻译为“不规则性”。

在翻译此书时，我们参阅了许多书籍和辞典，如《牛津当代百科大辞典》和《朗文当代英语大辞典》，获益匪浅。当然，在信息技术高度发达的今天，丰富便捷的网络资源也给我们提供了很大的帮助，例如《维基百科》，给我们提供了多角度了解相关专业知识的窗口。

当然，翻译此书并不代表书中的每一个观点都是正确的，正如作者在文中所说的那样，迄今为止，理论学家们正在研究的多重宇宙的观点之中，尚未有一种观点被证实是正确的。但是，本书为我们展示了一位严谨的科学家是如何通过推理、通过思辨不断探索宇宙真相的，书中表现出来的严谨缜密的科学思维方法是值得许多人学习的。

本书的引言、第一章和第二章由常宁翻译，第三至第五章由何玉静翻译，第六章、第七章由刘茉翻译，常宁对全部译文作了修改和润色，以尽可能保持译文风格的前后统一。在翻译过程中，我们共同面对专业知识上的“拦路虎”，为了一个译名的表达费力斟酌，常常争论得面红耳赤，深刻体会到了“戴着镣铐跳舞”的苦涩与艰辛，也常常为翻译中的“得意之笔”而欢欣鼓舞。在此要特别感谢朱振立和任辉两位同志，他们反复审阅了本书的内容，认真校对每一句话，站在专业的角度为本书提出了很多宝贵的意见，并翻译了封面、目录、扉页等内容。

向海南出版社的孙芳同志表示衷心的感谢，感谢她的信任，使得我们经受了一次精神和知识的双重洗礼，感谢她在幕后所做的大量卓有成效的工作，使得我们有机会把这样一部优秀的作品介绍给国内爱好科学的广大读者。

常宁

2011.11.11

附录
专有名词中英对照索引

序言

量子物理学quantum physics

多重宇宙Multiverse

人择宇宙anthropic cosmology

导言

“外部”星云“external”nebulae

星系galaxy

星系团galaxy cluster

宇宙学红移cosmological redshift

空间延伸效应space-stretching effect

多普勒效应Doppler effect

等效速度equivalent velocity

退行速度recession velocity

地球般的平庸terrestrial mediocrity

能量火球a fireball of energy

大爆炸the Big Bang

多世界many worlds

回顾时间look back time

空间泡泡the bubble of space

多重宇宙Multiverse

假定的世界的多元性the supposed Plurality of Worlds

人择宇宙学anthropic cosmology

多世界诠释many worlds interpretation

第一章

量子实体quantum entity

薛定谔的猫Schrödinger’s cat

次原子sub-atomic

不确定性uncertainty

共轭变量conjugate variable

测不准原理Uncertainty Principle

速度向量velocity

普朗克常数Planck’s constant

概率probability

波函数的坍缩the collapse of the wave function

光电效应photoelectric effect

光子photon

干涉图案interference pattern

量子物理学诠释interpretations of quantum physics

哥本哈根诠释Copenhagen Interpretation

波函数wave function

叠加态superposition of states

盖革计数器Geiger counters

猫悖论cat paradox

无限回归infinite regression

多世界诠释Many Worlds Interpretation

多重宇宙Multiverse

博弈论game theory

分裂splitting

阿米巴变形虫amoeba

确保相互摧毁Mutually Assured Destruction

特征值eigenvalue

平行世界parallel worlds

祖母悖论granny paradox

自洽的self-consistent

量子跃迁quantum transition

状态向量state vector

第二章

人择推理anthropic reasoning

暗物质dark matter

重子物质baryonic matter

原子元素atomic element

重元素heavy element

激发态excited state

基音the fundamental

演奏泛音harmonics

能量级energy level

动能kinetic energy

涨落fluctuation

引力场gravitational field

重力势能gravitational potential energy

核子nucleon

强核力strong nuclear force

电力electric force

超新星supernovae

强力strong force

氘deuterium

重氢heavy hydrogen

弱力weak force

电磁力electromagnetism

指数计数制exponential notation

平方反比定律inverse square law

排斥力repulsion

吸引力attraction

电荷electric charge

正电荷positive charge

负电荷negative charge

体积法则volume rule

宇宙学常数cosmological constant

宇宙斥力cosmetic repulsion

人择限制anthropic limit

褶皱irregularity

临界密度critical density

大坍缩Big Crunch

重子baryonic

引力坑洞gravitational potholes

平坦性flatness

封闭的closed

封闭的宇宙closed universe

开放的宇宙open universe

暴胀inflation

平滑性smoothness

块度lumpiness

质心center of mass

静质能量rest mass energy

观测宇宙学observational cosmology

宇宙背景辐射cosmic background radiation

负反馈negative feedback

离心力centrifugal force

立方反比定律inverse cube

正反馈positive feedback

维数dimensionality

系综ensemble of universes

第三章

量子位元Quantum Bits

时间流逝Time Slips

影子对应物shadow counterparts

二进制数字或位binary digits or bits

字节byte

处理器processor

自旋spin

量子位元qubit

寄存器register

量子字节qubyte

量子并行性quantum parallelism

素数prime number

偶数even number

因子factor

平方根square root

密码学cyptography

肖尔算法Shor’s algorithm

量子干涉效应quantum interference effect

消相干decoherence

量子点quantum dot

核自旋态nuclear spin state

无线电频率电磁脉冲radio-frequency electromagnetic pulses

磁共振成像magnetic resonance imaging

速度空间velocity space

分速度velocity component

相空间phase space

混沌理论chaos theory

时间轴time line

时间中的“横向”移动“sideways” in time

现实的“块宇宙”模型the “block universe” model of reality

鸽子洞pigeon hole

虫洞wormhole

第四章

熵entropy

熵增加increasing entropy

庞加莱循环时间Poincaré cycle time

庞加莱始态复现时间Poincaré recurrence time

开氏温标the Kelvin scale

热寂（或热死）heat death/thermal death

涨落fluctuation

以太aether

元宇宙meta-universe

玻尔兹曼型涨落Boltzmann-type fluctuation

混沌chaos

哈勃体积Hubble volume

第一层多重宇宙Type I Multiverse

曲率curvature

球面几何模型spherical model

经典热力学classical thermodynamics

静态static

动态dynamic

太空void

引力的负性the negativity of gravity

平方反比定律inverse-square law

原恒星proto-star

核聚变反应nuclear fusion reactions

奇点singularity

大坍缩big crunch

反引力antigravity

大反弹big bounce

反弹模型the bouncing model

循环模型cyclic model

振荡宇宙模型oscillating models of cosmology

镜像mirror image

对称性symmetry

暴涨inflation

第五章

量子引力理论a quantum theory of gravity

零点time zero

历元epoch

物质团lump of matter

标准大爆炸模型the standard Big Bang model

元宇宙meta-universe

粒子物理学particle physics

量子场理论quantum field theory

反粒子antiparticle

正电子positron

量子电动力学quantum electrodynamics

弱电理论electroweak theory

万物之理the Theory of Everything

微粒性graininess

不确定性关系uncertainty relation

共轭变量conjugate variables

参数对pairs of parameters

电子-正电子对electron-positron pair

真空涨落vacuum fluctuations

量子涨落vacuum fluctuations

虚粒子virtual particle

质能mass-energy

高能粒子物理学high energy particle physics

高能粒子加速器high energy particle accelerators

夸克quarks

电弱力electro-weak force

大统一力grand unified force

纯量场scalar field

负引力negative gravity

倍增时间doubling time

指数式增长exponential growth

指数式膨胀exponential expansion

德西特宇宙de Sitter universe

反引力antigravity

恒稳态宇宙模型the Steady State Model of the Universe

宇宙时间cosmic time

物质能量mass-energy

普朗克长度Planck length

普朗克时间Planck time

普朗克尺寸Plunck size

大爆发outburst

混沌暴涨chaotic inflation

微调fine-tuning

基本力fundamental forces

第二层多重宇宙Type II Multiverse

永恒暴涨eternal inflation

“永恒的”混沌暴涨“eternal”chaotic inflation

弦和膜strings and membranes

暴涨场the inflation field

因果补丁物理causal patch physics

补丁patch

因果补丁causal patch

信用credit

统计涨落statistical fluctuation

特殊理论the special theory

超星系团superclusters of galaxies

第六章

欧拉β函数Euler beta function

重整化renormalization

弦理论string theory

大统一理论中Grand Unified Theories

引力子graviton

光子电磁引力gravity of the photon for electromagnetism

自旋为2的玻色子spin-2 boson

引力辐射gravitational radiation

圈量子引力论quantum loop gravity

量子粒子quantum particles

基本原理first principles

紧化compactification

卡鲁扎-克莱恩理论Kaluza-Klein theory

量子电动力学理论theory of quantum electrodynamics

紧化compactified

第六理论sixth theory

超引力supergravity

p -膜p- branes

M-理论M-theory

泡泡宇宙bubble universes

相邻的宇宙universe next door

三维膜世界3-dimensional brane worlds

反膜antibrane

高维宇宙high-dimension universes

低维宇宙small-dimension universes

反弹模型bouncing model

宇宙景观the cosmic landscape

卡拉比-丘形流Calabi-Yau manifolds

真空能量vacuum energy

普朗克点Planck points

弦景观string landscape

袖珍宇宙pocket universe

平行观点parallel perspective

黑客帝国系列电影Matrix series of movies

第七章

弦理论景观科学（the science of the string theory landscape

人择解决方法anthropic solution

伪真空false vacuum

虚拟实境metaverse

人择参数anthropic arguments

威利汽船Steamboat Willie

霍金辐射Hawking radiation

信息的守恒定律law of conservation of information

潮汐力tidal forces

互补性complementarity

虚拟世界Sim World

无理数irrational number

量子引力quantum gravity

圈量子引力论quantum loop gravity

“反弹”宇宙“bouncing” universe

基本粒子物理学elementary particle physics

进化生物学evolutionary biology

量子泡泡quantum foam

最佳值optimum values

引力能gravitational energy

星际气体云团interstellar gas clouds

碳共振carbon resonance

适应度景观fitness landscape

生态位ecological niche

微分存活率differential survival rate

遗传景观genetic landscape

硬科学hard science

施瓦茨席尔德半径Schwarzschild radius

时间维度temporal dimensions

智能设计Intelligent Design

引力理论the theory of gravity

进化理论the theory of evolution

我即我脑

［荷兰］迪克·斯瓦伯◎著
王奕瑶　陈琰璟　包爱民◎译
包爱民◎审校

海南出版社
·海口·

目录

各方赞誉

推荐序 大脑决定人生

中文版自序 脑科学在中国

前言 我所知道的大脑

第1章 我即我脑：大脑决定人生

大脑决定我们是谁

一脑一人生

第2章 子宫中的成长、分娩与父母养育

分娩是否顺利是由宝宝和妈妈的互动决定的

难产、早产对孩子的伤害言过其实了吗

出生后前几年的忽视，会毁掉孩子一生的幸福

在孩子的成长过程中，父亲同样重要

什么样的环境能让胎儿脑瓜变聪明

胎儿对声音、振动、味道和气味都有记忆

第3章 胎儿大脑在子宫中受到的威胁

恶劣的环境将影响胎儿大脑的发育

成瘾物质和药物都会引起大脑发育异常

胎儿在子宫内的感受，决定了大脑日后的编程

胎儿能感觉到疼痛吗

我的腿是多余的

第4章 子宫中大脑的性分化

是男是女，大脑说了算

男孩天生爱汽车，女孩天生爱娃娃

同性恋究竟是先天的还是后天的

动物中也有同性恋

改变同性恋，只是痴人说梦

我本是男儿身，又不是女娇娥

看看杰克逊的大脑，澄清恋童癖的传言

社会怎么看我的关于大脑性分化的研究

教皇是男是女？让我检查一下！

第5章 大脑与青春期、爱情和性

青春期始于一个热吻

父母是青少年的前额叶

恋爱是一种临时的精神错乱

一天中有23个小时，大脑都在抑制性行为

性高潮是暂时的精神失常

处于排卵期的脱衣舞娘赚的小费更多

神经疾病、精神疾病与性行为

第6章 下丘脑：生存、激素和情感

喝不够水？也许是下丘脑出问题了

名不见经传的下丘脑，掌管着你的生存能力

抑郁症的祸根在下丘脑

怎么吃都吃不饱

胖子越来越多

头疼，就像一根又红又烫的拨火棍刺在我的眼睛里

大喜过望使他们手脚无力，瘫倒在地

她突然大笑起来，完全没有原因

骨瘦如柴的模特不是厌食症流行的罪魁祸首

第7章 成瘾物质与大脑

吸食大麻可能会患精神病

摇头丸：娱乐后的大脑损伤

世界领导人也有物质滥用

第8章 大脑与意识

忽略症：生活在半个世界里

昏迷和相关状况

大脑皮层和丘脑对意识至关重要

大脑结构之间的功能性联系对意识的重要性

自觉意识的“欺骗”和丢失

缺失信息的“填补”

有关意识机制的观点

第9章 攻击性

在娘胎里，他就是个好战分子

25岁以下的男孩你惹不起

很多杀人犯都是精神病

刑罚是为大脑健全的人设立的

在睡梦中，平时温和的人也会杀人

第10章 自闭症

天才和精神病之间有什么区别

不是孩子带得不好才自闭

自闭天才可能只是个传说

每个人的大脑中都有一个“小雨人”

第11章 精神分裂与幻觉

精神分裂，任何时代和文化都存在的疾病

精神分裂症的症状

精神分裂症是一种大脑发育障碍

由刺激缺乏而产生的幻觉

其他幻觉

第12章 修复大脑和电刺激

老年性失明：黄斑变性

有些治疗方法来自医疗事故

大脑电刺激，就像打开了“惊喜盒”

人造幸福感还是不靠谱

你的大脑修好了

用胎儿的脑组织修理病人的脑子

将一段DNA作为一种药物

不是你努力，大脑就能自我修复的

第13章 大脑与体育

拳击：神经的色情文学，让大脑受伤的运动

分辨运动员的性别是件棘手的事

观看比赛比亲自参加比赛更健康

第14章 道德的大脑，大脑的道德

失去前额叶皮层，我们将失去很多

道德行为：兽性中的人性

无意识的道德行为

什么样的大脑是“不道德脑”

大自然教给我们什么是更好的社会

第15章 记忆

记忆是怎么回事

大脑的哪些部位与记忆有关

信息是如何到达长时记忆的

错把妻子当帽子

小脑是适于学习复杂知识和动作的脑结构

第16章 大脑与宗教

有没有信仰，完全是天生的吗

宗教让我们享有很多世俗的好处

信教的大脑

没有宗教，世界会更美好吗

别碰经期的女人，也许有道理

为他人祈祷，宽慰自己

宗教就是许多人同时患有一种妄想症

颞叶癫痫：来自上帝的信息

对于我的宗教观点的社会反响

第17章 灵性的大脑

灵魂只是一个美好的误会

心脏与大脑的地位之争

濒死体验：隧道尽头那明亮的光

有效的安慰剂

传统中医学：针灸具有特殊的生理效应

草药治疗

第18章 自由意志，一个愉快的错觉

我们有选择的自由吗

大脑是一台巨型的无意识的电脑

把别人的胳膊当自己的

科学和艺术难道都是大脑的误打误撞吗

我不是故意要伤害你

第19章 阿尔茨海默病

衰老，一部向开始的方向回放的电影

痴呆不一定就是阿尔茨海默病

是什么引发了阿尔茨海默病

阿尔茨海默病中的渐进性退化

用进废退：重新激活阿尔茨海默病患者的神经细胞

增加脑活动可以预防阿尔茨海默病

更多的光照可以减缓记忆衰退

目前正在进行的研究

阿尔茨海默病患者也有疼痛感

在恰当的时刻选择结束生命

第20章 死亡

死亡与尚未诞生没有什么区别

德芒医生和黑约翰先生

在生命的终点，我要完全做主

荷兰人脑库

为漫长的死后生活而准备的草药

第21章 大脑的发展

大脑容量不同，决定是人还是猴

大脑的进化

分子进化

为什么是一个星期

第22章 结论

先天性和遗传性

功能性畸形学

大脑的性分化

要多观察有难产分娩经历的婴儿

给新生儿一个良好的成长环境

对社会没有贡献的人，应该受到谴责吗

大脑和法律

生命的终结

新进展

致谢

译者后记

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各方赞誉

脑科学从诞生伊始就不可避免地与哲学“混搭”。“我即我脑”可以说是“我思故我在”的拓展，也可以说是为意识的起源寻找物质基础。事实上，完全可以说，大脑决定了我们的人生。

周江宁　中国科技大学

荷兰最有趣、最具独创性的大脑研究者之一——斯瓦伯教授，对大脑研究的热情在本书中显露无遗。

G. J.德·弗里斯（G. J. De Vries），美国马萨诸塞州州立大学

至于这本书是不是关于上瘾、精神分裂症、攻击、死亡或是进化的，除非认真地思考，否则你无法知道它在讲什么。

R. M.布耶斯（R. M. Buijs），墨西哥国立自治大学

对于神经科学，患有内分泌疾病、神经疾病或精神疾病的人以及特殊人群来说，这是一次伴随着奇妙的逸闻趣事的万花筒式的探索。

E.福里勒斯（E. Fliers），阿姆斯特丹大学医学中心

迪克·斯瓦伯是当代最重要的大脑研究专家，他的书《我即我脑》让人爱不释手。特别适合对大脑研究感兴趣的非专业人员、缺乏经验的年轻研究者，当然，还有已经在其他领域建立自己的知识体系的同人们。好好享受这本书吧！

E. J. A.斯赫德（E. J. A. Scherder），阿姆斯特丹自由大学、格罗宁根大学

斯瓦伯是世界上最出色的大脑研究专家。你在阅读这本书时能体会到，书中讨论的问题都是很容易识别的，解释也极具独创性。书中讨论到的很多研究都是作者自己独立完成的。关于《我即我脑》这本著作，我要给出一个建议：与你的至亲好友以及认识的人一起阅读讨论。

J. A.范·德·波斯特（J. A. van der Post），阿姆斯特丹大学医学中心

多年前，迪克·斯瓦伯为国际神经科学界贡献了他的《人类的下丘脑》一书，如今他又成功地将大脑与环境的关系呈现到更广泛的公众视野中。

W. J. G.霍根德科（W. J. G. Hoogendijk），阿姆斯特丹自由大学医学中心、阿姆斯特丹精神健康中心

这本书的特别之处在于，斯瓦伯教授从容地将他的视野拓展到头盖骨之外——就好像头盖骨已经让他施展不开拳脚了似的。他将大脑放在社会、文化、信仰和历史中。斯瓦伯把他的研究成果称作“我个人微不足道的观点”。实际上，这在最大限度上反映出了一名优秀的大脑研究者的品质：尊重文化与个人偏好之间的差异，坦率地批评那些对人类不利的观点。

E. J. W.范·索美伦（E. J. W. van Someren），荷兰神经科学协会、阿姆斯特丹自由大学

推荐序
大脑决定人生

中国科学技术大学生命科学学院神经生物学教授

周江宁

我是迪克·斯瓦伯教授的第一个中国学生。按老师的要求，我一直称他为迪克。我的学生们则称他为迪克教授，因为他们觉得直接称迪克似乎有些不敬。看来，我的学生们比我更具有中国传统文化素养。

早就听说迪克最近写了一本书在荷兰异常“火”，近半年一直高居科普类畅销书榜首。很遗憾没有机会读到原书，因为他是用荷兰语写作的。不由得想起20年前，当我决定要去阿姆斯特丹，在迪克的指导下攻读博士学位的时候，我和迪克讨论我是不是应该先去学习荷兰语，他回答我说：“学习荷兰语是浪费时间，请立即过来。”大多数时候我都同意他的观点，但是这一点，我一直耿耿于怀。现在终于证明：如果我当时学会荷兰语，我就可以在第一时间读迪克的这本书了。感谢众多的中文翻译者所做的努力，特别是包爱民教授的辛勤工作，我们终于可以阅读本书的中文版了。像往常一样，每次得到老师的文章时都会迫不及待地从头到尾读一遍。也像迪克的大多数学生一样，总是试图在有了自己的实验室后，在脑研究的领域避开老师的影响。我已经试了20年了，但是读完本书之后，我又一次放弃了。

《我即我脑》（原书直译），迪克的这本书，从时间上涵盖了在子宫中诞生的“我脑”到死亡后一直延续的“我脑”的信息和编码。从功能上包括了从人类最原始的性功能到最高级的认知功能。现在的准妈妈们对怀孕时母亲对胎儿的影响非常重视，经常有“胎教”之说。读完本书后，你会知道胎儿的大脑对母亲有多大影响，是胎儿的大脑告诉妈妈应该何时分娩的。换句话说，“胎教”是胎儿对母亲的教育。

如今的社会对谈论性取向或性别身份的自我鉴定已经十分宽容了。可是在20年前，当迪克首次证明同性恋的大脑与异性恋的大脑有差异的时候，曾引起了轩然大波。书中描绘了当时社会上甚至包括科学界激烈反对的情况。幸运的是，当5年后我们证明变性人 [1] 的大脑与正常人的不同时，社会上则是一片赞扬之声。

我们国家已经进入了老龄化的社会，脑的老化和老年性痴呆是大家非常关注的话题。迪克在20年前就提出了在大脑老化过程中，大脑的“用进废退”的假说。已经有许多证据表明：适当的刺激可以重新激活老化过程中失活的脑细胞，多锻炼脑比锻炼身体更重要。

脑科学的研究最终是为了解决脑疾病的问题，本书通过作者亲历的病例描绘了脑疾病发生时的表现和可能的原因。尽管它可能还不是最终答案，但是医学研究的美妙恰恰在于它的不确定性。脑科学从诞生伊始就不可避免地与哲学“混搭”。“我即我脑”可以说是“我思故我在”的拓展，也可以说是为意识的起源寻找物质基础。迪克不是一个哲学家，但是从他对意识、自由意志、道德、灵魂，甚至是宗教的描述中，我们也许可以期待建立“神经哲学”这一新的学科。事实上，完全可以说，大脑决定了我们的人生。

在书的尾声，迪克描述了另一幅美丽的画面：在死后的脑组织中，如果及时取材，我们可以在体外培养，继续观察到生命的迹象，即“死亡后的生命”。再退一步，在志愿者死后捐献的脑组织中仍然存在大量的信息，这为我们研究脑的功能和揭示脑疾病的病因提供了独一无二的资源。

迪克是荷兰人脑库的奠基者。数十年来，荷兰人脑库为全世界的科学家提供了大量的脑组织标本，为神经科学的发展以及造福后人做出了巨大的贡献。我于1998年回国的时候就希望在中国建立人脑库，但是由于种种原因而未能取得进展。每每想起这件事，总是觉得愧对老师。也许，这个心愿要由我的学生们来完成了。

注解：

[1] 　即正文中提到的异性癖。周江宁教授这里采用的“变性人”一词即本书正文中为了区别大众词汇中的“变性人”而使用的“异性癖”一词。——编者注

中文版自序
脑科学在中国

迪克·斯瓦伯

我和中国的联系始于1991年。那一年，我意外地收到一个名叫周江宁的中国学生的来信，他问我，他是否可以来阿姆斯特丹到我的实验室来做博士研究生。我回信说非常欢迎他来，但是我们需要先为他申请奖学金以支付他在阿姆斯特丹的生活费用。半年之后他再次写信给我，告诉我他已经成功获得NUFFIC [1] 奖学金的资助。不过，他不打算立即前来，因为他想先学习荷兰语。我给他回信说：“学习荷兰语是浪费时间，请立即过来。”

在我当时担任所长的荷兰脑研究所里，来自大约12个国家的科学家们在一起工作，大家用英语交流，有时候带着令人惊异的口音。在此后的8年时间里，周江宁从博士研究生到博士后，一直都在我们研究所做研究。

从后续结果来看，周江宁的到来对于这本书在20年之后在中国出版起到了至关重要的作用。周江宁于1998年回到中国，在后来我和我儿子第一次对中国进行访问期间，江宁担任我们的私人向导。对于我来说，那一次访问不仅是一次文化震撼，也是我对中国产生强烈的热爱之情的开始。在那一次以及随后多次对中国的访问期间，我充分体验到了这个充满幽默感的勤劳民族的热情好客。在上海、北京、西安以及长江南部的“水乡”，我欣赏到了中国几千年的历史和文化遗迹。我还在黄山、九寨沟、西双版纳、桂林等地观赏到美丽之至的自然风景。从我首次访问中国开始，我与中国学术界的联系就迅速扩展开来。我定期访问中国，做学术报告、授课、参加学术会议，启动中荷两国间科研合作。与此同时，许多既有天赋又肯努力工作的中国学生也陆续来到阿姆斯特丹，来到我的实验室，通常要学习和工作许多年。此外，我还被中国的多所大学和研究所聘请为客座教授：1998年在安徽医科大学，1999年在首都医科大学，2005年在北京放射医学研究所，2007年在浙江大学。2011年，我非常荣幸地被浙江大学聘任为光彪讲座教授。

这些年来，我目睹了中国的迅速发展及其在世界政治、经济和科学等领域获得领先地位，心中充满了钦佩之情。在我与中国科学家的广泛交流中，以及我对中国多地进行的多次访问中，我了解到许多关于中国的知识。尤为重要的是，在我与中国合作者们的坦诚讨论中，我不仅向他们学习科学知识，还带着快乐的心情和极大的兴趣学到了有关中国人性格、中国文化、传统，甚至是关于宗教的观点等方面的知识。我对文化之间的差异很感兴趣，例如中国人会对家庭、集体以及国家的利益给予优先考虑，或者说中国人对这些概念比更主张个性独立的欧洲人要看得更重。

我们的大脑受到遗传背景以及成长环境的双重影响。在这两个方面，中国和欧洲的确存在着差异。我总是将我培养出的76位博士看作自己的“科学孩子”。当他们最终成为教授并将自己的学生送到我的研究组来工作时，他们总是喜欢和我开玩笑说，那些孩子就是我的“科学孙子女”。这些“孙子女”中的一位是来自周江宁教授研究组的包爱民，她的部分博士研究生工作在合肥完成，另一部分在阿姆斯特丹完成。眼下她已成为浙江大学医学部的一位神经生物学教授。当初她在博士毕业之后，曾到我的研究组工作了很长时间 [2] ，足以充分理解我的见解——不仅是神经科学知识，还有脑科学研究在社会、文化、宗教和历史中的地位。她有一种强烈的愿望，希望促进东西方神经科学家之间以及神经科学家和普通民众之间的交流，这使得她在本书中文版诞生的过程中扮演了中心角色。

这本书是我一生脑研究工作的总结，也是关于这些工作的社会效应的讨论。它的结构是简单的，遵循着以下路线：从大脑在母亲子宫内的孕育，到死亡后科研人员对大脑标本的研究，其间包括有关大脑的功能和疾病的至关重要的信息。它向普通民众、学生以及不同专业背景的研究者们描述了胎儿大脑是如何发育的，在母亲怀孕的过程中子宫内外环境中有哪些威胁胎儿发育的因素，大脑的性别分化方式，以及人们性格中的很多方面是如何在母亲的子宫内就被决定的。这本书还阐明了胎儿和母亲的大脑是如何合作并调节胎儿的分娩过程的，此外又涵盖了其随后的阶段，例如青春期、恋爱中的大脑，大脑的衰老以及大脑在阿尔茨海默病（即老年痴呆症）中衰退的过程。

本书讨论了大脑在进化中的演变以及记忆的机制，还解释了大脑损伤和疾病的原因与结果，并解释了人们如何提高大脑的机能，如何借助诸如深部脑电极刺激和基因疗法等新技术来治疗大脑疾病。

此外，它还论述了源于大脑发育期间的疾病，例如成瘾、抑郁症、自闭症、精神分裂症、进食障碍以及肥胖症等。读完这本书之后，你能更好地理解为什么你会是你现在的样子，正如这本书的题目阐述的：我即我脑。

在这本书的某些部分，我也提出了作为一位外国人，我对于中国文化中的一些重要议题的观点，例如对于令我印象深刻的、被视为“生命的哲学”的传统中医学，包括草药治疗的观点。我非常期待看到在设立了良好对照的医学研究的基础上找到传统中医学作用原理的证据。我还认为，针灸的疗效不仅仅是安慰剂效应。在这本书的其他部分，我还向我的中国朋友们提供了我作为一位脑科学研究者，对于那些仅仅是在近年内才在中国广泛讨论的话题的见解，例如关于同性恋、变性人，以及精神疾病对于道德行为、法律和社会支持所造成的影响。此外，关于我们生命终结时期的所有措施和过程，例如安乐死，我也发表了我的看法。

我还介绍了那些目前在荷兰被激烈讨论的涉及大脑的话题，例如恋童癖和自由意志中的大脑。同样，关于宗教，在欧洲的情形与在中国的佛教中的情形也大相径庭，这是我在参观九华山、普陀山以及那些遍布中国各地的寺庙时所感受到的。但是，所有这些章节都有一个共同点：大脑在这些过程中扮演了中心角色，这一点无论是在中国还是在欧洲都是非常类似的。

我真诚地希望这本书可以加强中荷人民之间以及中荷两国文化之间的联系，因为两者对我而言都非常亲切。最后一点，也是非常重要的一点：如果没有我的“小”学生和“大”合作者——包爱民教授的巨大努力，将这本书介绍到中国来的工作将是不可能完成的任务。我俩曾经就本书中的几百条“困难的句子”进行过热烈的讨论，直到她可以向读者提供简明易懂的、正确的中文译句为止。非常感谢你，爱民！

注解：

[1] 　荷兰高等教育国际交流协会。——编者注

[2] 　指博士后阶段。——译者注

前言
我所知道的大脑

我很明白，读者没有太大必要知道这一切，但我还是需要把这些告诉读者。

——卢梭

21世纪至少有两大科学问题：宇宙从哪里来以及我们的大脑如何运转。我的研究领域刚好针对后一个问题。

我出生于一个特殊的家庭，是听着关于医学各个方面的有趣讨论长大的，这使我终生都热爱这个领域。我的父亲是一位妇科医生，他一直致力于许多备受争议的关于生殖学方面的研究，例如，男性不育、人工授精、避孕药等。不断有父亲的朋友来家中拜访，我后来才知道他们都是各自研究领域里的领军人物。

在孩童时期，我就从德里斯·奎瑞多（Dries Querido）博士那里学到了内分泌学的一些知识。奎瑞多博士后来在鹿特丹建立了医学院。当时我们一起去遛狗，当狗第一次抬起腿的时候，奎瑞多博士告诉我，是性激素作用于大脑后才引起了这个动作。科恩·梵·爱姆德·宝思（Coan van Emde Boas）教授和他的夫人时不时会在晚上来我家做客并和我父母喝点儿东西，他是荷兰第一位性学教授。对一个小孩子来说，他讲的故事实在是太精彩了。有一次，他讲了他和一个一整天都不愿意和他配合进行病情讨论的病人的谈话。最后那个病人终于告诉梵·爱姆德·宝思他为什么那么固执——因为他听说梵·爱姆德·宝思是个同性恋！梵·爱姆德·宝思用胳膊搂住他的肩膀说：“但是亲爱的，你根本就不相信，对吗？”他的反应使那个病人一下子陷入了困惑。我们大家听到这里都忍不住捧腹大笑。

在父亲面前，没有什么问题是不可以问的。周末，我可以和父亲一起读医学著作，在他的显微镜下观察污水中的单细胞生物和植物细胞。

上中学之后，父亲允许我陪他一起参加他在全国各地的演讲。那场关于为避孕药在荷兰使用而做第一阶段测试准备的演讲是我最难忘的，因为那场演讲遭到了宗教界的攻击和侮辱。当时，父亲至少从表面上看起来是很平静地阐述了自己的观点，而我当时可是坐立不安，紧张得流汗了。后来，我将这件事当作一次有用的学习经验，这件事也让我在研究过程中知道如何应对带有强烈情绪的反应。在那一段时间里，避孕药的美国发明者格里高利·平卡斯（Gregory Pincus）偶尔会来我们家，我可以和他一起去欧加农（Organon）公司的避孕药制药厂参观。在那里我第一次接触到实验室。

后来，我决定学习医学。每次吃饭的时候我都会抓住机会同父亲热烈讨论医学领域各方面的问题，讨论的方式非常直接，内容也极其详细，以至于母亲常常大声宣布：“现在讨论结束！”尽管她在1939年的苏芬战争中担任前线手术室护士的经历已经让她多少习惯了这些话题。那时我也在偶然间明白了一件事：我不能只是提出问题，我需要学会回答自己提出的问题。学医之后，认识我的人很快产生了一个误解，他们把我看作一个可以免费咨询各种疾病的专家。有一次，我实在是受够了一位无休止地唠叨她的故事的尤比阿姨，就大喊起来：“尤比阿姨，这真是太有趣了，不如你把衣服脱掉让我们检查一下吧！”当时，整个生日宴会顿时一片安静。这个方法很有效，尤比阿姨再也没有用唠叨来烦我了。但是，其他人还是不停地来问我问题。

学医期间，我希望对实验研究的背景知识多一些了解，因为医学中的概念通常是以实验为基础的。此外，我还想要经济独立，但这一点遭到了我父母的反对。在阿姆斯特丹有两个地方，在那里，医学院学生通过“候选人考试”（在医学院学习三年之后的考试）之后，可以学生助理身份在课余参加实验研究。这两个地方是阿姆斯特丹大学药理学系和荷兰脑研究所。荷兰脑研究所很快有了一个空缺位置。看上去似乎是为我准备的。根据我的家庭背景，课题的选择也不证自明地显示了它将成为神经内分泌学研究的新领域，即研究神经细胞产生激素以及神经细胞对激素的敏感性。当汉斯·阿瑞斯·卡佩斯（Hans Ariëns Kappers）教授对我进行面试交谈时，我提到我对神经内分泌学相关课题很感兴趣。卡佩斯教授立即把汉斯·杨肯德（Hans Jongkind）教授找来，解释说：“这类课题属于杨肯德的部门。”接着他们和我进行了面试交谈，在交谈过程中，他们发现我对文献的了解很少。尽管如此，卡佩斯教授还是对我说：“我们同意让你试一下。”

我的博士学位论文是通过实验研究那些分泌激素的神经细胞的功能。我是在学医的同时进行这项研究的，因此课余时间我都在所里全力以赴地做实验。1970年，当我还在外科医生布雷玛（Boerema）教授手下做实习医生期间，一天下午我请了假，顺利地完成了我的博士学位论文答辩。1972年，我完成医学毕业考试之后决定留在脑研究所。1975年，我成为荷兰脑研究所的执行所长。1978年，我当上了荷兰脑研究所所长。1979年，我成为阿姆斯特丹大学医学院神经生物学教授。此后的30年间，虽然我担任着那些行政职务，但始终都把工作重点放在做研究上。事实上，这正是我选择这个职业的原因。迄今为止，我从研究组里的那些大学生、博士生、博士后和同事们身上学到了很多东西，他们来自20多个国家，都是有思想、具有批评精神并富有才华的优秀人才，我现在还经常在世界各地的神经科学研究所、医院和他们见面。我们整个团队还要感谢那些优秀的实验技术员，他们确保了新研究技术的开发和质量。

在此期间，我遇到过关于不同病例的各种问题，有的问题已经超出了我的专业领域。人们总是会把我当成一位医生，即使我不治病而是专门做科学研究，他们在遇到实际问题时也常常会来找我。脑科疾病会影响到一个人个性的方方面面，因此有人向我咨询最严重的影响是什么。一个星期天的早晨，一位熟人的儿子胳膊下夹着几张脑扫描图来我家中找我说：“我刚听说我只有三个月的生命了，我现在该怎么办？”当我看到那些扫描图时，我真的不敢相信他还可以来到我家问我这个问题，因为他大脑前侧长了一个大肿瘤，他现在竟然还能暂时活着。这个时候你能做的只有聆听，为他们解释研究的成果，为那些陷入绝望的人在众多的医疗方法中做一些推荐。我的孩子们能够正确地看待我的能力，在他们发高烧的时候，如果我拿着听诊器来到他们床边坐下，他们就会坚决地说他们想要一位“真正的”医生。

1985年，我建立了荷兰人脑库（见第20章第4节），正如外界了解的那样，我对死者的大脑进行研究。让我感到惊奇的是，这些研究引起了我对每件与生命最后阶段相关的事物的思考：安乐死、协助自杀、决定为科学研究捐献大脑和尸体。简言之，就是所有和生与死有关的事物（见第20章第3节）。

该领域的研究总是与这些研究对于个人和社会的影响紧密交织在一起。我参加过一些勇敢的母亲的聚会，她们失去了自己的孩子，因为那些孩子患有精神分裂症并自杀。在伊希龙（Ypsilon）组织的旗帜下，这些母亲聚集在一起，支持着其他的存活者。在关于普瑞德–威利症候群的国际研讨会中，我了解到这种疾病患者的家属要比我们这些研究者更加了解这种疾病。研究人员与患者父母坐在一起，讨论导致孩子们拼命吃东西，就算吃得很撑也不罢休的原因。父母们带着自己过度肥胖的孩子从世界各地赶来，研究人员从这些父母的参与中加深了对这种疾病的了解，也受到极大的鼓舞。我们希望更多的患者群体可以参与和科研人员的共同讨论。我们研究组还是率先在荷兰开展对于阿尔茨海默病（即老年痴呆症）进行研究的队伍，当时关于这种疾病的流行还只是一个推测。我们观察到，有些脑细胞可以成功地抵制衰老和阿尔茨海默病，而其他脑细胞则会遭到破坏，这些现象可以为我们研究这种疾病的治疗方法提供指导（见第19章第3节）。由于社会老龄化，我们不得不面对自己的亲人在他们生命的最后阶段由于痴呆而衰退。我们中的大部分人也很了解精神病对精神病患者、患者家庭及其监护人造成的巨大压力。作为脑研究工作者，我们所面临的关于大脑疾病的问题是如此尖锐和感性，这使我们根本无法逃避它们。

普通人对于我们每天奋力解决的问题根本不感兴趣，他们完全错误地认为我们已经了解了关于大脑的一切。他们想听诸如记忆、意识、学习与情感、自由意志和濒死体验等与大脑有关的重大问题的答案。在公开讨论的过程中，许多参与者会摆出一些我并不知道的“事实”，例如，人们仅仅使用了10%的大脑的这种“神话”。这种说法有可能是真的，但是我从来没有看到过关于这种“神话”的依据。此外，人们每天因老化而失去数以千万计的脑细胞的说法也是如此。在接连不断的演讲中，充满兴趣的参与者提出的许多新颖问题能促进我的思考。例如，有一位荷兰籍的日本女孩想写一篇关于欧洲人的大脑和亚洲人的大脑的区别的论文，而这种大脑的区别是真实存在的。此外，我对人类大脑的研究常常会引起一系列的疑问和强烈的社会反响，我被邀请举行一系列公开讨论会来解释一些问题：大脑的性别差异、大脑与性取向和异性癖的关系、大脑发育和精神疾病（例如抑郁症和进食障碍等）的关系，在第2章至第4章和第6章，我会谈及这些内容。

在我积极参与这一领域研究的45年时间里，发生了许多的变化，脑研究已经从一项孤立无援的奇异研究发展为在世界范围内引领科学研究潮流的主题，大量新发现通过数以万计的研究和众多的技术与学科而被快速推出。当年普通民众的神经科学恐惧症已经完全被他们对脑研究的浓厚兴趣取代，这些变化同时也得益于当今优秀的科学媒介。对我个人来说，没有什么科学问题是脱离社会而存在的，超出我的研究范围的大脑其他部分的科学问题每天都在不断地激发我去仔细思考，同时我也在思考如何才能把这所有的一切清楚地解释给普通民众听。就这样，我不断地发展着自己的各种看法：关于大脑的某些方面和它的进化，关于大脑的发育和衰老，关于大脑疾病的致病原因，关于人的生与死。我将我个人微不足道的观点整理在这本书里。

我被问到最多的问题就是，我是不是真的可以解释大脑是怎样工作的。这是个难以回答的问题，这本书只能试图解答这个问题中的几个方面。它会告诉读者：大脑如何分化成男性和女性，大脑在青春期会发生什么样的变化，大脑如何保持个体和物种的生存，人们衰老、痴呆以及死亡的过程是怎样的，大脑是如何进化的，记忆活动是如何运作的，道德行为是如何演变的等。除此之外，这本书还解释了大脑的疾病是如何出现的。这本书不仅着重介绍了意识障碍、拳击造成的脑损伤以及成瘾、自闭症、精神分裂症等脑科疾病，还介绍了关于这些疾病的治疗与康复的最新进展。最后，这本书讨论了大脑和宗教、灵魂、精神、自由意志之间的关系。

本书中的章节都是独立成篇的。这些短小的章节覆盖了多种主题，因此不可能进行深刻的科学论述。它只是我们对于为什么人们具有现在的性格，人们的大脑是如何发育、工作以及可能出现怎样的疾病等问题进一步讨论的基础。我希望这本书可以为普通民众提供一些常见的脑科疾病的答案，为学生和年轻的脑研究者提供更多的神经科学的基础知识，让他们可以超越自己的研究范围，并尝试与他人进行沟通。写这本书当然是因为有必要让大家看到脑研究的社会成果，但是写这本书的目的也是希望我们的研究能够得到整个社会的支持。

先给大家奉上一幅人类大脑的轮廓图（见图0-1）。

图0-1　大脑的轮廓（左边为大脑的前部）

大脑皮层分区为：F=额叶皮层，负责计划、主动性、说话、运动，包括初级运动皮层；P=顶叶皮层，包括初级感觉皮层，负责整合感觉信息（视觉、触觉、导航），还负责推理和心算，储存数字和身体图式信息；O=枕叶皮层（视觉皮层）；T=颞叶皮层（记忆、听、语言、看）；C=小脑，负责躯体平衡和运动协调性；H=脑干，负责调节呼吸、心跳、体温，以及调整睡眠。

第1章
我即我脑：大脑决定人生

大脑决定我们是谁

众所周知，我们的大脑不仅是我们的喜悦、欢笑产生的源头，也是我们的悲伤、痛苦、愤怒产生的源头。大脑是一个特别的器官，它让我们去思考，去观看，去聆听，去区分美与丑以及善与恶，去区分喜欢和厌恶的感觉。大脑也是产生疯狂和精神疾病的地方，是通常在夜间——但是有时也在白天，让我们产生害怕和恐惧之感的地方。失眠和梦游症的原因就位于大脑之中。大脑还是我们那些无法冒出的好点子、忘却应尽的义务以及产生幻觉、错觉的地方。

——希波克拉底

我们的思考、作为和不作为都要通过大脑来实施。这个构造奇妙的器官决定了我们的潜能、我们的极限和我们的性格特征，所以说，我即我脑。对于大脑的研究已经不再局限于对脑科疾病致病原因的研究，我们已经开始寻找“为什么我们是现在这个样子”的答案了，也可以说我们已经开始对自身进行探索了。

大脑由神经细胞组成，神经细胞又被称作神经元。大脑的重量只有1.5千克，却包含了1000亿个神经元（这个数量相当于地球人口数的15倍）。另外，大脑中还包含10 000亿个神经胶质细胞（glia cell）。以前，人们认为神经胶质细胞的功能仅仅是把神经元维系在一起（希腊语“glia”的意思是“胶水”）。现代的研究使我们清楚地认识到，人类大脑中的神经胶质细胞的数量远远高于其他一切生物，神经胶质细胞在化学信息传递过程中扮演着重要的角色，对包括记忆在内的一切大脑活动起到了关键作用。这就从一个很特别的角度解释了爱因斯坦的大脑中为什么含有大量的神经胶质细胞。成千上万的神经细胞相互作用的产物就是我们的“思维”。正如肾脏产生尿液一样，大脑产生思维。脑部扫描技术不仅可以用来检测脑部疾病，还可以揭示不同脑区的功能，例如，阅读、思考、计算、听音乐、经历宗教体验，或是经历恋爱或性兴奋。一旦了解了大脑活动的变化，就可以进一步训练大脑去实现一些功能。在功能性磁共振成像的协助下，可以训练患者掌控额叶大脑的活动。这样一来，遭受慢性疼痛折磨的病人就可以减少疼痛感。

如果大脑这台高效信息处理机器出现障碍，就会引发精神疾病或是神经疾病。这不仅促使我们去详细地了解大脑的正常功能，还促使我们寻找抗精神病和抗神经性疾病的有效治疗方法。长期以来，左旋多巴已用于控制帕金森病，而良好的结合疗法已基本解决了艾滋病痴呆综合征。人们已经快速找到了引发精神分裂症的遗传性因素和其他危险因素。在显微镜下可以清楚地看到，精神分裂症患者在胎儿时期的大脑发育就已经与正常的大脑发育不同。精神分裂症可以通过药物治疗得到控制，正如荷兰获奖诗人凯斯·温克勒（Kees Winkler）在诗中描述的那样：“若我停止了服药，我就更为分裂而非精神。”

在前不久，神经病学家们除了可以定位我们的神经系统的哪一部分会在之后的生命中出现问题，还无法做到更多。不过，如今他们已经可以溶解导致脑梗死的血栓，还可以在堵塞的脑动脉中放置支架。在荷兰，已经有3 000多人在去世之后把他们的大脑捐献给荷兰人脑库（www.hersenbank.nl）用于科学研究。这将为我们了解疾病原因中的分子进程提供新的认识，这些疾病包括阿尔茨海默病、精神分裂症、帕金森病、多发性硬化症和抑郁症等。同时，还将促进我们寻找新的药物治疗靶点，从而使我们的下一代受益于这项新研究的成果。

把进行深部脑刺激的电极精确地植入正确的位置而进行治疗的方法目前已见成效。这种方法首先被用于治疗帕金森病。当患者按动刺激器的开关时，其强烈的肢体震颤立即消失了。深部脑刺激目前也用于治疗丛集性头痛、肌肉痉挛和强迫症。这些电极使得那些每天洗手上百遍的强迫症患者再次过上了正常人的生活。深部脑刺激甚至还能使一位陷入意识昏迷至少6年的患者重新恢复意识。目前，深部脑刺激也被尝试应用于治疗肥胖症和成瘾。对于一种新的疗法，我们不但需要了解其疗效，还需要了解它是否存在副作用，这需要一点儿时间，深部脑刺激治疗也面临着同样的情况（见第12章第3节）。

经颅磁刺激前额叶皮质可以缓解抑郁症的症状，刺激大脑听觉皮层可以使内耳受损患者摆脱自发出现的、令其异常烦恼的声音。通过经颅磁刺激治疗，还可以帮助精神分裂症患者避免出现幻觉（见第11章第4节）。

大脑中的人工配件（神经假体）可以越来越好地代替感觉器官工作。目前，已有超过10万名患者接受了人工耳蜗植入手术，而且术后的听力水平恢复得非常好。科学家对失明患者所做的实验是，将信息记录到电子摄像机中并传送到视觉皮层。另一个病例是一位25岁的男子，他因颈部被刺中而伤及脊髓，最终导致全身瘫痪。医生将一片含有96个电极的4毫米×4毫米大小的芯片植入他的大脑皮层。这样一来，他就可以通过用大脑去想一些特定的动作而控制鼠标、阅读邮件和玩电脑游戏。大脑的这种“思想”甚至能够操控假臂（见第12章第5节）。

科学家们在尝试采用移植部分脑组织的方法治疗帕金森病和亨廷顿病的患者。基因疗法也已经被用于治疗阿尔茨海默病。用来修复脑组织的干细胞已经显示了良好的治疗前景，但是诸如可能引发脑肿瘤等严重问题还有待解决（见第12章第6节和第7节）。

脑疾病的治疗仍然存在着困难，但是已经出现了激动人心的新进展，科学家们对于在不久的将来会研究出新的治疗方法也持乐观的态度。

一脑一人生

几个世纪以来，人们一直都痴迷于对大脑的研究，不断地尝试利用其所在时代的最新发展的技术，以模型的方式来解读大脑的功能。15世纪文艺复兴时期，欧洲的印刷业已经得到发展，人们将大脑称为一本“百科全书”，并将语言称为这本书上“有生命的字母”。16世纪，大脑的运作被比喻为“头颅中的剧院”。那段时期，大脑还被喻为“宝库”或者“博物馆”，人们不但可以把任何东西都储存在里面，还可以随时参观任何想要看的东西。

哲学家笛卡儿认为，身体和大脑就像是一部机器，“我最终要怀着敬仰的心情描述这部机器的一切功能——消化、摄食、呼吸、觉醒和睡眠，还要对光、声音、气味进行记录，通过观察和想象产生想法，把这种想法收藏在记忆里。同时，大脑还具有产生欲望和激情的功能。此外，大脑还能够支配外部肢体动作。我希望人们可以发现这些功能在这部机器中以一种自然的方式运作，它们只不过是体内的各个器官相互作用的结果，就像钟表的运作机制一样”。他关于大脑最著名的比喻就是把大脑比作教堂里的管风琴。他认为吹进管风琴内的空气类似于血液中最精美、最活跃的部分，即“生命的精灵”。生命的精灵从“鼓风口”的入口进入，经过血管系统（即我们现在称其为脉络丛的脑室中的血管球）到达脑室。中空的神经纤维继而引导这些生命的精灵到达肌肉。管风琴的琴键是松果体，它像琴键把管风琴中的空气导入特定的琴管一样，按照特定的方向引导这些生命的精灵。正是由于提出了这样的观点，才使得笛卡儿在关于身体–意识关系的讨论中，在无意间被永远错误地认定为身心二元论的创始人，他的学说还被命名为“笛卡儿哲学”。这是不公平的，因为古希腊人早就认识到了身体和意识的分离，他们才是这个学说的真正创始人。

如果我们把大脑看作是一部能够理性地处理信息的生物机器，那么在我们这个时代将它称为“计算机”则是个很不错的比喻。如果我们仔细观察那些数目可观的大脑建造砖瓦，看一看它们是如何相互联系的，就会觉得这个比喻真的很恰当。神经细胞在1015 个位点上通过突触而相互联系，就像诺贝尔奖获得者拉蒙·伊·卡哈尔（Ramón y Cajal）描述的那样，“彼此拉着手”。这些神经细胞通过10万公里长的神经纤维相连接。数量惊人的神经细胞间连接的工作效率很高，以至于我们大脑的功率消耗相当于一个15瓦的灯泡的消耗功率。这就意味着，就像米歇尔·霍夫曼（Michel Hofman）计算的结果一样，如果一个人的寿命按照80年计算，那么按照现在的价格水平，一个人一生当中大脑消耗的能量的价钱不会超过1 200欧元。以这样的价钱是绝对不可能买到一台寿命如此长而且功能完备的电脑的。不过，用1 200欧元就可以支付109 个神经元一生的能量消耗费用！这台出色的高效率机器不但拥有双向电流，而且其图像处理系统和连接性比任何一台电脑都好。在对人的尸体进行解剖时，将其大脑捧在手里的那一刻能让你一辈子都难以忘怀，也会让你意识到你手里捧着的是一整个生命。你还会迅速发现，大脑的“硬件”其实非常“软”。人在生前所想过的和所经历过的事情，都被编码在突触的结构和分子变化中，并被储存在这一团近似于凝胶状的物质里。

如果你参观过伦敦市中心地下的一组装满仪器的房间，你就会为大脑想到一个更加合适的比喻。丘吉尔从1940年开始就和他的战争内阁以及一些工作人员一起，夜以继日地在那里指挥抗击希特勒的战争。那些工作室中贴满了地图，许多部门在那里通过协调合作收集信息，他们重点研究那些通过整个战线网获得的信息，并对信息进行监测、评估、整理和储存。在这些信息的基础上，他们提出计划草案，并对其进行测试，筛选出有用的信息。众多的内阁专家们不断地协商这些计划草案，如果有必要，还和国外联系，寻求外国专家的帮助。在权衡所有的意见和信息之后，就要确定作战实施方案或者取消某些作战行动了。作战行动可以由陆军（运动系统）执行，也可以由海军（激素作用）执行，还可以由秘密行动作战单位（自主神经系统）执行，抑或是由空军轰炸部队（将神经递质精准地导向至特定的大脑结构）完成。要想采取最有效的行动，就得依赖于所有军事力量的协调合作。

我们的大脑就像是一个复杂的指挥中心，配备了最先进的设备，而且它不是像电话中心或者电脑那样简单地点对点连接。大脑这个指挥中心指挥着人的一生那么漫长的战斗：首先是出生，然后是通过考试为自己的生存找到一席之地，接下来是在有时会充满了敌意的环境中生存，最后是以自己选择的方式离开这个世界。大脑这个指挥中心是受到保护的，它不像丘吉尔躲避的地方那样会直接成为炸弹的袭击目标，颅骨可以保护大脑承受一定程度的打击。丘吉尔本人是很讨厌被保护在地下掩体中的，如果有空中战役，他会站到房顶上观看战斗。他喜欢冒险，这也是某些大脑天生的特性。

我们还可以为大脑想到一些比较平和的比喻，例如大型飞机场的交通控制中心。不过，如果我们把过去这几个世纪以来人们对大脑的所有比喻都列出来审视，就一定会觉得只有科学的最新进展才能让大脑给出我们对于大脑的最确切比喻。可以说，我们对于大脑的比喻是我们大脑的自身产物。确实是这样，没有什么东西能比这个奇妙的机器更加复杂了。

大脑中部切面图请见图1-1。

图1-1　大脑中部切面图

①带有大脑沟回的大脑皮层（皮质）；②横梁（即胼胝体，连接左右大脑半球）；③松果体（即松果腺，在夜间分泌睡眠激素——松果体素，该激素具有抑制儿童青春期发育的作用）；④穹窿（将记忆信息从海马体传送到下丘脑后部的乳头体，这些记忆信息接着被传递到丘脑和大脑皮层）；⑤丘脑（感觉信息和记忆信息被送到这里）；⑥下丘脑（对个人和种群的生存至关重要）；⑦视神经交叉处（视交叉）；⑧脑垂体；⑨小脑；⑩脑干；⑪脊髓。

第2章
子宫中的成长、分娩与父母养育

分娩是否顺利是由宝宝和妈妈的互动决定的

分娩实在太重要了，你不能把它全都交给母亲来完成。

亲爱的妈妈，母难日快乐，感谢你让我降生。

——一个中国女孩在生日当天给她妈妈的祝福短信

有人猜测，我之所以会选择从事有关大脑的研究工作，是因为我有一位做妇科医生的父亲，于是我才选择了一个能与他的研究领域离得越远越好的器官来研究。不过，这种心理分析式的推测并不成立，因为我会与妇科医生们合作，研究母亲和胎儿的大脑在分娩过程中的功能。经过研究，我们得出了这样的结论：一场顺利的分娩需要母亲和胎儿的大脑之间进行完美互动。

母亲和胎儿的大脑都释放了催产素到血液中，促进母亲的子宫收缩，加快分娩过程。母亲的生物钟将保证分娩过程的昼夜节律，使得分娩通常发生在休息时间（例如在夜里或是清晨）。在这段时间内，分娩速度最快而需要助产士的协助最少。

胎儿体内葡萄糖水平降低是启动分娩的信号，这个信号意味着母亲再也无法满足胎儿成长对营养的需求。根据米歇尔·霍夫曼的计算，当一个胎儿需要消耗母亲体内大约15%的新陈代谢量时，母亲就会分娩。多胞胎之所以会倾向于发生早产，就是因为这个15%的量被他们提早用光了。在胎儿的下丘脑内，对下降的葡萄糖水平起反应的脑细胞在人成年后还会对食物短缺起反应。这些细胞刺激胎儿的应激反应轴产生一系列的激素变化，最终促进母亲的子宫收缩（见图2-1）。因催产素的刺激而引起的宫缩使得胎儿的头部挤压子宫的出口，引起通过母亲的脊髓而传导的反射，导致更多的催产素被释放出来，造成胎儿的头部更有力地刺激这个反射。胎儿只有出生，才能逃离这个循环。

图2-1　胎儿下丘脑的应激反应轴的变化

当胎儿在子宫内察觉到母体无法再提供充足的营养时，胎儿下丘脑中的应激反应轴就会被激活。促肾上腺皮质激素（ACTH）刺激肾上腺产生皮质醇。因此胎盘释放的孕酮的作用降低，而雌激素的产量增加。这些激素变化使子宫对催产素更加敏感，宫缩加强，分娩开始。

一些精神疾病是与围产期问题相关的。人们早就认识到精神分裂症和大量的分娩问题相关，例如，产钳分娩、真空泵分娩、出生体重过轻、早产、羊水早破以及需要将新生儿放在孵育箱中的各种情况。

过去人们认为是难产造成了大脑损伤，进而才产生了精神分裂症。如今我们知道，精神分裂症的产生是由于大脑发育早期出现了紊乱，主要由遗传因素导致的（见第11章第3节）。因此可以说，难产过程体现了母亲大脑和胎儿大脑相互作用的失败，是精神分裂症的首发症状，尽管这种疾病只有到青春期时才会完全成型。自闭症也是一种大脑早期发育紊乱的症状，该病患者在出生过程中也表现出了很多问题。近年来的研究显示，患有神经性厌食症或暴食症的女孩在出生时通常伴有难产以及出生体重过轻的情况。可以说，出生时的问题越多，成年后出现进食障碍的年龄就越早。人们据此推测出，这些女孩的下丘脑可能在她们出生的时候就已经不能很好地控制葡萄糖水平了，因为葡萄糖水平下降是分娩开始的信号。在这里，出生时的问题再次可以被看成是下丘脑疾病的首发症状，这种疾病在日后会表现为进食障碍。

胎儿在出生时扮演的积极角色在文学作品中也能找到线索。乔治·杰克逊（George Jackson）在《索莱达兄弟》中写道：“1941年12月23日，我逆着母亲的愿望，拼命地挤压，从她的子宫中钻出来——我获得了自由。”君特·格拉斯（Günther Grass）的作品《铁皮鼓》中的奥斯卡声称，他对外部世界的激情早在他刚出生时就减退了，他想回到母亲身体中去，但不幸的是，接生婆已经把他的脐带剪断了。

最好的分娩过程需要母亲和胎儿之间的精妙合作。如果胎儿存在大脑发育紊乱，那么在分娩过程中就无法发挥其关键的作用。请尝试着适应这样一种观点：孩子们对许多事物都是具有发言权的，这在他们出生时就已经开始了。

难产、早产对孩子的伤害言过其实了吗

当鸡蛋中不再有提供给小鸡的食物以及能维持小鸡生命的营养时，小鸡就会产生暴力行为——为了寻找食物破壳而出。同样，当人类的胎儿渐渐长大但母亲无法再提供充足的营养时，他就会变得躁动不安，突破羊膜，来到外面的世界。

——希波克拉底

1/3的儿童大脑疾病被人们误认为是由于难产造成的，但实际上，诸如智力迟钝、脑瘫等大脑功能紊乱的情况早在胎儿还处于母亲的子宫中时就已经存在了。

1862年，威廉·约翰·利透（William John Little）首次描述了47名脑瘫儿童的状态。利透确信，这种脑瘫是在分娩过程中因受到创伤而引起的，至今还有不少人支持他这一主张。不过很奇怪的是，西格蒙德·弗洛伊德对于这个问题所持的完全相反的、反倒是正确的主张却没有获得足够的重视。弗洛伊德在经过仔细研究之后，于1897年得出这样的结论：难产不可能是导致脑瘫的原因，神经系统疾病和难产都是由于胎儿在母亲子宫内大脑发育出现紊乱而引起的。儿童智力迟钝的原因也常常被归咎于分娩过程。普瑞德–威利症候群（Prader-Willi syndrome）是一种遗传性疾病，患者会随着年龄的增长而出现严重的肥胖（见第11章第4节）。许多患有该病的患者在出生时都经历过难产，随着时间的推移还会表现出智力迟钝。然而，难产并不是引发该病的真正病因，而是由于胎儿在形成时就已经存在基因缺陷了。

在足月产脑瘫婴儿中，只有6%的个体出现智力迟钝是由于出生时缺氧所造成的，而在某些智力迟钝的疾病中，这个比例仅占1%。其实在出生之前，这些胎儿就已经表现出了相关的症状，例如生长停滞或者子宫内活动减少。脑瘫的致病原因很多，例如遗传异常、宫内感染、缺碘以及受到化学物品的影响。令人惊奇的是，正如弗洛伊德指出的那样，正常胎儿在分娩过程中遭遇急性缺氧是不会出现严重的脑损伤的，而分娩过程中较长时间的持续缺氧则会导致脑瘫。

胎儿在出生过程中的主动角色证明了弗洛伊德的观点可能是正确的。事实上，胎儿的大脑在启动母亲分娩和整个分娩过程中都起着至关重要的作用，因此，难产和脑功能紊乱之间的关联在许多情况下都和人们之前的普遍认识恰好相反。难产、早产或者延迟的生产通常是胎儿大脑发育障碍的“结果” ，导致这些发育障碍产生的原因可能是遗传缺陷、宫内缺氧、感染以及母亲在怀孕期间接触到的药物，也可能与吗啡、可卡因和烟草等成瘾物质有关。也就是说，如果想研究早产或难产的原因，就必须同时对婴儿的大脑做全面检查。

35年前，我们通过研究已经发现，胎儿大脑在母亲分娩过程中扮演着重要角色。当时我们研究了150名无脑畸形新生儿（见图2-2）的出生过程，他们几乎都出现了过早或者过晚出生的情况，而且他们的出生过程也比正常过程缓慢得多。由此，我们得出了这样的结论：胎儿大脑不但决定了胎儿的分娩时间，还加快了分娩的过程。

图2-2　无脑畸形新生儿

他们几乎都出现了过早或者过晚出生的情况，而且他们的出生过程也比正常过程缓慢得多。半数无脑畸形儿都无法在分娩过程中存活下来，这表明了功能健全的胎儿大脑对分娩过程起到了至关重要的作用。胎儿大脑还会分泌血管加压素，这种激素能确保血液可以到达那些在分娩过程中对婴儿的存活具有重要作用的器官，例如心脏、肾上腺、脑垂体以及大脑本身。在这个过程中，肠道内的血流量相应减少。正如牧师、医生、哲学家希波克拉底在2000多年前的精辟阐述：当胎儿的大脑感受到母亲不能再向他提供成长所必需的营养物质时，他就会发出启动分娩的第一个信号。

出生后前几年的忽视，会毁掉孩子一生的幸福

如果我们看到两匹马，它们的大小和外貌都相同，那么该如何分辨哪一匹马是妈妈，哪一匹马是孩子呢？不如喂它们草料，这样妈妈一定会把草料推送给她的孩子的。

——佛陀的教义

在怀孕期间，母亲的大脑就已经被编入母性行为的程序了。激素引起母亲大脑的变化，这种变化在孩子出生后的抚养过程中得到加强。母亲大脑中的这种变化是长期的，甚至是永久性的。成年的孩子会不时地感叹连接自己和母亲的脐带其实从来都没有被剪断，母亲们也会抱怨她们永远都无法放下对已经长大成人的孩子的关怀和担心。甚至有的孩子在发生某些状况前，他们的母亲其实早就预料到了，因为母亲们每天都在为自己的孩子担忧。

在怀孕期间，一种名为催乳素的激素会引起筑巢行为。这使得母亲不但要保证自己房屋的清洁，还要粉刷孩子的房间。在我攻读博士学位期间，有一次做研究时，我进到动物房，以为有人把我放置雄鼠的鼠笼换成了放置孕鼠的鼠笼，因为每个笼子里都有用锯木屑做成的大窝。然而，并没有人换过鼠笼，是它们自己造了那些窝，而我在前一天为它们注射了催乳素。一位患有分泌催乳素的垂体瘤的男性，他在住院期间最喜欢做的事情就是帮助护士们用海绵擦拭床头柜。

在孕期即将结束的时候，母亲和胎儿的大脑都会产生催产素，并将这种神经激素输送到血液中。催产素是促进分娩过程的物质，医生也会给一些分娩后的产妇使用一种含有催产素的鼻腔喷雾剂来刺激使其分泌乳汁。催产素在孕期结束时还能引起宫缩，加速分娩。由于孕妇的大脑能在夜间分泌更多的催产素，而且子宫在夜间对这种神经激素最敏感，因此孕妇的宫缩常常出现在休息时间。催产素加强了胎儿头部在分娩过程中对子宫出口的挤压。这个挤压信号通过脊髓传输到孕妇的大脑，促进大脑分泌更多的催产素，进而加强子宫收缩。如果在分娩时对孕妇进行麻醉镇痛，那么上述信号就无法传送到孕妇的大脑，造成孕妇垂体分泌的催产素减低。在这种情况下，医生通常给产妇静脉滴注催产素，再次加强子宫的收缩。

分娩之后，母亲的催产素会保证其在哺乳期泌乳。婴儿吮吸母亲的乳头能刺激母亲大脑分泌催产素，排出乳汁。一段时间之后，婴儿的哭声能够引发这种反射，导致释放出大量的催产素，使乳房溢出乳汁。

婴儿的哭声对母亲来说是一种社会性激发因素，使母亲的乳房收缩，分泌乳汁，进而促使母亲为孩子哺乳。近年来，越来越多的研究发现，催产素对很多社会交往行为也起到了重要的作用。催产素通过对母亲和婴儿的大脑产生作用，使母亲和婴儿之间建立联系。在孕期结束时，催产素水平的升高已经成为联结母亲和胎儿之间的纽带。由于剖腹产过程缺乏自然分娩过程中大量分泌的催产素，因此经剖腹产手术生产的产妇的大脑对婴儿的啼哭声缺乏强烈的反应，其母性行为也难以被引发。

在母亲哺育以及与婴儿玩耍时，催产素都能通过对大脑的作用而使母亲平静，并促使母亲与孩子之间建立温暖的依恋。不能与孩子进行温暖交流的母亲在同孩子玩耍时，其催产素水平也不会升高。因此，催产素又被称为“亲密荷尔蒙” 。

在孤儿院中成长的孩子的血液中，催产素水平要低于在家庭中成长的孩子。在发育早期被遗弃的孩子在被领养三年之后，即使与他们的领养者之间有温暖的身体接触，他们血液中的催产素也还是无法升高到正常水平。因此，这些孩子需要与领养者经过更长时间的磨合才能与他们建立亲密的关系。一项最近的研究显示，在儿童期情感被忽视、被虐待的女性，上述效应将是永久存在的。这些女性在成年以后，脑脊液中催产素的水平显著低下，这种情况会给其后代造成怎样的影响很让人忧虑。此外，催产素还可以抑制应激反应轴。当7～12岁的女孩由于即将在众多的陌生人面前演讲而承受压力时，母亲的安慰能让女孩释放催产素。这种安慰可以是真切的拥抱，也可以是一通电话，都能引起女儿催产素的分泌。

基于以上的观察，母亲在孩子成年之后还会经常表现出过度保护性的母性行为就不难理解了。我们可以在猴子身上应用阻断催产素对大脑作用的物质，从而观察猴子母性行为的消减。看来，将这种物质提供给那些在孩子成年后还日夜为孩子操心的母亲也许是最理想的了。然而不幸的是，这种物质不仅减弱了孩子妈妈对于猴崽的兴趣，也减弱了她们对性行为的兴趣。

30年前，我们研究小组研究了催产素是如何作用于大脑和行为的。我们发现，由于社会情境的不同，催产素会被释放到不同的脑区，从而引起不同的行为。因此，催产素如今被看作是喜爱、慷慨、和平、信任和承诺的信使。

研究者还发现，催产素还可以作用于杏仁核，抑制恐惧感。杏仁核是控制恐惧和攻击性的中枢。在温暖的社会交往行为中（例如拥抱），血液中的催产素的水平以及大脑中分泌的催产素都会升高。催产素还向大脑传递饱腹感觉信息。催产素不仅与母性行为有关，也与成人之间的交往、应对社会压力以及性接触行为有关。因此，催产素又被称为“爱的激素” 。农夫们在几百年前就已经认识到催产素的作用了，要是想让一只母羊代哺一只小羊羔，农民就会刺激这只母羊的阴道和子宫，通过这种方式使母羊体内产生催产素，然后这种“亲密荷尔蒙”就会促使母羊对这只陌生的小羊羔产生母性行为。

大脑还会生产另外一种与此有关的物质，即血管加压素。和催产素一样，血管加压素也在母性行为中起到了重要作用，并为了保护孩子而参与母性攻击行为（见图2-3a和图2-3b）。这种物质还参与其他方面的社会行为，例如配对行为。如果脑内接受血管加压素信息的蛋白质的DNA结构出现了一些小的变异，就会造成男性的婚姻问题，提高出轨和离婚的概率。在给男性试注射血管加压素后，让他观看陌生男子的相片时，他就会认为相片上的男子的表情是不友善的，从而对其产生仇视心理。然而，女性的反应则刚好相反。血管加压素使得女性愿意接近陌生人，因为该激素使她们更容易看到人们面部的善意特征。因此，如果给男性使用一些催产素，给女性使用一些血管加压素，就可以促进社会和谐了。

图2-3a　催产素和血管加压素的示意图

催产素和血管加压素在下丘脑（PVN=室旁核、SON=视上核）产生，作为神经激素在垂体后叶被释放到血液中。催产素在哺乳时导致乳腺收缩，在分娩时导致子宫收缩。血管加压素在肾脏起到抗利尿作用。此外，催产素和血管加压素还被传递到许多已知的（这里以缩写表示）和未知的（？）脑区。在那里，它们作为神经递质（化学信使）从神经纤维末梢释放出来。

图2-3b　显微镜下观察到的催产素和血管加压素

在电子显微镜下可以看到，黑色颗粒状的催产素和血管加压素分布在神经末梢（突触）。这两种激素被输送到大脑，影响人的行为，例如社会交往行为。

近期的研究表明，自闭症患者常常会出现脑内血管加压素和催产素紊乱的情况，使得他们无法正确地通过别人的表情推断出其情绪和意图，也无法与他人产生共情。例如，有些自闭症患者在看到别人哭泣时就无法理解发生了什么，或者无法从别人发出的声音中听出别人的情绪是怎样的。注射催产素可以提高了解对方的情绪和意图的这种“读心”能力，使人们可以根据别人的面部表情更准确地推测对方在想什么或打算干什么。此外，催产素还能提高从别人的声音中读出其情绪的能力，以及从别人的语调中读出其情感含意的能力。因此，催产素和血管加压素可能都与自闭症的症状有关。然而，如果把这两种化学信使看作是“社交的大脑”，那么就过于简单化了，因为社交行为中还涉及了很多其他的信使和大脑结构。

对有关这些物质效应的知识进行应用的例子数不胜数。一个名为“付钱游戏”的心理学实验表明，人体血液中的高催产素水平与对他人（即使是陌生人）的信任感，都是相关的，而且这种信任感甚至在多次上当之后也依然存在。这个实验结果已经被应用到商业中了。目前，互联网上已经有人出售一种名为“信任液”的商品，它其实就是一种催产素喷剂。商家宣称：“如果你希望唤起你的伴侣、买家、雇员或老板对你的信任，那么你可以在你的衣服上喷一些。”要是按照商家宣称的，将如此小剂量的催产素释放到环境中就能起作用，那么不得不让我们怀疑它是一种欺骗行为，或者说得好听一点儿，它其实只是一种安慰剂效应。

此外，你还可以怀疑通过鼻喷剂的方法直接给人体以催产素的方式是否能真正模拟脑内正常生理过程。在特定的条件下，大脑能精确地在特定的部位分泌一定量的催产素。如果大量的催产素从鼻腔喷入并进入大脑，可能就会带来完全不同的效应，这也是在治疗脑部疾病过程中常见的问题。我们不可能采用给予神经递质（信使）的方法去替代一个神经元系统的极其复杂的功能，就像人们无法用电子计算器所产生的数字去替代电子计算器的功能一样。

在孩子的成长过程中，父亲同样重要

假使有人，左肩担父，右肩担母，研皮至骨，穿骨至髓，绕须弥山，经百千劫，血流决踝，犹不能报父母深恩。

——佛陀的教诲

我们都知道，母亲永远都无法很成功地“剪断”与孩子相连的脐带。无论她们早已成年的孩子在世界的哪个角落，母亲都得确切地知道孩子们在做什么，并始终挂念他们。母亲与孩子之间的联结其实是一种特殊的现象。任何一个受伤后躺在战场上的士兵都会哭着要母亲，而不是父亲。在黑猩猩家族中，雌性黑猩猩负责向后代传播其文化成就。因此过去人们经常认为，父亲的角色仅限于使母亲怀孕，在那一刻他向孩子提供了少于一半的DNA，这项任务在几分钟内就能完成。接下来父亲就躲在幕后了，抚养和照顾孩子的工作都留给了母亲。然而实际上，做父亲并不是一件简单的事。通过对整个动物王国的观察我们就会发现，在不同程度上，父亲的养育行为和母亲的养育行为在各个方面都很类似，除了不能分泌乳汁。不过话又说回来，有一个种类的蝙蝠雄性也能泌乳！

人类社会由家庭组成，而灵长类的黑猩猩和倭黑猩猩的社会则不同。并不是说“配对成双”的方式是人类独一无二的，长臂猿、某些鸟类以及草原田鼠也有这种配对方式，而且这些种群的家庭居住在自己的领地上，远离同类的其他家庭。人类的家庭则居住在一起，这在其他物种中是看不到的。200万年以前，人类祖先的新生婴儿体重已经是黑猩猩婴儿体重的两倍。面对这么沉的婴儿，母亲连抱都抱不动，因此由父亲分担照料婴儿的任务就变得至关重要了——为了确保母亲和母亲怀里的婴儿有足够的食物。在这种家庭中形成的男性主导地位，即父权，可能是在我们的祖先必须离开丛林的保护而进入危机四伏、易受袭击的大草原中生活时发展起来的。在这样的开阔空间中居住，男性对保护女性和孩子而言是必要条件。男性保护女性和孩子还具有进化方面的优势，这样人类每隔两三年就可以再生育一个孩子。雌性黑猩猩要单独抚育幼崽，因此需要花费更长时间来进行哺育和照顾，所以每6年才能生育一个孩子。

雄性充当保护者的角色不仅限于灵长类动物，而且是整个动物界的特征。我家外面的沟渠里有一个由一对白冠鸡建造的巨大巢窝。自从雌鸡坐到窝上以后，雄鸡就变得极具攻击性，驱赶着任何靠近它们的鸟类。那时窝中还没有蛋，而那些体型更大的鸟，例如乌鸦和鸭子，却已经被那只雄白冠鸡赶得远远的了。

男人也会在他妻子怀孕期间为自己的父亲角色做准备。激素发生的变化会影响大脑，使得准爸爸不仅行为表现不同，而且感受也不同。在孩子即将出生的时候，准爸爸体内的催乳素水平会上升，这种激素对于母亲分泌乳汁有重要作用。不过，无论是对男性还是对女性而言，催乳素都会引起照顾行为。同时，准爸爸的睾酮水平下降不但会减少孩子的攻击性行为，还会降低其自身的生育欲望。父亲体内睾酮水平的有益下降是一个普遍的现象。由于激素对大脑的作用，许多男人都觉得某种非凡的事情会发生在自己身上，甚至发生在孩子出生之前。准爸爸们这些行为的变化是如何产生的尚无从得知，不过准妈妈身体散发出的信息素可能在其中起了一定的作用。孩子出生之后，催乳素和催产素对父亲的养育行为以及父亲和孩子之间的联系起到了重要作用。不过，父亲的“联系激素”——催产素的必要性升高，仅仅发生在父亲和孩子一起玩耍时，以及在父亲感受到孩子的温暖的刺激性接触时。

在某些物种中，父亲扮演着更为极端的角色。大型美洲鸵是一种长得很像鸵鸟但不能飞翔的鸟类，雄性要在其挖出的窝中孵蛋。雄性海马也是把受精卵放在自己的育儿袋中孵化。与人类类似的父性照顾行为的确也发生在其他物种中，这有利于人们研究父性养育行为中的大脑的变化。狨猴父亲们也分担着照顾幼崽的任务，它们带着幼崽，保护和喂养幼崽。父性行为伴随着前额叶皮层的变化，这部分皮层中的神经元之间突触数目增加，显示局部神经网络的重组。同时，这部分皮层对血管加压素的敏感性也会增加。血管加压素是脑内的一种化学信使，它刺激社会行为，帮助父亲适应自己的新职责。

在孩子成长期间，父亲们有机会对孩子进行启发和引导，这可以有多种方式。我的祖父是一位医生，他设法激发了他的儿子对他的工作的兴趣，使我父亲在后来成为一名妇科医生。至于我，我在6岁的时候就知道自己想学医。然而，我的儿子在很长一段时间里都不知道自己想学什么专业，只是他从小就很坚定，他想学的既不是医学也不是生物学。后来发现，他的决定是针对我的反应。再后来我们发现，我们都对研究行为学中的性别差异感兴趣，我们一起做了实验并共同发表了论文（见第21章第1节）。

不幸的是，父亲的角色并不仅限于照顾、保护和启发等这些高尚的行为，大量的雄性残忍的攻击性活动事件都与父性行为相关，这不仅见于动物世界，也见于人类世界。雄性灵长类动物会通过赶走其前任首领来接管另一个群体中的全部闺房妻妾，而且通常会消灭所有的孩子。当一只雄狮接管一个狮群时，会把狮群中的幼崽全部杀死，不管那些母狮子如何努力地去阻止。这就终止了狮群中母狮的泌乳，意味着母狮们很快又会具有生育力，而狮群的新首领还能确保狮群里的新幼崽都是它的后代。

人类的历史也没有什么不同，就像《圣经》中所说的：“……摩西向打仗回来的军长，就是千夫长、百夫长发怒……因此，你们要把所有的男孩和所有已嫁的女子都杀死。不过，女孩子中凡是没有出嫁的，你们都可以给她留一条活路。”直到今天，我们也还是没有成功地摆脱这些令人毛骨悚然的生物学机制：继父的杀婴和虐待儿童的案件要多于亲生父亲所制造的案件。即使是在今天，在战争中被俘虏的妇女的孩子也常常会被杀害。

雌性黑猩猩在分娩之后会和幼崽一起与群落里的其他个体保持距离，这是一个明智的策略，可以避免她的幼崽被那位疑心自己父权地位受到威胁的雄性黑猩猩杀害。雌性倭黑猩猩则发现了一个预防杀婴罪行的相当原始的“解决办法”——它们和所有的雄性倭黑猩猩交配，这样一来，雄性倭黑猩猩就无法确认这只幼崽是不是他自己的后代了。然而，人类的母亲需要终生提高警惕：从一开始警觉孩子所面对的所有威胁直至之后的生活，永远都要保持警惕性。

什么样的环境能让胎儿脑瓜变聪明

良好的环境不是奢侈品，而是必需品。

——约翰·扎卡里·杨 [1]

我们来到这个世界上，就拥有由遗传基因和子宫内的发育共同决定而成的独一无二的大脑。大脑基本上决定了一个人的性格、才能和局限性（见第4章第1节到第4节，第9章第1节）。出生后所处的安全的并对大脑具有刺激性的生存环境能满足婴儿发育的要求，继而激发大脑的生长。达尔文早在1871年就提出，被囚禁在一个空荡荡的兔笼中的兔子的大脑，要比在大自然中成长的同类小15%～30%。相反，如果动物可以在一个丰富且富有变化的环境中成长，例如一个大笼子，里面放满玩具并且每天更新，动物们可以在里面一起玩耍，那么它们的大脑就会大一些，脑细胞之间的联系也会更多。

在早期发育阶段，遭受严重忽视的儿童的大脑比同龄人小（图2-4），而且他们在今后的生活中都会有缺陷，包括智力、语言和精细动作能力，他们也容易冲动或活动过度。此外，他们的大脑额叶也可能非常小。另一方面，有研究表明，在两岁以前就被领养的孤儿在领养后的智商可以达到正常（100分），而在2～6岁被领养的孤儿，被领养后智商最多只能达到80分。

图2-4　正常儿童与被忽略/遗弃的儿童的大脑的扫描图对比

右侧是一个被严重忽略/遗弃的三岁儿童大脑的扫描图，左侧作为对比，显示了一个具有正常发育大脑的同龄儿童的大脑扫描图。与正常发育的同龄儿童相比，被忽略/遗弃儿童的大脑体积明显减小，脑室（黑色部分，脑腔）更大。此外，由于大脑皮层的萎缩，脑回之间缝隙增大（取材于B.D.Perry，2002）。

美国的儿童精神病学专家布鲁斯·佩里（Bruce Perry）曾经描述过一位被遗弃的6岁男孩贾斯汀的病例。当贾斯汀还是个婴儿的时候，他的母亲和祖母就去世了，一名养狗的饲养员把他当作宠物动物一样抚养起来。这位饲养员把他放在狗笼子里，喂他食物也给他换干净的尿布，但是几乎不和他说话，也不拥抱他或者和他玩耍。住进医院以后的贾斯汀向工作人员投掷粪便，而且看上去既不会说话也不会走路。核磁共振的扫描仪上显示，他的大脑非常小，看上去就像阿尔茨海默病患者的大脑一样。后来，一个领养的家庭为他提供了一个具有各种刺激的环境，他开始发育并在8岁时上幼儿园了。至于贾斯汀会留下什么后遗症，我们还不清楚。

1778年，法国启蒙思想家卢梭出版了《爱弥儿：论教育》（Émile：ou De l’éducation ）一书，他希望人们能够认同“高贵的野蛮人”的观点。他认为，孩子们在受教育之前天性善良，而之后的社会经历会侵蚀他们。然而，社会经历不只是危险和有害的，它们对于正常的大脑发育也是必需的，正如贾斯汀的病例所反映的那样。

此外，一份文件详细地记载了一个在野外成长的孤儿的经历，它显然也不是“高贵的孩子”。

1797年，人们在法国南部的森林中发现了一个孩子。三年后，猎人们收养了他并给他起名为维克托。这个孩子大约10岁，是个弃儿，靠吃水果和小动物维持生命。让·马克·加斯帕尔·伊塔（Jean Marc Gaspard Itard）医生受法国内务部大臣的委任，负责教育维克托并写出详细的报告。尽管伊塔博士费尽心思，但是维克托还是没有成为一个完整意义上的人，他唯一学会说的词是“lait”（牛奶）。因此我们可以质疑，由狼抚养的狼孩兄弟罗慕路斯和雷穆斯 [2] 的大脑可以发育到什么程度。

母语的开发过程也能展示环境是如何在人们出生后影响大脑系统的形成的。母语不受遗传基因的控制，只能由婴儿在出生后语言发展的关键时期所处环境决定。母语的发展不仅对大脑的发育起到了十分重要的作用，还对儿童很多方面的发育起到了关键作用。德国、意大利、勃艮第和西西里岛的国王弗雷德里克二世曾经希望在1211年发现“上帝的语言”，他认为如果孩子听不到母语，那么这种上帝的语言就会自发地出现。他下令在“彻底”安静的环境中养育数十名儿童。然而，“上帝的语言”并没有在这些孩子身上显现。这些儿童根本就不会说话，而且在很小的时候就死去了。在第二次世界大战期间，被收容在人员极少的机构中的孤儿们很少与他人进行身体上和精神上的交流，这些孤儿的死亡率达到30%，就算是存活了下来也有心理疾病。可见，与周围环境的良好互动不仅是大脑正常发育的绝对条件，也是生死攸关的条件。

出生后最初几年的环境决定了与语言有关的大脑系统结构的形成。如果在语言系统形成的关键时期之后，试着学习另外一种不同的语言，就得带着母语的大脑去学习，因此会带有母语的口音。9～11岁的儿童处理文字和处理视觉信息的大脑区域有重叠。到了成年，大脑会发生特化作用，使处理这两种信息的大脑区域得以区分开来。语言环境会引起大脑结构和功能的永久性差异。

位于额叶皮层的布洛卡区（见图2-5）对语言起决定性作用。人们成年后学习第二种语言时，就要使用这个脑区内的一个亚区。如果一个人在幼年时是在双语环境中成长的，那么这两种语言就会使用相同的额叶区域。左侧尾状核则负责控制哪种语言系统被使用。

图2-5　布洛卡区和威尔尼克区

布洛卡区（位于额叶，用于说出语言）和威尔尼克区（位于颞叶，用于理解语言）。这些区域也参与听音乐和唱歌的过程。音乐与语言有密切的联系。

语言和文化环境不但决定了大脑系统的哪部分处理语言活动，还决定了人们如何解读面部表情以及如何观察图画和周围环境。日本人和新几内亚人无法分辨害怕或惊讶的表情，而与美国人不同的是，中国人不仅能注意到画面中最主要的对象，还能注意到与该对象有关的环境。中国人在心算时用到的大脑区域也与说英语的西方人不同。尽管他们都使用阿拉伯数字，也都使用顶叶的最下部区域，但是说英语的西方人还借助了更多的语言系统去处理数字，中国人则应用了更多的视觉运动系统，中国人学习方块字就可以解释这种现象。

社会环境对大脑发育的刺激作用早在玛利亚·蒙台梭利（Maria Montessori）发现社会–经济环境与大脑发育之间存在关联时就被提出，她在一本手册中对此进行了描述。此外，社会经济地位是刺激有缺陷儿童智力发育的重要因素，例如出生时体重过轻的儿童。具有强烈刺激性的“丰富的”环境有助于促进大脑发育紊乱之后的康复。在发育期间由于营养水平低或者感情忽略而造成的儿童大脑发育不良，如果生活环境能及早更换到一个富有刺激性的环境中，情况就会有很大的好转。即使是患有唐氏综合征的儿童，在接受了强烈的环境刺激之后，也会产生良好的效果。因此，我们不应该把智力迟钝的儿童寄放在远离人群的家中或者其他缺乏刺激性的场所，而是应该给予他们更多的关注，从而激发他们成长。这会改变他们一生的命运。

胎儿对声音、振动、味道和气味都有记忆

伊丽莎白一听到马利亚 [3] 的问候，腹中的胎儿就开始跳动。

——《路加福音》

记忆所依赖的大脑回路在人出生后的最初几年就成熟了，人们有意识的记忆通常只可以回溯到两岁的时光。当然，也有些人是例外，他们对两岁之前发生过的事情记得非常清晰。毫无疑问的是，外界信息在生命的最初两年进入了幼儿的大脑中，子宫中的胎儿也会对外部刺激做出反应，但是这些证据还不能证明人们在那个时期就已经保留了记忆。我们到底是像英国早期启蒙运动哲学家约翰·洛克（John Locke）认为的那样，出生时就像一张白纸或一块白板，还是像画家萨尔瓦多·达利（Salvador Dalí）想要我们相信的那样，在一生中最美好的时期 [4] 就拥有丰富的记忆的呢？

有大量的推测认为，人们是带着心理负载离开母体而来到这个世界的，在子宫中的时光对人们的一生都会有影响。如今，美国成立了一些“产前大学”，教准妈妈们如何与胎儿互动。在子宫内的那段时间可以决定人们罹患多种精神病，例如精神分裂症和抑郁症的概率。不过，如果是像一些治疗师声称的那样，认为子宫内的不良记忆是人们在日后产生高度特异性精神问题的根源就太夸张了。有些人声称，产钳分娩或者分娩时胎儿所感到的疼痛是人们成年后产生头痛的原因，女性有妇科问题是因为其出生时感到自己不受欢迎。某些治疗师认为，戴着手铐进行性交的欲望可以归因于出生时脐带绕颈，而害怕性交则是因为母亲骨盆狭窄所导致的延长的难产。这些治疗师还声称，回溯疗法可以可靠地检测到这些问题，一旦你认识到这些原因，你的烦恼就消除了。

有一项对412位自杀者的法医学研究，这些自杀者都是酒精或者药物成瘾者，该研究将他们与2 901位对照者进行了比较。研究表明，围产期发生的事件与自我毁灭行为有关联：上吊自杀行为与出生时缺氧有关；暴力型自杀行为与出生时机械性创伤有关；药物或酒精依赖与母亲在分娩期间服用的用于止痛的成瘾药物有关。然而，在荷兰最近的一项独立研究中并没有发现母亲在分娩期间借助鸦片来止痛会导致孩子将来的成瘾。我抱着极大的兴趣期待着能够看到可以证实其他关联的研究结果。

萨尔瓦多·达利不需要使用回溯分析或者D-麦角酸二乙胺 [5] 就能回忆起他在母亲子宫内生存的详细情形：“那是神圣的，那是天堂。子宫内的那个天堂有着地狱之火的颜色——红、橙、黄、蓝。它是柔软的、寂静的、温暖的、对称的、双面的、富有黏性的。我看到的最辉煌、最显著的景象是一双发出磷光的煎蛋。我只需要模仿胎儿的典型姿势并把拳头放在我闭着的眼睛前方，所有那些记忆就都会浮现在我眼前。”这些煎蛋可以在达利的多幅绘画作品中找到。

人类胎儿在妊娠第26周左右开始对光线做出反应。不过，即使达利的母亲在怀孕时穿着比基尼躺在太阳下，这种可能性也非常小，因此小达利除了能感受到一些弥散的橙色光之外不会有其他的感受。可以说，详细的视觉记忆可能是超现实主义者的私有财富。

然而，许多不同的种群存在着胎儿记忆的其他形态。鸟类的胚胎在鸟蛋内就学会了辨认父母的叫声，而人类母亲在怀孕期间通过自己发出的声音和孩子建立纽带似乎的确是有用的。实验结果表明，人类胎儿时期的记忆存在着三种形式：习惯化、经典性条件反射和暴露学习。习惯化是记忆的最简单形式，早在妊娠第22周就出现了，而经典性条件反射在妊娠第30周时出现。二者可以与振动和高音类比。振动可以作为一种条件性刺激，而高音可以作为一种非条件性刺激。由于无脑畸形胎儿也有这种条件反射，因此这种方式的学习可能是延髓或者脊髓的功能。更有趣的是，如果孕妇在每次放松时总是听一支特别的音乐，那么过了一段时间后，每当播放这支音乐时胎儿都会开始活动。婴儿出生之后，每当他听到这支音乐时都会停止啼哭并睁开双眼。母亲说话的声音可以影响胎儿语言系统的发育以及母亲和孩子之间纽带的形成。新生儿很喜欢听自己母亲的声音，尤其是按照胎儿在子宫内听到的声音而进行变音的母亲的声音，他们甚至可以辨认出母亲在怀孕时重复念出的故事。胎儿对于声音的记忆并非没有坏处。弱小的婴儿听到母亲在怀孕期间为之着迷的肥皂剧的主题曲时会有明显反应。他们会停止哭泣，专心聆听熟悉的旋律。让人担心的是，要是今后那档特别的电视节目没有了，这些孩子是否还能活下去。

在子宫中接受到的嗅觉和味觉形式的刺激也会被婴儿记忆下来。婴儿出生后会立即辨认出自己母亲的气味，这可能对成功的母乳喂养有重要作用。新生儿一般都厌恶大蒜的气味，但是如果母亲在怀孕时吃大蒜，那么她的孩子对大蒜的厌恶感就会消失。由此可见，法国与荷兰之间的烹饪差异在人们的子宫内发育阶段就形成了！

总之，胎儿对声音、振动、味道和气味都有记忆。因此，理论上人们不仅可能会因为吸烟、饮酒、服药和吸毒而影响孩子的大脑，还可能会因为观看垃圾电视节目而对孩子的大脑造成伤害。你可能会想，要是选一本好书，并大声地朗诵给胎儿听，孩子在出生后是不是就会成为读书人了？顺便说一下，这也不是一个新点子，早在公元200—600年《塔木德经》（Talmud ） [6] 中就收入了关于产前刺激方案的参考文献。我们还可以想出许多能在这个“最小的课堂”——子宫里做的工作。不过，子宫中的记忆缺乏细节，仅仅能持续几个星期，而并不像某些治疗师以及萨尔瓦多·达利想要说服我们相信的那样，可持续一生。

注解：

[1] 　John Zachary Young，英国动物学家、神经生理学家。——编者注

[2] 　一对双胞胎，罗马神话中罗马市的奠基人。——译者注

[3] 　即圣母马利亚。——译者注

[4] 　指在母亲子宫里的时期。——译者注

[5] 　一种强烈的半人工致幻剂。——译者注

[6] 　即《犹太法典》。——译者注

第3章
胎儿大脑在子宫中受到的威胁

恶劣的环境将影响胎儿大脑的发育

我们污染了我们孩子的羊水。

人类大脑在胎儿期以惊人的速度发育着。而且，大脑的每一个小区域与这些区域中的每一种细胞类型的发育速度都不同。在这样的爆发性生长阶段，脑细胞对许多因素都极为敏感。第一，为了保证大脑的正常发育，胎儿需要充足的营养。第二，胎儿甲状腺的功能必须良好，因为它能刺激大脑发育。这个阶段的大脑发育从总体上来说取决于遗传背景，而在细节上则取决于神经细胞的活性。反过来，这些因素又会受到营养物质供应、其他脑细胞释放的化学信使（神经递质）以及生长调节物质和激素的影响。在这个阶段，胎儿的性激素调控了大脑的性分化过程。通过胎盘输入给胎儿的物质，例如环境中的物质、酒精、尼古丁和其他成瘾物质以及孕妇使用的药物，都会影响大脑的发育。

世界上有三亿儿童因缺乏营养而导致大脑受到严重而永久性的损害。他们不仅智力受损，还会增加出现精神分裂症、抑郁症和反社会行为的风险。能证明这一现象的证据包括，一项对在1944—1945年荷兰的“饥饿的冬天” [1] 部分大城市中出生的儿童所做的追踪调查。同样的问题在我们当今的小康社会中也会发生：如果胎盘功能不良，胎儿就无法获得营养，从而导致婴儿在出生时体重过轻。胎儿在子宫内营养不良的原因还包括，准妈妈孕期剧烈呕吐，或是准妈妈为了控制体重而节食，抑或是由于斋戒月（伊斯兰）而进食过少。

此外，当今世界还有两亿人在缺碘地区养育着孩子。甲状腺激素是大脑正常发育所需的激素，然而只有充足的碘被组合到甲状腺激素中才能发挥功效。这种组合过程发生在甲状腺内。在山区，土壤中的碘因被雨水冲走而导致环境缺碘，这就损伤了儿童甲状腺的激素功能，进而造成了他们的大脑和内耳发育异常。这些缺碘的儿童会发育出一个巨大的拼命储存所摄入的所有碘的甲状腺。在最严重的情况下，甲状腺激素缺乏会导致克汀病 [2] ，表现为智力和体格发育的严重障碍。

荷兰内分泌学专家奎瑞多博士将对世界偏远地区的缺碘调查研究作为自己毕生的事业。他总有一些令人意想不到的要求。例如有一次，他在一个星期五的深夜打电话给我：“你可以在明天早晨为我准备一台16毫米的电影放映机吗？我要在阿姆斯特丹做一个演讲。”于是，我成为观看他在新几内亚的姆利亚山谷拍摄的电影并了解其远征队发现的第一批观众之一。那个地区当时还是荷兰的殖民地，需要乘坐美国塞斯纳飞机公司的飞机才能抵达。在那个山谷中，有10%的儿童智力有缺陷和耳聋，而且患有严重的神经系统疾病。奎瑞多博士证实了这些疾病是因缺碘引起的，他采用碘油为当地人做注射治疗。碘油之前被用来做肺部X光摄片造影剂，但人们发现它能对肺组织造成潜在性的伤害。不过，碘油作为药效持久的注射剂在治疗碘缺乏病方面非常成功。在食盐中添加碘的简单治疗方法则使得瑞士所有治疗聋哑人的机构都关门了。

几年前，我曾在中国安徽省的山区目睹了这种发育性疾病。一位患有克汀病的妇女正在一座庙里清扫落叶，巨大的甲状腺肿使她的面容都变形了。当我们队伍中的一位中国教授朋友问她是否想去看医生时，她只是咕咕哝哝并挥舞她的扫把来威胁我们。

重金属也会影响胎儿大脑的发育。为了减少汽车发动机爆震而添加在汽油中的铅会进入大气并影响胎儿发育，提高智力残疾的发生率。

人们首次认识到汞的危害性是在20世纪50年代，当时日本水俣湾的渔村里的猫举止异常并死亡，鱼的游动方式也显得很古怪。当地的渔民把捕到的最好的鱼卖掉，而将最差的鱼留给自家食用。结果，这些鱼体内的高含量有机汞——后来被证实是来自一家塑料制造厂，导致6%的儿童在胎儿期间大脑遭受了严重损伤。汞抑制了脑细胞的形成和脑组织的生长，导致智力残疾。这些渔村里的成年人也出现了不同形式的瘫痪。如今，水俣湾的环保公园里竖起了一座纪念碑，纪念所有在这次污染事件中受害的生命。这个公园由27吨受到汞污染的水俣湾的淤泥以及几十个装有中毒的鱼的密封集装箱建成。日本政府从来没有给予这些受害者合适的经济补偿。

性别发育异常或者雌雄同体 [3] 并不罕见，它发生在2%的儿童身上——这还取决于如何对该病下定义，以及病人在多大岁数时被诊断出来。在10%～20%的非典型性的性器官发育中，都找不到染色体致病因素，因此病因可能是环境中的化学物质。环境中的DDT [4] 、多氯联苯、二英和其他许多物质目前都被称为“内分泌干扰物”，因为它们会干扰性激素对正常大脑进行性分化的作用。早在20世纪40年代，执行向庄稼喷洒DDT任务的飞行员已经被查出精子数量减少。此外，对于大量动物种类的研究已经证实，这些物质会影响大脑发育。人们是在最近才开始关注“内分泌干扰物”对胎儿大脑性分化过程——进而对性别认同和性取向（见第4章）可能会造成的影响的。

成瘾物质和药物都会引起大脑发育异常

在我们的孩子出生之前，我们就在破坏他们的大脑吗？

——我的就职演讲 [5] 的标题，1980年

幸运的是，在怀孕早期就出现的最严重的发育性疾病很罕见。这种严重的大脑发育缺陷包括脊柱裂 [6] （母亲在怀孕期间服用抗癫痫药会提高该病的发病风险）、无脑畸形——即没有前脑（常见于喷洒杀虫剂的环境中）、肢体缺失。胎儿肢体缺失的缺陷出现于20世纪50年代末和60年代初，伴随着孕妇服用新型镇静剂——“沙利度胺”（即“反应停”）而出现。这种给孕妇开的处方药使得大量婴儿在出生时就伴有缺陷，通常是肢体缺失，该事件被称为“沙利度胺事件”或是“反应停事件”。“沙利度胺事件”所造成的灾难使得人们对于给孕妇在怀孕前三个月用的药变得更加谨慎。然而，这些缺陷其实仅仅是那些由于化学物质引起，并可以发生在怀孕三个月之后的大脑发育异常的冰山一角。因化学物质而引起的胎儿大脑发育的显微镜下结构异常远远多于经典的胚胎畸形。它们仅仅发生在怀孕晚期，而它们导致的问题在婴儿出生很久之后才得以表现。以这种方式受到影响的孩子在刚出生时看上去完全健康，但是之后当需要大脑系统去完成某些功能时，他们的缺陷就体现出来了。吸烟的孕妇所生育的孩子很多都会有学习困难，并在青春期出现行为紊乱，在成年期则会出现生育功能障碍。这些异常属于功能性异常，被称为“行为学畸形疾病”。

许多化学物质都可以进入胎儿体内，并威胁其大脑发育。环境中的重金属、尼古丁、酒精、可卡因和其他成瘾物质，以及母亲在怀孕期间服用的药物都可能破坏快速发育中的大脑。“毒品宝宝”是指出生前通过怀孕的母亲而接触到毒品的儿童，他们不仅在出生后会出现戒断症状，还将遗留永久性的脑损伤。我确信所有对成年人的大脑有影响的物质都会影响胎儿大脑的发育，至今还没发现例外。

酒精

长期以来，有关“酒精可以导致先天畸形”的结论人们已经熟知了。公元前的迦太基 [7] 的腓尼基人显然已经害怕酒精对未出生胎儿的影响，因为他们在其法律中规定，婚礼那天不许喝酒。英国作家亨利·菲尔丁（Henry Fielding）在1751年就警告人们杜松子酒在英国泛滥的效应，他悲伤地说：“在杜松子酒里泡大的婴儿会变成什么啊？”1968年，法国研究人员首次确定孕妇在怀孕期间饮酒会干扰胎儿的脑发育。1932年，英国作家奥尔德斯·赫胥黎在《美丽新世界》一书中描写了被划分为“伽马”种姓的人 [8] 的胚胎是放在酒精而不是血液培养基中培养的，目的就是为了抑制胚胎大脑发育。然而，那篇法国研究人员的论文当时没有受到关注，直到1973年，琼斯（Jones）和他的同事在论文中描述了酒精造成的脑发育损伤，并将该疾病命名为“胎儿酒精综合征”之后，人们才重新认识这个问题。

如今，尽管人们了解到酒精会导致胎儿出生时大脑体积减小并会造成智力出现严重缺陷，但仍然有25%的孕妇时不时地喝上一杯。孕期饮酒还会导致其他较为轻度的大脑发育异常。在发育的初始阶段，脑细胞围绕脑室生长，之后迁移到大脑皮层并在那里成熟，长出突起并与其他脑细胞建立联系。酒精可以严重破坏胎儿脑细胞的这种迁移过程，导致脑细胞迁移的路程穿过脑膜并到达大脑之外。酒精还会永久性激活胎儿大脑的应激反应轴，增加他们将来患抑郁症和焦虑症的风险。19世纪60年代，产科诊所为那些高危早产孕妇的静脉中注射酒精，以抑制子宫收缩，让胎儿在子宫内生长的时间更长。在那个年代，没有人关注酒精可能会进入胎儿的大脑并产生影响的问题，也没有人研究过这种疗法是否对孩子有害。

吸烟

如果母亲在怀孕期间吸烟，那么胎儿要承受的潜在伤害是相当可怕的。孕妇吸烟是婴儿猝死综合征的最常见原因，它使婴儿猝死的风险提高一倍。孕妇吸烟还会导致早产风险增加、婴儿出生体重降低、大脑发育异常、睡眠模式异常、今后肥胖风险增加、在校表现不良以及母亲和孩子的甲状腺功能发生改变等后果。孩子更容易出现多动症、攻击行为、冲动、语言障碍和注意力障碍。此外，男孩还会出现睾丸发育不良的情况，其生育能力出现障碍的风险也会增加。

大约有8%的妇女在怀孕期间吸烟，但很少有人能在怀孕期间戒烟。值得注意的是，借助尼古丁贴膏戒烟也会威胁到胎儿，有以动物为对象的实验表明，尼古丁非常不利于大脑发育。换句话说，香烟中的尼古丁本身就会造成大脑发育异常。如果所有的荷兰孕妇都可以戒烟，那么早产的婴儿数目就将减少30%，出生时低体重的婴儿数则将减少17%，卫生保健费用将减少2 600万欧元。这绝对是值得为了孩子而去做的事情，难道不是吗？

非特异性效应

导致功能性畸形效应的药物往往是被人们在偶然间发现的。19世纪80年代，我们研究所里有一位博士研究生，名叫马吉德·米勒米兰（Majid Mirmiran），他的研究课题是，胎儿在子宫内的大量快速眼动睡眠类型（做梦最多的睡眠时期）对于正常的大脑发育是否具有重要影响。在快动眼睡眠阶段——这个始于子宫内发育期的睡眠阶段，胎儿的大脑被强烈激活。马吉德在其所做的大鼠实验中采用氯丙咪嗪（一种抗抑郁药物）或者可乐定（一种抗高血压和偏头痛的药物）来抑制这种快动眼睡眠。他所选择的时期是与人类妊娠后半期相对应的大鼠的脑的发育阶段，即大鼠出生后的第二个和第三个星期之间。结果显示，这些大鼠在其脑发育期间经过这样的短期治疗后，在成年期表现出更多的做梦睡眠并更为焦虑。此外，雄性大鼠的性欲会减低而活动过度。换句话说，大鼠在脑发育阶段暴露于这些物质中仅仅两周，就会引起其脑和行为的永久性改变。

一项后继的在荷兰格罗宁根所做的研究检查了一些孩子的大脑发育情况，这些孩子的母亲在8年前的怀孕期间，为了治疗高血压和偏头痛把可乐定当作一种“安全”药物服用。研究证实，这些孩子都患有严重的睡眠紊乱，有些甚至是梦游症患者。功能性畸形研究中的一个问题是，医生必须在动物实验的基础上寻找人类可能出现的异常。此外，这些可疑的物质的效应是非特异性的。你无法认定在孩子出生后多次表现的异常情况，例如睡眠紊乱，恰好就是母亲在怀孕期间所摄取的某种对大脑造成破坏的物质而造成的影响。其他功能性畸形的非典型性症状的例子包括，学习障碍（由酒精、可卡因、香烟、铅、大麻、滴滴涕、抗癫痫药引起）、抑郁症、焦虑症和其他精神疾病（由乙烯雌酚、香烟引起）、异性癖（由苯巴比妥、苯妥英引起）、攻击性（由孕激素、香烟引起）、运动功能受损以及社交和情感障碍等。

此外，多种化学物质可以扮演不同角色并共同导致大脑发育异常，例如精神分裂症、自闭症、婴儿猝死综合征和多动症。母亲在怀孕期间吸烟和胎儿的遗传背景相结合可以使孩子患多动症的风险提高9倍。母亲在怀孕期间应用肾上腺皮质激素治疗以促进可能早产胎儿的肺部发育，也会增加孩子患多动症的风险。这种激素治疗会损害脑发育，不但会导致多动症，还会导致大脑体积减小、运动技能受损和低智商。幸运的是，这些严酷的现实已经警示我们只能极短期地、少量地给孕妇应用这种激素进行治疗了。

进退两难的境地

临床医生所面临的进退两难的境地包括，对于患有精神分裂症、抑郁症或者癫痫症的孕妇在怀孕期间如何持续性治疗的问题，因为母亲的疾病也会对胎儿造成潜在伤害。不幸的是，母亲在怀孕期间服用抗精神分裂症药物（例如氯丙嗪）会引起孩子的运动障碍，而某些抗癫痫药物还会增加脊柱裂或异性癖的风险。在怀孕期间，治疗癫痫的最好方法是使用单种药物加上叶酸。某些抗癫痫药物比其他抗癫痫药物更有害，例如，丙戊酸与其他抗癫痫药物相比，会使孩子的言语智商更低。

大约有2%的孕妇服用抗抑郁药物——即使其抑郁症症状很轻，这些药物似乎不会增加婴儿先天性严重缺陷的风险，但是也会使婴儿出生时体重偏轻，轻度早产，出生后亚培格测试 [9] 分数较低，并伴有轻度的运动障碍。然而，这些问题必须与母亲在怀孕期间的应激和抑郁可能给胎儿带来的风险，例如认知能力（智力）下降、注意力和语言发育以及其他行为异常等进行权衡。母亲在怀孕期间出现焦虑会永久性地激活胎儿的应激反应轴，并增加孩子将来出现焦虑、冲动、多动症和抑郁症的风险。如果真的有可能，那么可以考虑采用其他的非药物治疗方法来治疗孕妇的抑郁症，例如光线疗法、经颅磁刺激疗法、按摩疗法、针灸疗法或者互联网心理疗法。显而易见的是，负责治疗孕妇的医生一定要深思熟虑。

作用机制

母亲子宫内的胎儿以及刚出生不久的新生儿的脑细胞生长极其迅速，这个过程会一直持续到4岁左右，而大脑的成熟过程则需要更长的时间。以前额叶皮层为例，一直要到25岁时才能发育成熟。为了促进早产儿肺部成熟而大剂量地、长时间地应用肾上腺皮质激素会额外抑制大脑的发育。母亲在怀孕期间饮酒、吸烟和服药都会导致胎儿大脑体积减小。

胎儿所接触到的化学物质会引起脑细胞发育异常。脑细胞迁移过程紊乱会导致“脑结构异位症”，即向皮层迁移的脑细胞群停留在脑内错误的位置。它们会受困于神经节脑白质中，无法正确执行其功能。这种疾病也会由于孕妇常用的物质，例如苯二氮卓类药物（安眠药）而引起。孕期饮酒也会导致所有的脑轴突结构和功能异常。在怀孕期间，吸烟和饮酒都会使胎儿脑内尼古丁受体发生改变，吸食大麻则会改变多巴胺受体。

结论

成瘾物质、药物和环境中的物质都会对胎儿的大脑造成永久性的破坏，导致他们将来出现学习和行为异常。这种类型的先天性缺陷被称为“功能性（或行为性）畸形缺陷”。

追踪这些疾病与这些化学物质之间的联系非常困难，因为在子宫内的胎儿暴露于这些物质中与这些物质将来造成影响之间存在着很长的时间间隔，例如，这些影响要等到孩子上学以后才能表现出来，或者在对生育能力造成影响的方面，可能要等到孩子二三十岁时才表现出来。此外，这些物质所造成的影响（例如学习障碍和睡眠紊乱）并不具有特异性，即它们不能被用来确定那些在胎儿期一定会对胎儿大脑造成破坏的物质。更重要的是，一种物质会导致多种症状，而出现某种症状则取决于在胎儿发育的哪一个阶段接触了这种物质。医生们，尤其是在缺乏可靠的动物实验数据的情况下，不知道自己应该针对哪一种脑发育异常进行研究，这也使得这个问题更为复杂。因此最基本的做法是，尽早告诉病人这些潜在性危险，那么一旦病人打算怀孕，她就可以获得最安全的处方药或是其他非药物的治疗方案了。

胎儿在子宫内的感受，决定了大脑日后的编程

胎儿在母亲的子宫里时，就已经为出生后的生活编制好程序了。例如，性别的自我认同、性取向以及攻击性程度等，都在这个时期在大脑中确定了（见第4章，第9章第1节）。随后，性激素会激活胎儿已经在子宫内形成的大脑系统，于是日后的性行为和攻击性行为才得以体现。在子宫内大脑程序性形成阶段，一部分是由胎儿从父母那里继承的遗传信息决定的。由于胎儿的这种大脑程序设定以遗传因素为基础，因此人们性格中很重要的一部分在母亲受孕的那一刻就已经被确定了，患有大脑疾病的风险性，例如精神分裂症、自闭症、抑郁症和成瘾（见第6章第3节，第11章第3节），也在同时被确定了。然而，由于DNA携带的可用信息太有限了，远远不能供大脑编程，因此大脑只能通过产生大量的细胞并通过细胞之间的联系来解决这个问题。这些细胞间的联系将生长物质带到脑细胞中，促使它们的活性提高并形成更多、更强的细胞间联系。那些做不好这种工作的细胞会在大脑发育期间死亡。在产生过度的细胞间的联系之后，出故障的部分将得到调整。

除了遗传性决定因素外，影响大脑活性的其他因素也会对发育中的大脑产生永久性的影响，例如，胎儿和母亲分泌的激素、通过胎盘被胎儿吸收的营养物质以及环境中的化学物质。举例来说，性激素会影响大脑形成性别差异。此外，人们在之后的应激反应轴和攻击性行为的实施水平在子宫内也已经形成了。按照类似的机制，胎儿通过一种永久性的方式调整大脑系统以应答来自外界的极端信号，这样胎儿就为离开子宫之后的困难生活做好了准备。胎儿大脑的这种可塑性具有短期内的生存优势，但是它也使得发育中的大脑极易受到有害物质（例如母亲所吸香烟中的尼古丁等）的侵害。此外，从长远来看，胎儿大脑系统的编程也可能是引发慢性病的基础。阿姆斯特丹医学研究中心（AMC）的关于荷兰“饥饿的冬天”的研究者们发现，胎儿时期的大脑系统编程可以给将来生活带来危险。在“饥饿的冬天”，德国侵略者洗劫了荷兰。当时出生的孩子不仅出生时体重过轻（见图3-1），而且在成年后出现反社会行为和肥胖症的概率更高。他们似乎偏爱高脂肪食物，也很少运动。此外，他们更容易患上高血压、精神分裂症和抑郁症。这项研究的意义远远超过对于荷兰“饥饿的冬天”的研究，因为如今仍然存在着由于母亲胎盘功能不良而无法在子宫内获得充足食物的孩子，他们出生时体重也过轻。

图3-1　一个在1944—1945年荷兰“饥饿的冬天”出生的婴儿

胎儿在子宫内时就已经感受到了外部环境中的食物缺乏。胎儿大脑对营养不良所做出的反应具有怎样的进化优势呢？它所有的调节代谢的系统都将在子宫内调整到保存好体内每一单位卡路里的状态。此外，将来他们在吃东西时更不容易感觉到饱。由于这些婴儿出生时个头较小，因此需要的食物也较少。这样一来，孩子就会将自己的大脑和行为调整到能够适应子宫外贫瘠生活的状态。反社会行为使得孩子在将来的日子里凡事都先为自己考虑，这也有利于在贫瘠的环境中生存。应激反应轴的激活也有助于培养其生存策略，但是如果孩子出生在一个食物供应富足的世界中，这种适应性策略就会变得对自己不利。此外，肥胖症的发生率也会增加，并由此引发高血压。饱腹感的降低不仅会导致肥胖症的风险升高，还会导致成瘾风险增加。应激反应轴被激活会增加患抑郁症的风险。胎儿在子宫中的异常发育也会提高患精神分裂症的风险。因此，我们可以考虑把子宫内因营养不良而带来的疾病增加看作是胎儿为了提高其短期生存机会而实施的适应策略的副作用。

类似的解释还可以用来证明，母亲在怀孕期间所承受的社会压力会破坏胎儿大脑的性分化（见第4章第1节）。母亲受到的应激（例如生活事件或者战争），会使女性胎儿大脑更加男性化，并使男性胎儿大脑的男性化程度减低。这看上去也是一种适应性反应。如果女孩在将来更强健、更好胜，则可以更好地生存。而如果男孩缺少一些大男子气概则能避免其在应激环境中与男性领袖发生冲突。这也是一种在短期内求生存的好策略，但是从长远来看这却是以丧失生育能力、增加智力障碍和精神分裂症的风险作为代价的。

总之，胎儿似乎只“考虑”了短期生存，他对他所预期到的出生后会立即面临的艰难环境做好了适应性准备——当然，胎儿其实并没有“考虑”所有这些事情。数百万年来，胎儿都在面临着那些威胁，在一个偶然的机会，有一个胎儿出现了基因突变，使他更好地适应了等待着他的环境挑战，这种有利的基因突变接着传遍了整个种群。我们不能责备婴儿的这种不考虑远期副作用的短期适应性行为，毕竟人类也是在最近才开始变得长寿的。

直到如今，医生们都在医治着在胎儿时期大脑编程所遗留的长期效应。根据对于在“饥饿的冬天”出生的胎儿的大脑编程研究中所获得的知识，医生们能够着眼于预防那些长期后果，并对怀孕期间母亲的营养提出建议。这是个很大的收获。

胎儿能感觉到疼痛吗

在乔治·布什担任美国总统期间流传着一些令人印象深刻的影片，显示了在堕胎手术中，胎儿在子宫内接触到针时的剧烈运动，这表明了胎儿体验到了疼痛并试图躲避堕胎仪器。美国联邦政府曾经考虑立法，要求医生必须告知妇女有“大量的证据”表明，在堕胎时对胎儿的毁灭是能让胎儿感到痛苦的。在对超过妊娠22周的胎儿堕胎时，必须给他们应用止痛剂，不遵守这条法律的医生将被罚10万美金，还可能丢掉饭碗。这个想法在美国的“反堕胎运动”中找到了生根的土壤，但是，胎儿真的能体验到痛苦的证据是否充分？他们真的能感觉到疼痛吗？

成年以后，神经纤维将来自皮肤的疼痛刺激经过脊髓传递到丘脑，并从丘脑继续传输到两个脑区——初级感觉皮层（在这里人们会意识到疼痛）和扣带皮层（它是大脑的警报区，能解读疼痛信息，然后发出情感和自主反应的指令，例如情感、表情转变、应激反应、呼吸加速、心率和血压升高等）。

正常情况下，妊娠期会持续40周。将疼痛信号传输到大脑皮层的神经回路在妊娠26周时形成。在这之后，来自皮肤的疼痛刺激可以被传输到胎儿的大脑皮层，但是它们接下来是否能够进入意识的层面尚未被确定。早产儿对于疼痛的意识可能不会在妊娠第29～30周之前出现。皮肤上的疼痛感受器——分支的神经纤维，在妊娠第7周时已经形成，脊髓反射则在妊娠第8周时形成，因此胎儿会对针状物的接触产生反应。然而，与那些狂热的反堕胎者所说的不同的是，这并不能说明胎儿能够感觉到疼痛。要想感受到疼痛，就先要保证刺激能到达大脑皮层，此外，皮层本身也必须足够成熟并能以一种有意义的方式处理这种刺激信息。胎儿在堕胎手术中对疼痛刺激的反应完全是以脊髓反射为基础的。无脑畸形儿也会做出同样反应。那些处于早期妊娠阶段的胎儿对于疼痛刺激的反应是如此强烈和全面，似乎整个身体都参与了反应，恰恰是因为他们的大脑皮层还没有成熟，因此脊髓反射也没有减慢到正常的比例。

丘脑和大脑皮层下方的“皮质板”之间的联系出现在妊娠12周到16周之间。皮质板是将来要长在大脑皮层中的神经纤维的“等候室”。妊娠23～30周，大脑皮层中将长出神经纤维。对早产儿做的脑电图和大脑皮层血流量的测定表明，对疼痛刺激的反应发生在妊娠25～29周，疼痛刺激将到达大脑皮层。然而问题是，大脑皮层是否已经足够成熟到可以感知疼痛的程度？这种感知是感情上体验疼痛所必需的。

如今在新生儿重症监护室中，人们在治疗早产儿时认为他们可以感受和体验疼痛。他们会对“侵犯性”的处理和抽血做出动作反应，也会出现心率、呼吸、血压、氧气张力和应激激素水平的变化。在包皮环切手术等干预治疗中也会如此。然而，这些证据并不能证明婴儿具有清醒的疼痛感，因为这些自主反应来自大脑皮层以下的脑区，所以可以在无意识的基础上出现。同样，这些孩子对疼痛刺激做出的动作反应也可能仅仅是一种脊髓反射，而不是在大脑皮层中引起的反应。不仅无脑畸形儿能对身体刺激做出动作反应，而且大脑皮层已经完全损坏的脑死亡的成年人，在植物人昏迷状态中也会做出动作反应。

对于早产婴儿，最早从妊娠25周开始，可以观察到疼痛刺激在大脑皮层引起的反应，但是还不能据此确定这是有意识的反应。要确定胎儿是否具有意识则更加困难。睡眠周期中的“清醒期”常常被视为“意识”的替代品。然而，由于胎儿大脑不成熟以及受胎盘分泌激素的影响，在妊娠晚期胎儿有95%的时间都处于睡眠状态，也就是说，他们是没有意识的。在余下的5%的时间里，他们处于“睡醒”的状态，但是这种状态其实是快动眼睡眠与非快动眼睡眠之间的一种过渡期，因此不存在真正清醒或者有意识的状态。以这样的“清醒”标准来看，这段时期似乎是没有意识的。

对于出生在妊娠25～29周的婴儿来说，不愉快的刺激会引起大脑皮层活性改变。然而，早产儿与同龄的胎儿之间有很大的差别。类此缺氧之类的刺激会使出生后的婴儿做出觉醒的反应，但是胎儿的反应则刚好相反——它会抑制胎儿的觉醒状态，胎儿以这种方式在面临自己无法逃脱的困境时保存能量。同样，一种潜在的“痛苦”和“讨厌”的刺激，例如强烈震动或者噪音，只会引起胎儿的皮层下反应。妊娠28周时的胎儿可以“学习”对刺激做出反应也不能说明他具有有意识的记忆程序。在无脑畸形胎儿身上，你也能发现这种原始的“学习行为”。因此，这是一种无意识的学习形式，并不需要大脑皮层参与。

在关于堕胎过程中需要给胎儿使用止痛剂的议题方面，人们甚至还可用“即使止痛剂没有益处，也肯定没有害处”作为辩驳，但是对于母亲来说，在全身麻醉的状态下堕胎会增加她们患上并发症的风险。基于同样的理由，给没有被堕胎的胎儿在做胎儿手术时强行使用镇痛剂也非常令人担忧——人们没有确凿的证据证明胎儿有意识，但却有证据证明止痛剂对孩子将来的机体功能具有有害的副作用。

我对这一切得出了这样的结论：在妊娠25 ～26周之前给孕妇做全男童在做包皮环切手术过程中必须使用麻醉剂。

我的腿是多余的

在发育早期阶段，不仅性别认同（感觉自己是男性还是女性）和性取向（同性恋、异性恋或者双性恋）已经在大脑中被编制好程序（详见第4章），而且体像 [10] 也已定形。体像方面有时会在发育过程中出现一种令人惊奇的疾病，即“身体完整认同障碍症”（BIID）。患有BIID的病人从小就感觉到自己身体的某一部分不属于自己，并希望不惜一切代价去除它。他们不接受“自己的某一特定的肢体是自己身体的一部分”的概念，尽管其肢体没有任何问题。这样的观念会产生一种无法抵御的截肢的欲望。只有在他们的腿或者手臂被截肢之后，他们才会感觉到自己是“完整的”。施行这类截肢手术的外科医生们极有可能会遭到谴责，因为他们截去了一个健康的肢体。事实上，这是一种非常奇怪的现象，因为类似的情形也发生在异性癖患者的身上，甚至会发生在做包皮环切术的患者身上。

要人们接受围绕BIID的一系列议题还需要一些时间。从大体上说，心理治疗或者药物难以改变BIID患者的想法——尽管有报道称，一例BIID患者通过服用抗抑郁药并接受认知行为疗法的治疗感觉痛苦减轻，不过后来这位患者说，尽管与人交谈的感觉很好，但是认知行为疗法并没有改变任何与身体完整认同障碍症相关的问题。

BIID患者确信一条腿或者手臂不属于自己，或是希望自己的某个或者多个肢体能够瘫痪，这些想法很早就开始有了，通常是在孩提时期产生，也有一些是在成年期不久萌生的。患有BIID的儿童会剪下杂志图片上的娃娃，然后再剪掉娃娃身上的一条腿，那条腿与他们自己想截肢的腿一致。当看见那些失去了一条他们自己想去掉的腿或者手臂的残疾人时，这些BIID患者甚至会激动或者非常嫉妒。当他们看到某个肢体瘫痪的病人时，就会觉得自己也想瘫痪。某些患者就是在这时才首次意识到这正是自己想要的结果的。他们经常会尝试各种方法，尽可能地满足自己的渴望，例如，他们会用弹性绷带将腿绕向后方绑在臀部上，穿上宽松的裤子以便隐藏下半段腿，卷起裤腿，拄着拐杖行走或者坐轮椅。BIID患者经常会花费数年去寻找一位愿意截去他的完全健康、功能良好的肢体的外科医生。如果他们找不到这样的医生——通常情况下的确找不到，那么几乎2/3的患者都会通过损害自己不想要的肢体，直到不得不截肢的程度而最终得以截肢。有时候，他们还会采用一些可能引起生命危险的自残行为，例如用子弹打穿膝盖骨、冰冻自己的腿或者自己用锯子锯腿。BIID患者能够很明确地知道哪里是他们想截肢的部位，手术一旦完成，他们就能确切地指出哪些部位还没有被截到位。截肢手术完成后，他们会无比开心，经常会说唯一让他们感到后悔的事就是“没能早点儿做这个手术”。

目前我们还只能推测BIID患者的大脑在发育期间体像发生紊乱。然而，患者触摸自己想要的腿或者不想要的腿，会引起额叶和顶叶的脑活动之间产生不同的联系。BIID和异性癖（见第4章第6节）有一些相似性。这两种病的患者都了解身体解剖与其感觉不匹配。这种感觉产生于这两种病的患者的发育早期。在BIID和异性癖的相互联系方面尤为引人关注的是，高比例（19%）的BIID患者同时表现有性别认同问题和高比例（38%）的同性恋和双性恋。所有这些特征都是在个体发育早期被确定在脑中的，BIID一定也同样发生在发育早期，但是发生在哪个脑区以及原因是什么则仍然是个谜。没有理由去相信BIID是由人们关于前世的记忆而造成的，即在前世就没有那个“多余”的肢体。我们目前有技术去探寻大脑皮层的体像在发育期间到底发生了什么问题，但是这需要医生勇敢地参与病人的截肢诉求问题，不要简单地将BIID患者诊断为“疯子”。研究者必须对这些令人惊奇的变数产生兴趣，这些大脑变异性能够提高人们对于大脑正常发育过程的认识。BIID患者也应该公开自己的秘密，因为大多数人都还在隐藏自己这种疾病。

注解：

[1] 　第二次世界大战期间，荷兰遭到了大约6个月的食物禁运。——编者注

[2] 　即呆小症。——译者注

[3] 　即人们俗称的“阴阳人”。——译者注

[4] 　又称滴滴涕、二二三，化学名为双对氯苯基三氯乙烷。——译者注

[5] 　指的是作者获得教授职位时的演讲。——译者注

[6] 　Spina bifida，一种常见的先天畸形。——编者注

[7] 　古代的一个国家，坐落于非洲北海岸（今突尼斯），被罗马所灭。——译者注

[8] 　普通阶层，相当于平民，被认为较为愚蠢。——译者注

[9] 　Apgar test，即新生儿评分。——译者注

[10] 　body image，简单地说就是人们在看到镜子中的自己时的反应。——编者注

第4章
子宫中大脑的性分化

是男是女，大脑说了算

我非常赞同弗朗西斯·高尔顿 [1] 的观点，教育和环境对于人类的影响非常小，我们大部分的特质都是天生的。

——《达尔文自传》

我的大脑？这是我第二喜欢的器官。

——伍迪·艾伦 [2] ，《傻瓜大闹科学城》（sleeper ）

没有什么比判断一个刚出生的婴儿是男孩还是女孩更简单的事了。事实上，性别在受精的时候就已经被确定了：两条X染色体就是女孩，一条X和一条Y染色体就是男孩。男孩的Y染色体诱导产生雄性激素睾酮。在妊娠第6～12周，根据体内存在或者缺乏睾酮的情况，决定性器官向男性或者女性方向发展。在妊娠后半期，男孩体内的睾酮水平达到一个峰值，而女孩不会达到这个峰值，这就导致了大脑向男性或是向女性分化。在这个阶段，我们感觉自己是男性还是女性——也就是我们的性别身份（即性别认同），被固定在大脑结构中，而且在余生保持不变。

“性别身份在子宫中就已被确定”的观点还是在最近才被提出来的。在20世纪60～80年代，人们认为孩子出生时是一块白板，之后他们的男性或者女性行为都是由社会引导而发展的。这种观点对于治疗出生时性别不明确的孩子产生了很大影响。人们认为，只要尽快在孩子出生后做手术，那么选择哪一种性别就都没有什么关系，而且孩子在将来所处的环境还会确保其性别认同向着与性器官的性别保持一致的方向发展。只是到了最近，病患者团体才开始暴露出这样的事实：由于重建性器官的手术在之后无法与出生前已经在大脑中形成的性别身份相符，因此摧毁了许多患者的生活。约翰–琼–约翰的故事就是一个例子。

一个叫名约翰的小男孩在他8个月时的一次小手术（因为尿道开口太小而进行的阴茎包皮环切术）中，由于手术的严重失误而失去了阴茎，于是人们当时决定最好是把他变成女孩，起名为琼。医生在琼17个月之前就切除了“她”的睾丸以促进“她”的女性化过程。人们给琼穿上女孩的衣服，并由来自费城的约翰·曼尼教授为琼做心理辅导。在琼到了青春期时，还为琼做雌激素治疗。曼尼宣称，这是一个非常成功的案例：这个孩子发育成了一名正常的女性。

在一次美国学术研讨会上，我在发言时指出，这是我所知道的唯一一例表明出生后的环境可以改变孩子性别认同的案例。当时，弥尔顿·戴蒙德（Milton Diamond）教授站起来说，曼尼所说的完全是不正确的。戴蒙德教授认识琼，他知道琼在成年后又变回了男性，已经结婚，领养了几个孩子，并将名字改回为约翰。不幸的是，约翰后来在股票上倾家荡产，婚姻破裂，并在2004年自杀。

这个悲剧故事显示了子宫中的睾酮对大脑程序的影响是多么强大。切除阴茎和睾丸、做心理辅导以及做青春期雌激素治疗都无法改变这个孩子的性别认同。

雄激素不敏感综合征清楚地证明了睾酮确实起到了影响性器官和大脑向男性的性分化的作用。这种疾病能产生睾酮，但是整个身体对它不敏感。因此，无论是外部性器官还是大脑都会向女性化方向发展。相反，由于患有肾上腺畸形（先天性肾上腺皮质增生症，CAH）而在子宫中暴露于过高睾酮环境中的女孩在出生时阴蒂都会非常突出，以至于在出生登记时常被认为是男孩。实际上，所有这些女孩都获得了女性身份，但是她们中有2%的人后来显示出在母亲子宫中已经发展为男性性别身份了。

这些信息在实际生活中对人们意味着什么，可以通过2005年6月23日记者杨娜杰·古乐文（Jannetje Koelewijn）发表在《新鹿特丹商报》（NRC Handelsblad ）上的故事而阐明。

一对已经有了4个女儿的父母非常骄傲地发现，他们刚出生的第5个孩子是个男孩。他们为此而好好地庆祝了一番。然而在几个月后，孩子病了，经检查这个孩子其实是一个患有先天性肾上腺皮质增生症的女孩。为此，医生和这家人讨论了很多次，每次都谈了很长时间，但是对于这个家庭——尤其是孩子的父亲来说，出于宗教信仰的原因，他们完全无法接受“改变”孩子的性别这种做法。于是，医生决定把孩子变成一个“更明确的”男孩。小儿泌尿科医生把孩子的阴蒂增大，使其更像真正的阴茎，还给孩子激素以促进其男性化。孩子的父母对此都很满意。

不过，患有先天性肾上腺皮质增生症的女孩的大脑通常都将分化为女性。如果你参照一下上文中提到的约翰的故事，就能预测到这个“男孩”将来很可能会遇到性别问题，而且还会再变回女孩。到青春期的时候，人们将告诉“他”，“他”没有生育能力，一辈子都得使用睾酮，而且还得切除体内的子宫和卵巢。因此，对于患有先天性肾上腺皮质增生症的女孩而言，当今专业领域的共识是，即使她们已经出现男性化体征，也应该先按照女孩来养育。

在少数情况下，如果孩子的性别模糊不清，而且也无法肯定其大脑已经分化为男性还是女性，那么可以在此时为孩子临时选择一个性别。不过，有时应该等到孩子的行为明显地显示出其大脑的性别身份时，才可以实施造成一个男孩或者是女孩的性器官的手术。

男孩天生爱汽车，女孩天生爱娃娃

大脑和行为的性别差异也表现在与生殖行为没有直接关联的事例中。人们通常认为，男孩和女孩的行为学性别差异表现在他们游戏方式的差别上，并认为那是社会环境强加在孩子身上的。男孩们更加活跃，富有野性，更喜欢玩具士兵或玩具汽车，而女孩们则更喜欢玩洋娃娃。

在我对动物的行为进行观察后，十分怀疑在孩子游戏行为的性别差异中社会所扮演的角色，因此在30年前，我为我的一双儿女提供了两种类型的玩具，可是他们总是会做出固定化的选择——我的女儿只玩洋娃娃，儿子只对玩具汽车感兴趣。仅仅两个孩子的样本量还太小，没有很强的说服力。研究者亚历山大和海恩斯通过给长尾绒猴提供洋娃娃、玩具汽车和球等玩具的实验，证明了这种行为学性别差异具有生物学基础。雌性长尾绒猴选择洋娃娃，并开始嗅洋娃娃的肛门—生殖器区域，因此她们表现出典型的母性行为；而雄性长尾绒猴则对玩具汽车和球更感兴趣。因此，对于特定玩具的偏好不是社会强加给我们的行为，而是在我们大脑中设定好的程序，并为我们将来的社会角色做准备，例如女孩的母性行为、男孩的攻击性以及完成技术性任务的特征。猴子选择玩具的性别差异表明，决定这种性别差异的机制可以追溯到人类进化历史的几千万年以前。男孩在母亲子宫中通常出现的睾酮峰值似乎是游戏行为性别差异的原因。在母亲子宫中由于先天性肾上腺皮质增生症而分泌异常增多睾酮的女孩，反而喜欢与男孩结成游戏伙伴，偏爱男孩的玩具，也比正常女孩玩得更疯野，因此被人们称为“假小子”。

儿童的自发性绘画里也体现着明显的性别差异。无论是绘画的主题、颜色还是构图，男孩和女孩都受到他们在子宫中所暴露的激素环境的影响而呈现明显的性别差异。女孩喜欢画人物，尤其喜欢画女孩和女人，或者是花和蝴蝶。她们使用明亮的颜色，例如红色、橙色和黄色。她们的画的主题是和平的，图形通常列成一排。男孩则喜欢画技术类的物体、武器、战斗和运输工具（例如汽车、火车和飞机）。他们的画的画面通常是俯视的，而且经常使用暗色和冷色，例如蓝色。患有先天性肾上腺皮质增生症而在母亲子宫中暴露于过高睾酮环境中的女孩，即使在出生后立即得到治疗，在其五六岁时的绘画特征也和男孩相似。

我们行为中的某些性别差异在发育的早期就很明显了，因此只能认为它们在母亲子宫中就已经产生了。女孩在出生后的第一天就喜欢看人的面孔，而男孩的眼睛则更喜欢观看机械性的物体。一岁以后，女孩比男孩有更多的目光交流。然而在母亲子宫中暴露于过高睾酮环境中的女孩，在出生几年之后都很少与人有目光交流。在这点上，子宫中的睾酮水平同样起到了关键作用。

日常生活中的目光接触对于男性和女性具有完全不同的含义。在西方文化中，女性通过目光接触来更好地理解另一位女性，而且她们感觉良好。然而对于西方社会中的男性来说，目光接触参与了他们对于社会等级中地位的检验，因此可以具有相当的威胁性。同样，这也是纯生物学的概念。在美国科罗拉多州的阿斯彭机场出口处有一条这样的警告标志：“当你遇到一头熊时，不要和它的目光接触。一旦你与它有目光接触，它就会立刻攻击你。”

我的儿子在美国时曾研究过决定谈判成功的因素。我曾经跟他提到过，根据我的经验，女性和男性具有不同的谈判方式，但在很长的一段时间内他都对此不感兴趣，直到他在芝加哥突然下决心要研究一下这个问题。他和我共同进行的实验表明，目光交流的性别差异对于商业交易也有影响。两个女人之间的目光交流可以获得更富有创造性的谈判结果，而两个男人之间的目光接触则会对谈判结果起反作用，因为目光接触中的等级概念会给他们造成阻碍。希望你能从这个实用的小贴士中获益。

同性恋究竟是先天的还是后天的

男人若和男人苟合，像与女人一样，他们两个就是行了可憎的事，要把他们治死。

——《利未记》

（异性恋）也是一个需要说明的事情，它并不是一种以最终说来是化学性质的吸引力作为基础的不证自明的事情。

——弗洛伊德

阿尔弗雷德·金赛（Alfred Kinsey）在发表了关于瘿蜂的研究的博士学位论文之后，仍然是默默无闻，直到他于1948年出版了《人类男性性行为》以及5年之后出版了《人类女性性行为》，因为这两本书，美国人才对他予以强烈关注，不过是全面的攻击。他发明了“金赛量表”，设定了从0到6的尺度，0代表完全异性恋，6代表完全同性恋。据说他本人是“金赛–3”，换句话说，他是双性恋。

一个人位于这个量表中的哪个位置是由子宫中的发育过程决定的，取决于遗传背景以及激素和其他化合物对发育中的大脑的影响。关于双胞胎家系的研究表明，性取向有50%是由遗传因素决定的，但是研究者们还不清楚究竟是哪种基因参与其中。看上去似乎令人非常惊讶的是，人群中的同性恋基因在人类进化过程中被保留了下来，尽管这一群体最不可能进行繁殖。对此的一种解释是，这一类型的基因不仅增加了同性恋的概率，还提高了家族其他成员的生育力。如果这种基因遗传给了异性恋的兄弟和姐妹，那么他们就会比普通人拥有更多的后代，也会使这种基因继续循环下去。

激素和其他化合物对于性取向的形成非常重要。由于罹患先天性肾上腺皮质增生症而在母亲子宫中暴露于过高睾酮水平的女孩，出现双性恋或者同性恋倾向的概率更大。1939—1960年，美国和欧洲有大约200万名孕妇为了预防流产而服用了人工合成雌激素乙底酚（DES）。不过，乙底酚并没有起到预防流产的作用，但是医生总是乐于给病人开药的，而病人也欣然接受治疗。乙底酚提高了女性胎儿将来出现双性恋和同性恋倾向的概率。出生前受尼古丁或安非他命药物影响的女性胎儿，在将来出现同性恋倾向的概率也会提高。

男孩出现同性恋倾向的概率会随着他的哥哥的数量的增加而增加。对于这种现象的解释是，母亲对于所怀男性胎儿分泌的雄激素产生了免疫反应。这种免疫反应据说会随着每次怀儿子的妊娠而增强。孕妇所经历的应激事件也能提高胎儿将来出现同性恋倾向的概率，因为母亲产生的应激激素皮质醇会影响胎儿的性激素产生。

尽管人们通常认为，出生后的发育对人们的性取向有重要影响，但是并没有什么证据能支持这个观点。由一对女同性恋抚养长大的孩子根本不会增加其成为同性恋的可能性。关于人们常说的“同性恋是一种‘生活方式的选择’”也没有证据支持。

以上提到的因素影响了脑的发育，尤其是下丘脑的发育。下丘脑的发育对人们的性取向非常重要。1990年，我们首次发现了大脑中生物钟 [3] 的差别，同性恋男性的生物钟的大小是异性恋男性的两倍。我在更早期的研究中发现，阿尔茨海默病患者的生物钟有所退化，这就解释了病人为什么会在晚上到处游荡而白天打盹。后来，我继续研究了其他类型的痴呆症患者是否也具有相同的生物钟的改变。我发现，一个患有艾滋病的痴呆症患者的生物钟大小是正常人的两倍，但是后续的研究显示，这不是由艾滋病导致的，而是与同性恋有关。1991年，美国的勒维（Levay）描述了男性同性恋下丘脑前部的一个区域和异性恋相比范围减小，呈女性化形状。1992年，美国研究者艾伦（Allen）和戈斯基（Gorski）提出，男性同性恋的位于下丘脑顶部的左右半脑连接体体积更大。

脑扫描研究显示了与性取向有关的下丘脑的功能性差别。瑞典研究者伊凡卡·萨维克（Ivanka Savic）利用人们的汗液和尿液中生产的信息素 [4] 进行了实验。信息素在人们的嗅觉无法明察的情况下已经影响了人们的性行为。男性信息素对于异性恋女性和同性恋男性下丘脑活动的刺激效应相同，但是对异性恋男性没有效应，显然异性恋男性对男性气味不感兴趣。后来的研究显示，信息素对同性恋女性和异性恋女性所引起的反应也不同。

很显然，大脑的很多结构和功能差异都与性取向有关，它们在妊娠后半期的子宫中就已经形成了。它们不是由于一个强势的母亲造成的，人们在以前讨论关于同性恋的原因时总是归咎于这样的母亲。这么多年以来，我在授课期间总是会询问大学里的医学生：“你们中有谁的母亲不强势吗？”从来没有一位学生举过手。

动物中也有同性恋

Xq28——谢谢您给我的这些基因，妈妈。

——印在美国T恤衫上的文字 [5]

同性恋是上帝用来确保真正有天赋的人不受孩子烦扰的方式。

——山姆·奥斯丁 [6]

同性恋的反对者曾提出，动物世界中并不存在同性恋，因此同性恋是“违反自然规则”的。这简直是胡说八道。目前从昆虫到哺乳动物，大约有1 500种物种具有同性恋行为记载。

在纽约中央公园的动物园里，一对同性恋雄企鹅罗伊和塞罗广受关注。它们相互交配，共筑爱巢。一位好心的饲养员给它们送来了一只企鹅蛋，罗伊和塞罗共同孵蛋，并一起照顾小企鹅。

如果雌鼠在母体子宫内和一只雄鼠待在一起，就会在其早期发育阶段接触较高的睾酮，成年之后则会以雄鼠的姿势与其他雌鼠交配。在“一夫一妻”制的蛎鹬鸟中，有2%会形成一夫两妻的三重唱关系，一起守卫鸟巢。这样的三重唱关系与传统的配对关系相比能产生更多的后代，因为它们能更好地经营和保护自己的鸟巢。

行为学科学家指出，动物世界的同性恋行为经常被用于与敌人和解，或者是获得外援而抵御潜在的侵略者。弗朗斯·德·瓦尔（Frans de Waal）称倭黑猩猩为“彻头彻尾的双性恋”，或者说是“金赛–3”。这些倭黑猩猩倾向于通过性行为解决问题。他还描述了同性成员之间的性行为也发生在其他猴子种群、雄性大象、长颈鹿、天鹅以及鲸中。然而，弗朗斯·德·瓦尔并不称此为同性恋，因为这些行为仅仅是暂时发生。实际上，这些都是双性恋的例子。

在南加利福尼亚地区，人们还发现了一种雌性同性恋海鸥，它们一起孵蛋。这些雌海鸥就像配偶一样进行交配。然而，这并不是自然产生的行为，这是由于环境中的DDT污染而引起的雄海鸥在发育过程中失去生育能力，因而造成大量雌性同性恋海鸥伴侣。当然，至少有一些雄海鸥逃过了DDT污染效应，与雌海鸥至少交配过一次，并令其受孕，但是接下来雌海鸥显然就不再需要它们了。

在夏威夷的一个岛上，有一个信天翁群落中雌性过多，雌性信天翁彼此能成为多年的配偶，相互梳理照料羽毛，一起跳舞，彼此守护。她们轮流孵蛋，每年孵育一枚。每次受精之后，她们的附近就再没出现过雄海鸥。

黑腹果蝇的性行为则遵循一套复杂而刻板的模式，雄性和雌性不同。具有“不结果实（fruitless）基因”突变的雄性是双性恋。大约在30年前曾有一篇论文表明，雌果蝇二号基因染色体变异导致其出现雌性同性恋行为。我曾经希望看到，那些导致果蝇出现同性恋行为的变异的基因也许能够反映参与人类同性恋行为发育的基因，但是人们至今仍无法解决这个问题。

根据弗朗斯·德·瓦尔的观点，存在于人类中的只针对于同性的同性恋在动物世界里很少或者不存在。我不同意这个观点。在美国的蒙大拿州，安妮·珀金斯（Anne Perkins）发现，有10%被选来育种的公绵羊不与母羊交配。人们称它们“懒惰”。然而，在回到草地之后，它们一点儿都不懒惰，而是积极地与其他公羊交配。这些公羊中有的甚至会轮番互相交配。珀金斯在这些公羊的下丘脑内发现一些化学成分的改变，这表明激素和脑细胞之间的相互作用出现了变化。她在这些同性恋公羊的下丘脑内还发现出现了结构性的改变，这与研究人员在人类同性恋男性中所发现的一样。同性恋，也是一种自然的变异。

改变同性恋，只是痴人说梦

乔治·布什任职期间，美国社会的时钟被拨回到过去。

大肆兴起的“去同性恋运动”认为，同性恋是一种可以治疗的疾病。数以百计的诊所和治疗师们活跃在这个领域并宣称，参加治疗的同性恋中有30%已被治愈，这是在没有证据证明的情况下说的。在这些诊所中，为期两周的治疗费用为2 500美元，6周为6 000美元。治疗师们自身通常都曾是同性恋者，他们宣称仅通过一个疗程的治疗，自己就可以成为真正的“有家室的男人”。

然而，一项名为“做GAY也很好”的反对派运动指出，那些治疗是建立在对同性恋的羞耻感、污蔑和歧视基础上的，结果会导致自杀。2009年，美国心理协会（APA）的一份措辞严厉的报告证实了这一点。报告的结论是，这种试图将同性恋转化为异性恋的治疗没有效果，美国心理协会的15万会员不应该继续为这样的“患者”提供治疗。报告表明，这种治疗最多只能教人们无视自己的感情，不接受同性恋者的诱惑。报告还证实了这种治疗会导致抑郁症，甚至是自杀。

所有的研究都指出，人们的性取向早在母亲子宫内发育阶段就已经形成了，而且未来一直都不会改变。同性恋和异性恋的大脑在结构和功能方面有很多差别，这些差别在发育早期就已经产生了。出生后的环境对性取向并没有什么影响，即使是英国的寄宿制学校也没有提高学生们在成年后出现同性恋倾向的概率。我本以为“治愈”同性恋的想法是典型的美国基督教徒的妄想，没想到在荷兰也存在。五旬节派教会（Pentecostal Church）的这种“治愈同性恋”的过程是，通过祈祷，可以同时治愈人们的同性恋和艾滋病，然后让这些人和教会里的妇女结婚。这不仅是荒谬的，也是有致命危险的，因为一旦患有艾滋病的人相信能通过这种方法获得康复，他们就不会再服用药物了。

那种认为“人们可以自由选择性取向”，以及“同性恋是一个错误的选择”的过时观点仍然在制造着巨大的不幸。在我给荷兰的ContrariO组织 [7] 演讲时所听到的故事使我认识到，对于荷兰改革教派中的同性恋来说，他们的性取向仍然伴随着痛苦的挣扎。就在不久以前，医学科学还是将同性恋看作是一种疾病。直到1992年，同性恋才从《国际疾病分类（第10版）》中删除，徒劳的“治愈”同性恋的尝试也是从那时起才停止的。那种认为“社会环境影响了人们的性取向的发展”的观点引发了世界范围内的迫害行为。以希特勒为代表的纳粹德国认为，同性恋像瘟疫一样会传染，于是这种观点造成了令人发指的后果：先是让同性恋自愿接受阉割，接着是进行强制性阉割，最后在集中营里杀害同性恋者。

同性恋不可能被“治愈”的事实是对“同性恋是一种‘生活方式’的选择”的观点，或是认为“同性恋可以被环境左右”的观点的最有力的驳斥。人们尝试过最疯狂的方法——激素治疗（如给予睾酮或雌激素）、阉割以及能影响性欲却无法影响性取向的疗法。人们也尝试过电休克和诱发癫痫以及监狱服刑等方法，但都没有起到什么效果。此外，人们还尝试过借助睾丸移植手术来治疗同性恋，不过一个“成功”的案例就是一个同性恋的人在接受移植后跟踪一位女护士并掐她的臀部。治疗方法中自然少不了精神分析法，而且人们还在给予同性恋者催吐剂阿扑吗啡的同时，给他们看同性恋的色情图片来建立条件反射，试图消除他们的同性性欲。这种疗法的唯一效果就是，当治疗师走进房间时同性恋男子开始呕吐，但是他们的同性性欲仍保持不变。此外，还有对同性恋男子进行脑部手术，并宣称如果有疗效就减免他们的监狱服刑。当然，接受过手术的人都会说手术的确有一点儿效果。

由于所有这些干预都没有对性取向造成证据充分的改变，因此毫无疑问的是，人们的性取向在成年期已经固定了，而且不再会受到什么影响。

我本是男儿身，又不是女娇娥

邮件主题：阴茎整形新技术。

需求：外科医生。

附言：最好是未割过包皮的天然阴茎。我之所以在国外寻找，是因为欧洲未割过包皮的阴茎比美国多。

——一个从女性变为男性的美国异性癖女士给我写的邮件

异性癖者确信自己的身体被错生到异性的性别中了，因此他们将付出巨大的努力，去改变自己的身体性别，以匹配自己认同的性别。改变性别的过程是渐进性的，首先要适应异性性别的社会角色，然后摄取激素，而且直到那时才能进行一系列的大手术。对于这种艰辛的过程，事后感到后悔者仅有0.4%。

第一位意识到异性癖者困境的人是内分泌学家、药理学家奥托·德瓦尔，他从1965年开始免费帮助异性癖者。从1975年到现在，已经有3 500人在这里接受了变性手术。

我第一次接触到这个话题是在20世纪60年代，当时我还是医学院的学生。性学教授科恩·梵·爱姆德·宝思领着一位留着络腮胡子的男子来到妇产科的授课讲堂。你一定会为在这种课堂上展示一个男性病例而感到奇怪。然而事实上，这个“男人”其实是一名遗传学角度上的女性，是一位女性变为男性的异性癖者。这个病例给我留下了极为深刻的印象，并使我开始思考其背后的发生机制。

一万人群中有一例男变女（MtF）异性癖者，三万人群中有一例女变男（FtM）异性癖者。性别问题通常在发育阶段早期就已经出现了。母亲们会这样说，她们的儿子从会说话开始就喜欢穿她的衣服和鞋子，只对女孩子的玩具感兴趣，而且主要和女孩一起玩。不过，并不是所有有性别问题的孩子今后在生活中都选择改变性别的。有时要给予他们激素以抑制其青春期发育，以争取有更多的时间让他们考虑是否接受改变性别的治疗。

所有的数据都指出，性别问题早在母体子宫中就已经产生了。基因的微小改变可以影响激素对大脑发育的作用，还会增加异性癖的发生率。此外，胎儿在子宫中的激素水平异常，母亲在怀孕期间服用扰乱性激素分解的药物等也会增加异性癖的发生率。性器官的性分化在妊娠的最初几个月内就已经完成了，而大脑的性别分化则是在妊娠后半期完成的。由于这两个过程发生在妊娠的不同阶段，因此从理论上讲异性癖中的这两个过程会受到差异性因素的影响。如果情况是这样的，那么男性异性癖者的大脑中可能会出现女性结构，而女性异性癖者则相反。

1995年，我们的确在脑标本中发现了一个表明性别差异逆转的微小结构。我们的这个研究成果发表在《自然》杂志上。这涉及了一个与很多性行为有关的大脑结构——终纹床核（BST）（见图4-1和图4-2），男性的终纹床核中心部（BSTc）的大小以及神经细胞数目是女性的两倍。我们可以排除异性癖的BSTc的性别颠倒是由于成年期激素水平的改变而引起的。因此，这种性别颠倒形成于发育期。

图4-1　终纹床核（BST）示意图

位于侧脑室尖端①的终纹床核（BST），这个脑区对性行为非常重要。

图4-2　终纹床核中心部（BSTc）

男性（A、C）的终纹床核中心部的大小和神经细胞的数目是女性（B）的两倍。男变女异性癖者（D）呈女性特征的BSTc。

如果你发表了一些真正有意思的研究结果，那么你能从大多数同事那里得到的最善意的评语就是：“你的结果必须先能被其他的独立研究队伍再次确认。”因此，去年当我看到瑞典研究者伊凡卡·萨维克发表的利用功能性脑扫描研究生活中的男变女异性癖者的报告时感到非常高兴。这些异性癖者既没有做过手术，也没用过激素。萨维克给予他们男性和女性信息素作为嗅觉刺激物，人们是不能有意识地闻到这种物质的。这些信息素在对照组的被试的下丘脑以及其他大脑区域引起了不同的刺激反应模式。男变女异性癖者的刺激反应模式介于男性和女性的不同模式之间。2009年，拉马钱德兰（Ramachandran）提出了一个有关异性癖的有趣假说以及一些初步研究的结果。他认为男变女异性癖者的大脑皮层上的阴茎代表区缺失，而女变男异性癖者的大脑皮层上的乳房代表区在发育阶段没有建立起来，因此这些患者无法承认这些器官属于自己，而是希望去除它们。所有证据都显示，异性癖者在早期发育阶段大脑性分化异常，而且不能简单地称他们为精神病。需要注意的是，在进行变性治疗之前，我们应确定排除改变性别的愿望是某些精神病的表现，因为精神分裂症、双相情感障碍和严重人格障碍的病人有时也会表示希望改变性别。

看看杰克逊的大脑，澄清恋童癖的传言

我能否敢请阁下允许我接受去势？

天主教堂里的儿童性虐待案件的数量似乎很惊人。起初是在美国出现，然后是在爱尔兰——仅在主教辖区的都柏林就有几百名儿童于1976—2004年受到性虐待。之后德国也上了黑名单，而荷兰也在突然间披露了上百起性虐儿童案件。全球性披露的恋童事件让人们清楚地看到，由于人们对有关恋童癖这一议题的禁忌，使得人们对它在教堂内和教堂外的流行情况一无所知。

引起恋童癖的原因很多。当一个成年人突然出现恋童的兴趣时，可能是他的前额叶皮层、颞叶皮层或者下丘脑内长了肿瘤。一项治疗癫痫的脑部手术也报道过，颞叶前部被切除的患者在术后的性取向转为恋童癖（见第5章第4节）。不久前，一名美国男子在接受了这种手术后开始从网上下载儿童色情文学，因此被判19个月监禁。恋童癖也会在脑部感染后发生，在帕金森氏病、多发性硬化症以及不同类型的痴呆症和脑创伤中发生。

然而，神经疾病作为恋童癖的原因还是很罕见的。在大多数情况下，恋童癖患者长期以来一直都对儿童很着迷，因此应该从他们在母亲子宫内时到出生后的早期发育阶段来寻找原因。人们的性别认同（身份）和性取向（同性恋、异性恋和双性恋）是由遗传背景以及胎儿期性激素和发育的大脑之间的相互作用决定的。恋童癖也可以通过遗传和早期发育因素来解释，它们不但能导致大脑早期发育异常，还会导致发育中的大脑结构发生改变。我研究的一个有恋童癖病人的三代家系中，在恋童癖的一级家系成员中有高达18%的异常性行为（例如恋童癖），这也表明恋童癖存在着遗传因素。此外，恋童癖者幼年时往往会更容易受到成年人的性虐待。2009年年底，北爱尔兰新芬党领导人杰瑞·亚当斯（Jerry Adams）披露了自己家庭中的痛苦的秘密，他的兄弟被他的父亲强奸过，他的兄弟也被怀疑性虐待过自己的女儿。人们需要研究恋童癖是由于曾在幼年时遭受过性虐待，还是由于这种家庭中的遗传因素造成的。

加德赛克（Gajdusek）教授认为，幼年时遭受过性虐待会在今后导致恋童癖。他以前的确被他的叔叔性虐待过。才华横溢的加德赛克研究过新几内亚内陆村庄里大量年轻痴呆的女性和儿童死于库鲁病的原因，他发现，这些女性和儿童死于嗜食同类的行为，他们很早就有吃掉战败的敌人的大脑的习俗。加德赛克指出，“慢性病毒是致病的元凶”。后来证实，病因是一种具有传染性的蛋白质——朊毒体，它同时也是导致疯牛病的病因。加德赛克于1976年获得诺贝尔生理学或医学奖。然而人们发现，他不仅从新几内亚和其他他工作过的国家带走了脑组织，还带走了56名儿童，而且大部分是男孩。我们一直觉得这情形很怪异。他把这些孩子带到自己家中，教他们学习，也性虐待过他们。加德赛克被判一年监禁，于2008年去世。

搜寻早期发育期间可能会导致恋童癖产生的多种潜在因素的研究是合理的，但是研究却受到了恋童癖禁忌的阻碍。在我们的社会中，有谁敢于公开宣布自己有恋童癖，而且还乐于参加对自己成长背景的研究呢？

在过去的几年里，已经有第一批研究成果揭示了与恋童癖有关的大脑结构差异。一项核磁共振成像研究表明，恋童癖者的许多脑区灰质（等于神经细胞）会减少，例如下丘脑、终纹床核（异性癖者这个脑区有不同的改变，参见第4章第6节）和杏仁核。杏仁核与焦虑和攻击行为有关。此外，杏仁核越小，出现恋童的犯罪性行为的概率似乎越大。研究者们也在恋童癖者的大脑中发现了功能性差异。当恋童癖者看到成年人的色情图片时，他们的下丘脑和前额叶皮层的激活反应小于对照组，因为恋童癖者对成年人的性兴趣不高。被判刑的恋童癖者在看到儿童图片时，其杏仁核的激活反应高于对照组。然而，我们要意识到他们只是恋童癖群体中的一个被选择的亚组。大多数恋童癖者懂得控制自己的冲动，不会犯罪，因而没有被研究到。

性虐待对儿童是有害的，对性虐待者实施惩罚是为了使公众满意，也是为了防范再发。不过后者是个问题，如何才能改变早在早期发育阶段就在大脑中形成的行为呢？人们以前也尝试过利用各种方法把同性恋男性变成异性恋男性（参见第4章第5节），但是从未成功过。恋童癖也是如此。不久前，乌特勒支省法院原本对一位60岁的异性恋恋童癖牧师宣布判处10个月的监禁，而经过一番讨论后，法官改判他去做社区服务了。这种情况在过去肯定不会发生。

荷兰也曾对恋童癖男子实施过去势手术。1938—1968年，荷兰有至少400名男性性犯罪者“自愿”接受了去势手术。去势过程不受法律控制。被判处防范性扣留（在监狱里接受无限期心理治疗）的人被建议做出选择，要么终生监禁，要么自愿接受去势。他们必须给司法部部长递交一封统一格式的信函，信中须这样写：“我能否敢请阁下允许我接受去势？”直到1950年，80%的被去势的男性是恋童癖者。不过存在着一个这样的问题，性成熟的年龄界限被设定得过高，为16岁，这就使得要是一个人和一个15岁的已经性成熟的同性恋者相爱，就可能被错误地判为恋童癖。在德国，人们期望通过对下丘脑做外科手术来改变恋童癖的性取向。这些脑部手术从未被科学的方法验证过。目前，受到防范性扣留判决的恋童癖者接受化学性去势的数量在上升。化学性去势采用对抗睾酮的化合物来抑制性欲，对某些人来说这实在是个解脱，因为即使将来再遇到诱人的“目标”也不会再产生性冲动了。然而，对这些被判处防范性扣留的恋童癖者施以化学性去势的做法非常危险，因为如果他们不接受这种“治疗”，荷兰海牙市的司法部就会坚决否决他们离开监狱的假期申请。这些化合物并非适用于每一位性犯罪者，它们会造成诸如乳房发育、肥胖症和骨质疏松症等很明显的副作用。

因此，乌特勒支省的恋童癖牧师得感谢他生活在不同的时代。法官当然担心他会再犯，而且这种担心是正确的。不过法官认为，一个半月的拘禁，一个长期的暂行判决，加上一个惩罚性的社区服务任务将会比长期监禁的效果更好。我们永远都无法知道事实是否如此，因为司法部没有调查其惩罚效力的传统。令人遗憾的是，医学界也还没有研究早期发育阶段导致恋童癖的因素的传统。打破该项研究的禁忌将有助于了解导致恋童癖的早期发育阶段因素，并能找到最好的方法控制恋童冲动，防止复发。采取这样的行动可以预防许多人发生悲剧，对于女性恋童癖者也是如此。关于“恋童癖中女性是无辜的”的神话已经过时了。在女性性虐待儿童事件中，最常见的是母亲虐待自己年幼的孩子，而且受害者大部分是女孩，平均年龄为6岁。那些母亲通常很贫穷，没受过什么教育，还经常会伴有诸如智力迟钝、精神病和成瘾等问题。

加拿大提出的一项新措施表明，可以借助简单的方法明显改善当前的状况，即恋童癖者在他们的监禁期结束后被一群志愿者接收并照看。社会网络就此形成，显著减少了再犯事件。这比荷兰的情况要好得多了。2009年年末，埃因霍温市市长禁止一位恋童癖者回到家乡，后来这位恋童癖者又被禁止进入乌特勒支省。这名男子现在住在他的汽车里，从一个停车场转移到另一个停车场。这本身就是在招引问题。然而，现在荷兰也有人愿意去核实加拿大所采用的新措施的潜在益处了。另一种可以采用的预防儿童遭受性虐待的方法是制作虚假的儿童色情作品，恋童癖者在使用期间不会有真正的儿童受到虐待。来自夏威夷的性学教授弥尔顿·戴蒙德很好地阐释了这种方法可能具有的良好效果，但是仍然需要一段时间去说服当局接受这个创新性的概念。

社会怎么看我的关于大脑性分化的研究

愤怒的男同们站到了反面（或错误的一面） [8] 。

——《同性恋公报》，2006年4月20日

20世纪六七十年代，人们认为婴儿出生时就像是一张白纸，在成长的过程中，是社会传统强制其向男性或向女性方向发展，性别认同与性取向的形成过程也是如此。这个概念受到美国心理学家约翰·马尼（John Money）的强烈推崇，并产生了伤害性后果（见“约翰–琼–约翰”的故事，第4章第1节），而且它反映了当时社会的普遍看法，即所有的事物都是可制造的（即受到后天影响），包括性别认同和性取向。

20世纪70年代早期，当我首次在医学院讲授大脑性分化课程时，人们对社会环境影响的重要性的广泛接受不仅体现在马尼等人的作品中，也成为女权主义的指导方针——两性之间行为、职业以及兴趣爱好的所有差别都是男权社会强加给女性的。在我首次授课的过程中，我发现坐在讲堂第一排的女学生们都在织毛线或者钩编衣裳。她们显然不想听我正在讨论的内容，也不想听我的观点。当我把电灯关掉而放映教学幻灯片时，遭到了女生们的大声抗议，因为她们看不清正在做的手工活了！从那一刻起，我决定整节课从头到尾都在昏暗的灯光下一边放映幻灯片一边讲解。那些坐在第一排的女士派了一个代表团去找校长，坚持要求调换一位没有大男子主义意识的教师给她们上课。显然，这样的人是不存在的，因此这件事以我继续按照自己的方式授课而告终。

当我们首次报道在死亡后人体下丘脑组织中发现的大脑性别差异时，我们听到了来自女权主义者的反对声。女权主义者通常会否定大脑和行为可能存在着生物学性别差异。1987年，生物学家约克·特·哈尔特在接受《海牙邮报》的采访时针对我们的论文说道：“如果要我承认在诸如人类大脑结构这样基本的方面存在着性别差异，那么我就不如不做女权主义者了。”但在那个声明之后，我再也没有听到过她的消息。因为从那以后，人们又发现了成百上千的大脑性别差异。

在我们报道了同性恋男性和异性恋男性大脑之间的第一个差别之后（详见第4章第3节），反响之巨大出乎我们的意料，这一切都源于一份发行于1988年12月的几乎无人问津的《学院新闻》月刊。该期刊采访了一些受雇于荷兰皇家科学院的研究人员，看他们目前都在忙着研究什么。于是，我介绍了我们关于性取向和性别认同方面的研究。这个故事被荷兰《密码报》的记者汉斯·范·玛能（Hans van Maanan）拾获，他撰写了两篇科学而合理的文章——《同性恋者的大脑是不同的》以及《同性恋背后的大脑》。出于某种原因才引发了这样一场令人难以置信的暴乱。这么多年过去了，我还是不清楚那场极端情绪化的、完全是错误导向的巨大反响的准确原因。人们的性取向的生物学背景在当时——那个相信万物皆可制造的年代，仍然还是一大禁忌话题，这一点一定是导致那场暴乱的原因之一。

有一群男同性恋者几乎以宗教信仰的方式宣告，每个男人都是同性恋，只不过只有一部分人有勇气做出“出柜”的决定，他们称之为“政治性选择”。我回应道，我看不出这个选择与政治有什么关系，这种性取向的选择是人们还在母亲子宫里的时候就定下来的。然而，还有很多人因此而愤怒，在此后的三周里有几百篇文章见诸报端，荷兰COC联盟 [9] 得知这项研究后表示很“震惊”。

罗伯·提尔曼（Rob Tielman）教授是当时反对最强烈的人之一。他公然中伤这项研究，并称其“品位低俗”，这就为舆论定了调子。他还声称我应该在做研究和发表文章之前向他请求许可，不过这当然完全是胡说。几周之后，他又在一次访问中变卦说：“在同性恋研究领域，我和斯瓦伯是最接近的人……我属于那种倾向于非常严肃地对待生物学成分的人。”在此期间，《同性恋公报》的编辑汉克·克罗尔（Henk Krol）也给出了毫无价值的评语：“这样的研究强调了‘同性恋是一种疾病’的观点。它再一次对同性恋歧视起了推波助澜的作用。”荷兰政治激进组织成员彼得·兰克霍斯特（Peter Lankhorst）还在议会上针对我的研究提出质疑。他的质疑通过部长办公室和荷兰皇家科学院院长办公室转到我的办公室，然后我又按照同样的线路将回复依次传递回去。

我们家每天都会接到恐吓电话，同时还会收到恐吓邮件，收信人写的是“致SS [10] 医生——门格勒·斯瓦伯博士 [11] ”，邮件中有许多不合文法的句子，还充满了拼写错误，例如：“纳粹，电视上看你。恶棍的脸。我们同性爱要谋杀你。作为例子，精神领袖霍梅尼–伊朗关于英国人。”（见图4-3）我对这些威胁并不十分当真，并称，如果他们杀人的天赋能与写作天赋相匹配，那么我可能不会有多大的风险。（要是发生在现在，我可能就不那么想了。）我还收到一张明信片，上面写着：“你或许会因为不能在奥斯维辛集中营的门格勒手下工作而感到遗憾吧！”（见图4-4）委员会检查了我的工作，并为我在阿姆斯特丹大学医学中心（AMC）演讲时安排了保卫措施（我并没有要求）。研究所收到了炸弹恐吓（我也不以为意），我的孩子们在学校因为我的研究还遭到了欺负。

图4-3　1989年，我在发表同性恋男性大脑和异性恋男性大脑的第一个差别之后收到的一张明信片

图4-4　另一张明信片（1989）

一个周日的早晨，我醒来后发现在我家门口有一场示威游行，这个事件后来被荷兰著名的同性恋作家赫拉德·莱弗（Gerard Reve）在1995年用其独特的方式撰写了一篇杂文，并放入他的同名杂文集《无忧无虑的星期日的早晨》中。他写道：

直到那一刻，斯瓦伯教授的严重疏忽才显现出来——他忽视了在做他的研究之前应该去向COC联盟申请许可啊！现在后果出来了，而且很严重！一个周日的早晨，一大群情绪激动的人出现在斯瓦伯教授的住所外，齐声高呼口号：“迪克，切掉你的鸡鸡 [12] 吧1！”最奇怪的是，如果你考虑一下就会发现，虽然斯瓦伯教授研究的是性方面的事，但他研究的是大脑而不是性器官。然而，COC联盟的追随者们虽然长着性器官却没有大脑，这种“联盟”的意义不证自明。

这场风波持续了三个星期才结束，直到萨尔曼·拉什迪（Salman Rushdie）的《撒旦诗篇》事件的发生，于是所有的焦点都转移到这位英籍印度作家身上去了。围绕着我的“事件”的尘埃慢慢落下，而我当然还坚持自己的立场。荷兰皇家科学院院长大卫·德·韦德（David de Wied）教授接受了荷兰《电讯报》的采访。他在采访中对我表示支持，并指出这样的事件应该永远不再发生。很遗憾的是，他没能在三周之前就站出来说这些话。

然而，也存在一些美好而和善的反应，一些登载在报纸上的个人求偶广告就是很好的例子。例如，有一位写着：“我是一个好男人。37岁，1.87米，体重87公斤，金发碧眼，有着一个较大的下丘脑，想找一位……”还有一个写着：“我有一个很大的生物钟 [13] 。我的地址是瓦赫宁根654号。”

直到17年之后，《同性恋公报》才改变了自己对于那次事件的观点，并发表一篇题为《愤怒的男同们站到了反面》的文章。同样引人注目的是，这么多年过去了，罗伯·提尔曼在公报的同一期专栏中还是超越不了自己的轻度刻薄，起了个这样的标题——《顽固不化的斯瓦伯》。

当我们随后发表了第一篇关于异性癖的大脑内性反转现象的论文时，所获得的都是正面的反应。异性癖者根据这篇论文设法更改自己的出生证或者护照中的性别，在那之前在他们的国家这是不可能的事。欧洲法院也采用了这篇论文而针对异性癖立法，这篇论文也对英国拟定异性癖的相关法律起到了重要作用。

目前，有许多关于人类大脑在性别认同和性取向方面差别的论文，再也没有出现任何哪怕是最轻度的社会反应了，而且科普媒体也对这个话题表现出极大的兴趣。

教皇是男是女？让我检查一下！

正如本章第1节描述的那样，在我们的身体和大脑向男性或者女性方向分化期间，有时会产生介于两者之间的中间体形态，并造成巨大的影响。这方面的一个具有争议的例子是中世纪的一位女子。她想尽办法当上了罗马的教皇，从那以后，罗马一直在未雨绸缪地预防着类似“灾难”的重演。这位女教皇的故事大约在1250年时被修道士琼·德·梅利（Jean de Mailly）记录了下来，并在1972年被翻拍成电影。这是一个虚构的故事吗？是一个传奇吗？还是一个由官方仔细清除掉的历史事实？没人能够确切知晓。

这位年轻的英国女子在833年生于德国西部港口城市美因茨。854年，她成功扮成一位男子，在获得全票同意的情况下当选为教皇。在此之前，她还打扮成一位僧侣周游了整个欧洲，她的渊博知识给人留下了深刻的印象。接着，她以约翰内斯·安格利库斯（Johannes Anglicus，“英国人”的意思）的名字，并以约翰内斯八世、利奥四世的继承人的身份，当了三年的教皇。一切都很顺利，直到她怀上了她仆人的孩子，并在复活节游行中，在罗马圣克利门蒂宗教圣殿附近意外地产下了孩子。她的面具因此被揭开了，人们在街上以残忍的方式将她处死。她的继承人——本笃三世，尽可能地删除了有关她的所有记录。在梵蒂冈的官方教皇目录中没有关于约翰内斯的记录的痕迹。

尽管在天主教方面的官方言论中，这则故事被彻底否认了，但仍有一些证据表明的确存在过这件事。例如，教皇约翰内斯二十世在1276年将自己的名字改作约翰内斯二十一世，因为他认为这位女性教皇也应该被计算在内。在意大利锡耶纳大教堂里，曾有一尊名叫“女性安格里卡”的约翰内斯八世的头像，位于其他教皇的半身像之间，这也支持了这位女性教皇的确存在过的说法。然而，1600年，教皇克里门蒂三世下令将这座雕像搬走。

然而，随后出现了一把带有孔洞的椅子，在意大利它被叫作“分娩椅”。人们为“分娩椅”在梵蒂冈能用来做什么而感到疑惑，据说是为了防止再选出一位女教皇，候选教皇必须在这把椅子上试坐。在场的最年轻的牧师必须将手伸过这个孔洞去触摸候选教皇的生殖器，然后大声地喊：“他的睾丸好端端地挂在上面呢！”在场的红衣主教会回答：“我们的教皇是多产的！”

玛利亚·纽（Maria New）教授是纽约一名有着意大利血统的儿童内分泌学家，她认为对这位女教皇的最可能的诊断是先天性肾上皮质腺增生症，这是一种“阴阳人”的形式，女孩的肾上腺在母亲怀孕期间就生产了过多的男性激素睾酮。因此，女孩的阴蒂会在子宫内生长到男性阴茎的大小，其行为也会变得男性化。不过，这种诊断纯属推测。

1993年，玛利亚·纽在她的一篇论文中描述了一张目前应该被存放在梵蒂冈博物馆里的由红色大理石做成的椅子。还有一把类似的椅子被拿破仑偷走了，现在被珍藏在罗浮宫中。2007年，我在罗马的一次会议上遇见了玛利亚·纽，我问她那把在她的文章中提到的椅子究竟放在梵蒂冈的什么地方，我可以去那个博物馆参观。然而，她告诉我，她从来没有去梵蒂冈看过那把椅子，但是她曾看过罗浮宫里的那把椅子。

我和罗马的一个研究组有过合作，那个研究组内有一位内科医生是为教皇看病的医生之一。他安排我们在梵蒂冈保安头头的带领下进行一次私人性质的游览。我立即告诉他们，如果能看到那把椅子我将非常感激。我们的保安导游说，这当然可以，但是他立即又补充说，玛利亚·纽的那个故事完全是瞎编的。根据他所知道的情况，那是一把如厕的椅子，因为当时还没有其他卫生设备。我在想他怎么会知道玛利亚·纽的那篇文章，那毕竟是一篇刊载在科学杂志上的专业性论文，非医疗人员是难以获得那种杂志的，更不用说它会成为保安官员们的每日阅读物了。

我们在他的带领下拜访了寂静的梵蒂冈。红衣主教选举教皇的房间、最终选出的教皇用来回避激动情绪的“哭房”、含有白色和黑色烟雾的胶囊、教皇出现在人们视野中的著名的阳台所属的房间、无处不在的可怕的壁画、每扇门旁守卫着的瑞士护卫、教皇的花园以及通往城堡的秘密逃离通道等，甚至连教皇在特殊场合才会穿着的精美丝绣长袍也被从柜子里拿了出来让我们欣赏和触摸。有一件长袍是粉红色的。“这件是为周六晚上准备的吗？”我问在场的一位牧师，他正在小心地整理着衣服。“不，”他神情严肃地回答，“这件是为了去监狱拜访而准备的。”教皇的主教法冠也在我们面前被拆开包装，还有他旅行时携带的十字架等其他一些珍贵之物。

真是精美，但是我们主要不是为这些东西而来的，于是我就提醒我们的向导带我去看那把椅子。“我知道，再走一段就到了。”他安慰我们说。当我们从私人住处的寂静中走出，穿过充满游客的西斯廷教堂，再穿过一扇又一扇由瑞士卫队为我们开启和关闭的大门时，我又一次问起那把椅子的事。

“啊？真是遗憾，”那位保安说，“我们已经在一刻钟前走过它了。对不起，我把这件事给全忘了。”

“不要紧，”我轻松地说，“我们再往回走好了。”

不幸的是，那是不可能的。“因为安全的原因。”那位保安说。当时他正向我们介绍着梵蒂冈花园中的每一株树木和灌木都是由哪些国家捐赠的。我们的头顶悬挂着一个复杂的电缆网络，布满了来自一个高级通信系统的大量天线。

回到中世纪的路被切断了，因此我们不能对寻找这把椅子和约翰内斯教皇的真实性有所贡献，但是我仍然满腹疑窦。如果不存在那把椅子，那么保安导游为何不直接告诉我们？为什么他一直让我们相信他会带我们观看那把椅子？是那把椅子仍在被使用，或者教皇本笃十六世想恢复这个古老的传统吗？

注解：

[1] 　Francis Galton，达尔文的表弟，是一位具有广泛兴趣的英国人类学家、科学家。——编者注

[2] 　Woddy Allen，电影导演。——编者注

[3] 　生物钟是下丘脑中的一个结构，即视交叉上核，这是斯瓦伯教授等人的发现。——译者注

[4] 　pheromone，也称费洛蒙。——译者注

[5] 　指的是X染色体上的位点，根据迪恩·海默（Dean Hamer）的研究，与同性恋相关的基因位于这里。——作者注

[6] 　Sam Austin，作曲家、抒情诗人。——译者注

[7] 　基督教（改革教派）的同性恋组织，为改革教派中的同性恋和双性恋服务。——译者注

[8] 　“wrong side”此处为谐意词，在荷兰俚语中代表同性恋。——译者注

[9] 　即荷兰女同性恋、男同性恋、双性恋和异性癖联盟。——译者注

[10] 　纳粹党卫军。——译者注

[11] 　约瑟夫·门格勒是纳粹恶魔。——译者注

[12] 　作者名（Dick）在美国俚语中有“阴茎”的意思。——译者注

[13] 　作者等人研究发现，同性恋男性的生物钟（即下丘脑视交叉上核）大于异性恋男性。——译者注

第5章
大脑与青春期、爱情和性

青春期始于一个热吻

在青春期，脑垂体产生性激素刺激大脑。这些激素对处于青春期的大脑的影响会导致非常显著的行为改变，而且这些改变通常是很恼人的。青春期对于人类进化方面的好处显而易见，即孩子们已经为繁殖下一代做好了准备。青春期的行为以及叛逆的孩子和家庭保持距离，减小了在直系亲属圈内繁殖的可能性，因此降低了遗传性缺陷的发生概率。离开原来的巢穴后，他们要寻找新的体验，无所畏惧地冒险，做起事来也很冲动，这些都是青春期的特征。青少年在进行冒险性选择时，往往只考虑直接后果而不受惩罚性后果威胁的影响，这是因为他们的前额叶皮层尚未发育成熟。这也会增加物质成瘾的风险，而物质成瘾又会对未成熟的大脑造成永久性的损害。

青春期的启动需要一系列的化学变化。“亲吻一号”（KISS1）基因编码由下丘脑的“吻蛋白”（kisspeptin）产生，吻蛋白触发青春期。“亲吻一号”基因的作用是如此重要，以至于有了这样的说法：“青春期始于一个热吻。”“亲吻一号”基因是由位于美国宾夕法尼亚州的好时镇（Hershey，又名赫尔希镇）的科学家们发现的，并用当地的名产——“好时KISS巧克力”命名。由于有些人的“亲吻一号”基因系统发生变异，因此他们从未进入青春期。

还有一些系统也参与了青春期的发育过程。女孩必须储备足够的脂肪以便在怀孕时——即使是在食物短缺的情况下，给胎儿提供营养。大脑会通过测定由脂肪细胞生产的瘦素在血液循环中的含量来判断脂肪是否足够。如果脂肪贮存量不足，那么无论是因为进食障碍（例如神经性厌食症）还是过度运动，都会导致儿童体内瘦素缺乏，因而无法进入青春期或是使青春期延迟。如果人体瘦素基因发生突变，那么不但会导致女孩无法进入青春期，还会引起病态肥胖。大脑察觉到瘦素缺乏——即脂肪组织缺乏，从而判断此时怀孕非常冒险，因此不能启动青春期。与此同时，大脑发出需要大量进食的信号，提示进行脂肪储备。虽然这些儿童体内其实有足够的脂肪，但是大脑的判断是脂肪组织并没有分泌出瘦素。

由松果体分泌的松果体素是一种阻止青春期发育的激素，它在青春期发育过程中通常会减少。早在1898年，奥托·胡贝纳就描述过一个4岁半就进入青春期的男孩的病例，并提出松果体素对青春期的抑制作用。那个小男孩的脑中长了一个破坏松果体的脑瘤。我认识的一个名叫赫莉婕的荷兰女孩的运气比较好，她在3岁半进入青春期，但是脑中并没有瘤。她在12岁以前，医生们通过治疗抑制了她的激素分泌，然后又停止了这种治疗。几年之后，她再次进入青春期。现在她在大学预科二年级就读，而且学业出色。相反，也有病人由于松果体素水平过高，导致在激素水平恢复到正常之前无法进入青春期。患有卡尔曼氏综合征的病人也无法进入青春期。在正常情况下，鼻腔内的嗅神经将嗅觉传递到下丘脑及脑的其他部位。卡尔曼氏综合征病人在这个过程发生障碍，他们的产生于鼻腔内的能调节下五脑、肾上腺、睾丸、卵巢的性荷尔蒙分泌的促性腺激素释放激素细胞，在胚胎发育的过程中沿着嗅神经上行到下丘脑，使得下丘脑无法将适当的信息传递给内分泌系统。因此，他们不仅无法进入青春期，而且还会伴有嗅觉障碍。

当我们都认为胚胎期和青春期大脑没有能力做出任何明智的事情的时候，它们其实正经历着最复杂也是最精妙的改变。

父母是青少年的前额叶

如今的年轻人喜好奢侈、态度恶劣、蔑视权威、不尊重长辈。他们喜欢闲聊而不是实际训练。在老年人进屋之后，年轻人不再起立以表示敬意。他们驳斥父母，当众喋喋不休，还恐吓他们的老师。

——苏格拉底

青少年并不认为他们不成熟的大脑会成为问题，但是他们的父母会为此而担心。事实上也的确如此，这些父母正代替着青少年的前额叶皮层（见图5-1）的功能。父母必须在青少年的前额叶还不成熟的时候照顾好孩子的计划、组织、道德框架和行为界限，随着青少年的前额叶慢慢成熟，他们自己的前额叶将逐渐接管这些功能。问题是，如今的青少年认为他们的父母没有能力替代他们的前额叶功能。

图5-1　前额叶皮层（PFC）侧视图（上）和中间剖面图（下）

前额叶在调节其他脑区功能中起着重要作用，它负责控制冲动，完成复杂行为以及计划和组织工作。这个脑结构的成熟进程将一直持续到20岁出头。根据耶利·犹勒斯（Jelle Jolles）教授的观点，这就是为什么青少年很难在自习室里自修的原因。未成熟的前额叶不能成功地完成组织工作以及做出选择，功能性脑扫描研究也揭示了青少年的大脑与成年人的大脑有明显差异。成年人的大脑能将获得的任务分配到若干不同的脑区。青少年的前额叶有时也能完成一项任务，并达到成年人大脑的水平，但是必须付出更大的努力，因为未成熟的前额叶无法调动其他脑区参加行动。因此，青少年的前额叶会更快达到其能力的极限，在注意力不集中的情况下，青少年在完成任务的过程中更容易出错。此外，昼夜节律的调节也受到性激素的影响，这就可以解释为什么青少年早晨那么爱赖床而夜晚爱熬夜了。那么，我们是应该强迫他们早起呢，还是应该根据他们的生理情况调整学校的作息时间呢？

青春期少年会喝很多酒，根据一项以荷兰青少年为对象的调查可知，52%的15岁男孩和46%的15岁女孩会在周末夜晚喝至少5杯酒。这个年龄段的孩子总是会因酗酒而昏迷，然后被送入重症监护病房。先畅饮一通再去派对继续喝酒的情况在当下也十分普遍。据荷兰的一位令人尊重的初中校长说，他的学生们有时在来参加学校派对之前就已经喝醉了。他们学校还特地购买了呼气测醉器来隔离那些醉酒的学生。令人惊奇的是，当要求家长们前来领走他们喝醉酒的孩子时，家长们竟然对于学校的这种管理方法非常愤慨。酗酒会造成大脑萎缩，导致永久性损伤。在欧洲，每年有5.5万名青少年死于酒精中毒或是因饮酒而导致的事故。

青春期的性激素分泌增加不仅唤醒了性行为，也激发了好斗和追求刺激的行为，从而增加了不受禁令约束的、反社会的、攻击性的以及犯罪行为的风险。荷兰一项调查结果显示，1/3的10～17岁的青少年有过偷窃、入室行窃、破坏公物以及打架斗殴等犯罪行为。17岁以后，青少年的犯罪行为会有所减少。犯罪率的下降与前额叶的同步发育显然是有关的，前额叶会约束冲动行为，鼓励道德行为。“青春期的行为总有一天会结束的。”这是让家长们感到宽慰的想法。不过，有些老师还是会感到这实在是一件令人难以忍受的事情，因为每当他们向社会交付一批成熟的、受教育后举止行为变得良好的年轻人之后，就会迎来新的一批正处于青春期的孩子入校。对这些老师来说，这种压力简直没完没了。

恋爱是一种临时的精神错乱

恋爱是一种临时的精神错乱，可以用婚姻来治疗。

——安布鲁斯·比尔斯 [1]

大量的脑部活动参与了爱情生活的不同阶段，例如，恋爱、性唤起、与伴侣建立纽带并保持更长期的关系，以及母性和父性行为。尽管母亲没有“故意地”区分这些阶段，但是人们还是能意识到这些阶段完全可以相互独立存在，因此我把它们按照单独的议题分别进行讨论。

对于那些有过突然而强烈地坠入情网经历的人来说，没有人会将自己的择偶方式归为“自由选择”或是“经过深思熟虑的决定”。爱情就那么发生了，它是纯生物学意义的，伴随着完全的幸福感、愉快感，以及诸如心跳加速、出汗、失眠、情感依赖、高度集中的注意力、过度的迷恋、强烈的占有欲和保护欲、充满能量的感觉等生理反应。柏拉图也认为这个过程具有自主性。他领会到性冲动是灵魂的第四种形式，位于肚脐下方，是一个“完全非理性的、不遵守纪律的灵魂”。

对于人类来说，无论在世界的哪个角落，爱情都是两人成为配偶的基础。你可能会认为对于选择配偶这么重要的决定来说，大脑皮层一定会有意识地做出正确的选择。然而事实并非如此，在感受热恋这种强烈情感的过程中，人们所有的注意力和精力都会集中在伴侣身上，大脑内此时发号施令的区域位于脑底部，引导着无意识的过程。在给刚刚陷入热恋的人展示其伴侣的照片后对其进行脑部扫描，发现其脑部活性增高的结构仅仅位于远离大脑皮层的脑底部。奖赏系统有较为显著的激活，该系统采用多巴胺作为化学信使（见图5-2），多巴胺给人以幸福的感觉。奖赏系统的目标是获得奖励，在这种情况下是指获得一位合适的伴侣。奖赏系统不仅和爱情有关，也和人们的每种愉快的经历有关，而且它还是成瘾的基础，这也解释了在一段刻骨铭心的浪漫关系走到尽头时，人们为何会出现强烈的戒断症状。奖赏系统主要在右脑被激活，它与照片上的人脸的吸引力以及浪漫激情的强度有关。

图5-2　多巴胺奖赏系统

起源于腹侧被盖区细胞体的多巴胺奖赏系统①，其纤维投射到腹侧纹状体腹侧苍白球/伏隔核②、尾状核③以及前额叶皮层④。

此外，恋爱中的人血液中应激激素皮质醇水平升高，表示其陷于应激状态。在这种应激反应中，肾上腺的刺激作用是使恋爱中的女性睾酮水平升高，使恋爱中的男性睾酮水平降低的原因。

只有在爱情更长久地持续一个阶段后，前额叶皮层才会被激活，这个位于大脑最前部的结构将进行计划、权衡，而在双方确定了稳定的伴侣关系后，应激反应轴的活性以及睾酮水平的变化都会消失。大脑皮层的感觉信息处理过程在这个令人兴奋的过程起了作用，人们说到底是在看、在闻、在触摸配偶。不过，这并不是在有意识地选择就是这个人。奖赏系统在告诉你“这个人”是谁，并以这种方式确保你和“正确”的人在特定的时间繁殖。只有在最初的热恋期过去之后，大脑皮层才开始接管这项工作。因此，在你的孩子很明显地爱上了不该爱的人并经历了令其失望的爱情故事后，你厉声斥责他没有用脑思考是毫无意义的。他的确用过脑子，但不幸的是，经过思考、经过有意识的审议之后可能会得出不同的结论的大脑皮层，在一切结束之后，都还没来得及参与他们的恋爱过程。

一天中有23个小时，大脑都在抑制性行为

知识分子是那些发现有些事情比性行为更有趣的人。

——埃德加·华莱士 [2]

当我们还在母亲子宫里的时候，我们的性别认同和性取向就已经在大脑中固定了（见第4章）。进入青春期后，我们在发育早期建立的与性行为有关的脑回路随即被激活。

性别认同障碍的一种极端的类型是异性癖（见第4章第6节）。异性癖者在早期——常是从5岁开始，就确信他们被装错了身体，他们不顾一切地要改变性别。我们检查异性癖者的大脑时发现，男性的大脑中出现了女性的结构，反之亦然，这证实了“在他们的早期发育阶段，大脑发生过非典型的性分化”的观点。然而，在治疗异性癖之前，必须排除改变性别的愿望可能来自精神错乱，例如精神分裂症、双相情感障碍或者重度人格障碍。要治疗性取向发生改变的人，也要排除其脑部疾病。有时候，成年人从异性恋转变为同性恋或者恋童癖是由于其脑部长了肿瘤，或是由于出现了对性行为造成去抑制作用的脑部疾病，例如因颞叶损伤而引起的疾病。

大脑的许多区域都在不断地作用并抑制人们的性行为。在正常情况下，这种抑制效应每天可达约23小时。不受抑制的性行为，即性欲亢进，见于那些脑区受到损伤的病人、性欲倒错的病人（异常的性唤起，例如对无生命的物体产生性欲）、性施虐与性受虐狂者以及恋童癖病人。某些类型的癫痫症需要通过手术切除一部分颞叶来进行治疗，这种手术有时会造成患者性欲亢进，被称为克鲁尔–布西症候群。一名男子在接受这种手术之后，希望妻子每天和他进行五六次性交，而且在这之间还要手淫。

颞叶的最前端是杏仁核，能够调节攻击性行为并抑制性行为。出于这个原因，有时医生对于难以控制的攻击型患者将实施损毁其杏仁核的手术，而这种手术有时会导致克鲁尔–布西症候群。相反，电刺激杏仁核则会引发愉悦的性感受。刺激大脑其他结构也可以产生性行为的结果。刺激放置在隔膜中的电极会引起患者的性高潮，甚至产生强迫性手淫。在将脑脊液引流到腹腔的手术（一种脑室–腹腔分流手术）中，医生会将一根塑料管插到患者的脑脊液中。当塑料管尖刺到患者的隔膜时，病人的性欲会显著升高，而当隔膜受到损伤时，病人则会出现阳痿。因此，我们已经逐渐了解了抑制性冲动的大脑结构，这使我们至少能够维持体面的社会公民的形象。

性高潮是暂时的精神失常

难道性不再是什么神圣的事情了吗？

性始于大脑，也终结于大脑。许多大脑系统都持续地抑制着我们的性行为，但是一旦我们坠入爱河，这种抑制就消失得无影无踪。在你听到、看到、闻到和接触到你的伴侣时，大量的脑结构随即被激活。接着，许多脑区通过脊髓和自主神经系统指挥着性活动，让性器官为使卵子受精而做好准备。为了鼓励你实现这个目标，大脑以性高潮作为给你的奖励。性器官受到刺激而产生的冲动通过脊髓传递给大脑并到达丘脑，这是所有性爱感觉信息的中央接收器。这些信息从丘脑传送到腹侧被盖区的多巴胺奖赏系统，以及下丘脑。如果所有这些冲动导致了性高潮，那么你能在同时获得伏隔核的多巴胺释放以及下丘脑中“爱情激素”催产素的释放的奖励。催产素不但能增进伴侣之间的社会交往，还能促进阿片样物质在脑内的释放。所有这些物质都能使人上瘾，因此，世界人口已达60亿了。

人们在任何方面都是不同的，包括对性行为感兴趣的程度。接受多巴胺化学信息的多巴胺受体蛋白（多巴胺D4受体）基因的DNA，其多态性的细微差异与性欲程度、性唤起以及性行为本身具有相关性。多巴胺系统的过度激活也会带来问题。帕金森氏病患者因体内缺乏多巴胺，因而需要接受左旋多巴的治疗，这种物质在脑中会转换为多巴胺。这种治疗可能会带来的副作用之一就是性欲亢进。此外，在底丘脑核植入深部电极来减少震颤也是一种治疗帕金森氏病的手术疗法，但在刺激治疗的过程中有时也会导致患者性欲亢进，还可能会伴有躁狂抑郁症。

脑扫描检查中可以观察到由性行为激活的脑内奖赏系统回路。荷兰神经科学家盖特·霍施泰格（Gert Holstege）教授完成了一项令人惊讶的研究，他成功地劝说一些恋人参加实验并使其正在接受脑扫描检查的伴侣达到性高潮。他观察到，被试者位于中脑腹侧被盖区的多巴胺生产系统被激活，这与注射海洛因时的反应一致。这是有道理的，因为除了多巴胺系统之外，脑内阿片系统也参与了性高潮的形成，使用纳洛酮这种抑制脑内阿片样物质的药物的患者在性高潮中体验到的快感则会降低。

大脑扫描检查显示，男性和女性在性唤起时被激活的脑区不同。女性被激活的脑区主要集中在大脑皮层的运动区和感觉区，而男性主要在枕–颞叶皮层和屏状核。屏状核是位于岛叶皮层下方的薄层灰质。与诺贝尔奖获得者、分子生物学家和神经科学家弗朗西斯·克里克爵士的理论（屏状核参与大脑的意识功能）相悖的是，对于男性来说，这个结构其实承担着诸如性行为这样的低级活动。而且，性刺激也会激活男性的岛叶皮层，这是调节心率、呼吸和血压的脑区。值得注意的是，男性和女性的大脑显然是采用了不同的路径而达到了共同的目的——性高潮。男性和女性的杏仁核活性都有所降低，这一结构在我们理应对其他事物集中注意力的时候抑制我们的性行为。然而，这的确意味着人们在性活动中降低了警觉性。

脑扫描显示，男性和女性在处于性高潮中时的脑区激活和抑制的模式大致相同，二者的小脑活性都有一定程度的提高。在两性的性高潮期间，这个脑区似乎在调节肌肉收缩。额叶和颞叶皮层在性高潮期间活性降低，确保了性行为在这个阶段受到更少的抑制。因此，人们在这个时刻其实是暂时精神失常的。此外，在男性性高潮期间，大脑皮层中的中脑导水管周围灰质区域被激活，这与药物成瘾者自我注射海洛因时的脑内反应一致。

霍施泰格教授的脑扫描研究自然遭到了预料中的抵制。他在一次采访中说，当他在美国——这个以清教徒观点而闻名的地方，做关于他的研究结果的讲解时，一位美国同事红着脸走开，嘴里还嘀咕着：“难道对你们来说，性已经不再是什么神圣的事情了吗？”

处于排卵期的脱衣舞娘赚的小费更多

我们必须记住与心理学有关的所有临时概念有朝一日都会获得生物学物质基础的解释。因此，性行为的效应有可能是由特别的化学物质和过程产生的，它们使个体的生命永存。

——弗洛伊德，《论自恋》

激素影响了性行为的每个方面。性唤起受到男性性激素睾酮的影响。有些老年男性的睾酮水平过低，可能会伴随出现性欲和性趣下降，还可能患上抑郁症。使用睾酮药物能同时有益于性欲和情绪。睾酮也可以刺激女性的性欲，由肾上腺和卵巢产生。一位曾经患有睾酮肿瘤的女性在接受移除肿瘤的手术后，很是怀念她的睾酮肿瘤，因为睾酮肿瘤导致的高水平的睾酮曾令她享受到特别强烈的性生活。

女性月经周期性的性激素水平改变也向大脑发出生育期（即排卵期）开始的信号。一项研究显示，美国女学生们会在排卵期前后不自觉地穿得更时尚。她们更倾向于穿裙子而不是裤子，会佩戴更多的首饰，暴露更多的肌肤，举止更性感。处于排卵期的脱衣舞娘每晚可以得到平均335美元的小费，而在非排卵期，她们每晚的小费收入则约为185美元。在排卵期前后，女性更偏爱看到更具男子气概的脸、声音和行为。这项由杰弗里·米勒（Geoffrey Miller）和布伦特·约旦（Brent Jordan）所做的研究获得了2008年“搞笑诺贝尔奖” [3] 。

人们在观看色情图片时的大脑反应不仅取决于性别和年龄，还受到激素水平的影响，脑中的十几个脑区都会在看到这类图片后发生功能性的变化。顺便说一下，这类图片在年轻男性大脑中引起的性唤起和刺激强于年轻女性。在这种性刺激的早期阶段，男性的下丘脑和杏仁核与女性相比更强烈地被激活。女性这些脑区被激活的程度还取决于月经周期的不同阶段。在围排卵期，对这种刺激所产生的反应比在行经期更强烈。中年男性（46～55岁）的一部分脑区，例如丘脑以及下丘脑，在面对这种刺激时不再被激活，这表明随着年龄的增长，男性对色情刺激的性唤起反应降低。

催产素是一种由下丘脑神经细胞产生的激素，通过垂体腺而分泌到血液循环系统中（详见第2章第2节、第3节）。它影响生殖器官的肌纤维，但是当它在脑中释放时也会影响人的行为。对男性而言，下丘脑分泌的催产素还对性勃起有着重要作用。在性唤起过程中，男性和女性血液中催产素的水平都提高了，而且这种激素也参与了性高潮过程。催产素刺激平滑肌纤维收缩，因此促进了精子的运输，然后将精子沿着一个方向运输，并将卵子向另一个方向运输以确保两者最终结合。

催产素促进精子运输的结果表明，女性性高潮也影响到了伴侣选择，因为能使女性达到性高潮的伴侣能通过提高使其受孕的概率而获得进化方面的优势。此外，研究还发现了影响女性性高潮的遗传学因素。因此我们有理由认为，女性的性高潮是通过自然选择而形成的适应性机制。这可以终结认为“女性的性高潮在进化中的地位就像男性的乳头那样，仅仅在异性身上才有用”的歧视女性的假说。

脑中催产素的大量释放还能促进配对行为。在性高潮中给人带来极度愉悦享受的同时，催产素还会引起其他脑细胞释放阿片样物质，这就解释了为何患有慢性疼痛的病人在做爱之后疼痛感能减轻。在性唤起过程中，血浆中催产素高峰抑制应激系统会产生放松的效应。乍看之下，催产素就像是20世纪60年代的信条“做爱吧，不要战争”的神经生物学的基质。催产素虽然能抑制群体内部的攻击性，但也能刺激人们向其他人群发起攻击。因此，它并不是一种完全无害的物质。

神经疾病、精神疾病与性行为

在许多人的意识中，性的罪恶给生殖科学投上了阴影。

——桑德拉·帕克斯 [4]

性欲倒错的人多受过脑损伤

脑损伤或脊髓损伤都会破坏性功能，但是这种破坏程度取决于病变的部位，而不是病变的原因，例如，脑血管意外（变异性哮喘或中风）、帕金森氏病、创伤、多发性硬化症、感染或者肿瘤。前额叶受损会引起性冷淡和性欲减低，或者由于前额叶抑制作用的丧失而性欲增加。对痴呆症患者而言，皮层功能退化所导致的抑制作用消失会伴随出现给予他人不适当的性暗示、偶尔有露阴癖或是性侵犯等异常性行为。颞叶受损的病人会出现克鲁尔–布西症候群，包括性欲亢进和口欲亢进（始终要在口腔里放东西）。丘脑或者底丘脑核损伤也会出现性行为的抑制作用丧失的现象。大多数的多发性硬化症患者都患有性功能障碍，它们可以有多种表现，这取决于多发性硬化斑块在脑中的位置。有一位多发性硬化症病人在去世前两个月出现了极其罕见的并发症，包括性欲亢进和多种形式的性欲倒错，例如恋童癖、嗜兽癖（即与动物发生性关系）以及乱伦。她的下丘脑、前额叶基底部、隔膜和颞叶等处出现了多处损伤，因此难以弄明白哪处病变对哪种行为负责。

一个34岁的男人看到睡眠中的女性就会出现性唤起，特别是当他想象着可以给她画指甲，尤其是右手的指甲时。他对他妻子也无法控制这种性冲动。他给妻子服了镇静剂以让自己沉迷于这种性欲倒错行为中。在他妻子发现后，他们吵得很凶，但是他还是无法控制这种强迫症。后来，他用胡椒粉喷剂攻击妻子，打算致其昏迷，结果他妻子报了警，这名男子因此而接受了精神科医生的检查。脑扫描显示，他的额顶叶萎缩，并伴随着严重的脑白质损伤和皮层下纤维系统病变。该男子在10岁时大脑曾受过创伤并因此昏迷了4天。他还被证实患有体像障碍症（见第3章第5节），在大脑中无法生成完整的右手精神意象。

有研究表明，半数患有性欲倒错或者犯有性侵犯罪行的人都曾经历过严重的颅脑创伤，并因此陷入过无意识的状态。

抑郁症也伴随着性欲丧失。高水平的应激激素（皮质醇）抑制多巴胺奖赏系统，由此剥夺病人生活中的所有快感（这种症状被称为快感缺失）。抑郁症还引起睾酮水平下降，进一步引起情绪低落。除此之外，抗抑郁药物也会使性欲下降并抑制性高潮。与之相反的是，患有双相情感障碍的病人在其躁狂阶段的性欲则会升高。

几乎所有因为脑出血、创伤或者感染而引起下丘脑或者脑垂体疾病的病人都会出现性行为方面的问题，这不但是由于自主神经系统功能紊乱，还由于激素紊乱。糖尿病患者的神经纤维受损会导致其性功能出现障碍。糖尿病也是引起男性阳痿以及女性性交痛最常见的原因。此外，慢性疾病以及某种类型的药物（例如降压药、抗抑郁药、抗精神分裂药物和抗癫痫药物）也会有损性功能。

脊髓损伤的男人不能让妻子怀孕吗

如果一位截瘫患者的妻子怀孕了，人们对此的反应可能就将是这样的：“她怎能对那个可怜人做出那样的事——怀上其他男人的孩子，好像她觉得她老公的命还不够苦似的！”

的确，人们不指望看到这种疾病的患者能使妻子怀孕。那些完全性脊髓损伤（截瘫或者四肢瘫痪）导致肚脐以下感觉丧失的病人的确不能由大脑引起勃起（即“心因性勃起”），也就是他们无法通过看、感觉和闻到伴侣所造成的性唤起而出现勃起。不过，他们还是能由刺激引起阴茎勃起的（即“反射性勃起”），因为这种反射是通过最低脊髓节段传导的，患者这部分的脊髓还能保持完好（见图5-3）。

图5-3　心因性勃起的过程

心因性勃起由大脑产生，来自性器官的性爱冲动会向上传递到脊髓。如果人们意识到这些冲动在性行为过程中能在脊髓中来回传送，所有信息都是射精的必要条件，那么他们就将吃惊地发现，38%的完全性脊髓损伤的男性患者仍然可以体验到性高潮。有三种说法可以解释这种情况，但是没有一种是浅显易懂的。

第一种说法是，一些截瘫患者发现，在感觉丧失区附近的皮肤变得高度敏感，以至于成为新的性欲发生区，其伴侣对这个区域的刺激能引起其性高潮。这样的区域可以是肩膀，也可以是胸部、嘴唇或者耳朵。第二种说法是美国心理学家贝瑞·科米萨鲁克（Barry Komisaruk）在对功能性脑扫描进行研究后提出的。她认为，对于完全性脊髓损伤的女性患者来说，来自阴道的性刺激通过脑神经绕过损伤的脊髓，激活许多脑区，从而产生性高潮的快感。第三种说法来自对于完全性四肢瘫痪的病人的研究，50%的这种男性患者仍能达到性高潮，有时甚至可以射精，尽管他们的生殖器区域已经失去感觉。脊髓底部的神经细胞接管了射精中枢的功能。因此，人们在看到脊髓病变患者的妻子怀孕后做出评价的同时，并没有考虑到在人类繁殖能力方面，神经系统是足智多谋的。

心因性勃起由大脑产生，来自性器官的性爱冲动沿着脊髓向上传递到大脑。虽然在性交过程中，大量的性冲动在脊髓里双向运输，但是具有完全性脊髓损伤（见图5-3箭头所指）以致肚脐以下没有感觉的病人仍能感受到性高潮。这些患者的来自性器官的刺激绕过被损伤的脊髓，通过脑神经（迷走神经）输送到大脑。此外，脊髓底部的一些神经细胞能接管成为新的射精中枢。

享受癫痫发作前的性高潮感觉

癫痫病人经常会出现性功能障碍，这不但是因为治疗癫痫的药物起作用，还因为大脑的癫痫活动阻碍了下丘脑的功能。抗癫痫的药物使得睾酮浓度下降，雌激素浓度上升。位于颞叶中的海马体和杏仁核都可以调节下丘脑的许多活动。颞叶癫痫病人的这些脑结构的活性发生了改变，扰乱下丘脑的活性并引起性功能障碍。男性病人主要表现为性欲丧失、阳痿和不育、睾酮水平低下以及精子异常。女性则会出现月经失调、多毛症以及不孕等症状。

有些癫痫患者的病灶就在大脑皮层，每当癫痫发作之前，电刺激该区域大脑细胞的患者能体验到性高潮的感觉。一位大脑皮层长有肿瘤的女患者经历了生殖器区域的类似性交时的感觉。另一位在大脑皮层具有癫痫灶的女患者拒绝药物和手术治疗，因为她很享受癫痫发作之前的性高潮感觉。

癫痫病灶位于额叶的病人有多种类型的带有性行为特点的自主性动作，例如骨盆的节律性磨动或者手淫。颞叶癫痫病人会伴随许多性行为的感觉，有时甚至有性高潮和自发性射精。这种疾病也可能会出现具有性行为特点的自发性动作，但是在颞叶癫痫发作之间经常伴有性欲低下。手术切除颞极可以使性功能恢复正常，但是有时也会导致性欲亢进和克鲁尔–布西症候群。这些形成鲜明对比的效应提示我们，需要通过更深入的研究来揭示手术损伤的病灶的确切位置和边界，还要更好地理解病人的性行为及其改变。

当我们考虑到大脑结构、性行为和疾病之间的强烈相互作用时，至少可以说病人的病史材料显然缺乏关于他们性行为的信息。通常只要看到病史材料中简要地写着“无异常”后，你就能知道医生可能根本没有向病人提出这个问题。因此，这不如说是“无兴趣”的代名词。大脑已经被编制好了程序，认为任何有关性行为的信息都是个人隐私，而这种尴尬的感觉显然还没有因为穿上白大褂而消失。

注解：

[1] 　Ambrose Bierce，19世纪至20世纪美国最出色的讽刺作家之一。——编者注

[2] 　埃德加·华莱士，19世纪末至20世纪初英国著名小说家、戏剧家、记者。——编者注

[3] 　“搞笑诺贝尔奖”是对诺贝尔奖的有趣模仿，其目的是选出那些“乍看之下令人发笑，之后发人深省”的研究。——编者注

[4] 　Sandra J. Parkes，管理学家。——编者注

第6章
下丘脑：生存、激素和情感

在这里，这个被很好地遮盖住的地方，这个只有大拇指指甲盖大小的地方，存在着我们原始生命的源泉——生长的、情感的、繁殖的，人类或多或少成功地在其上施加了一个对它进行抑制的皮层。

——哈维·库欣 [1]

喝不够水？也许是下丘脑出问题了

我患有家族性下丘脑性尿崩症 [2] ，而且我是第一个发病的人。禁水实验实在是太可怕了。我在8小时内减了4公斤体重，而且不断排尿。

……这周，我的儿子也被诊断为尿崩症。他接受了DDAVP（去氨加压素）鼻喷剂治疗，效果很好。

在过去，如果病人开始大量排尿，医生就会用手指蘸一点儿病人的尿液并尝一下。如果尿液的味道是甜的，那么病人就患了糖尿病 [3] 。如果尿液没有甜味，那么病人患的就是尿崩症 [4] 。

肾脏或者大脑出了问题能导致尿崩症。每天有大量的血液流经肾脏以获得净化。在净化过程中，肾脏每天都要从尿液中回收大约15升液体。肾脏的这种回收工作得到了一种大脑激素的帮助，它可以抑制水分排泄，因此被称为抗利尿激素（ADH）。它由于还具有升高血压的作用，因此也常常被叫作血管加压素。抗利尿激素是脑细胞产生的一种小蛋白质。这些细胞位于下丘脑，下丘脑把产生的激素传递到垂体腺的最后方，并从那里释放到血液循环系统中。

关于“脑细胞可以产生激素”的概念最早是由恩斯特·斯卡勒（Ernst Scharrer）和贝塔·斯卡勒（Berta Scharrer）夫妇在20世纪40年代提出的。他们通过显微镜观察到下丘脑的大细胞中含有颗粒状物体，从而推测它们用来包装激素并释放到血液循环中。这种既具创新性又具革命性的概念引起了他们同事的强烈的情绪化反应。“实际上，每个人都激烈地甚至是充满敌意地拒绝了这个概念。”在年迈的贝塔写给我的信中，她依然怒气难平。他们的反对者声称，那些颗粒状物体只不过是一种疾病过程，或者大脑死亡之后发生的变化，抑或是在切片染色过程中产生的假象。斯卡勒夫妇证实了那些想法是错误的，因为他们在整个动物世界中，从虫子到人类的身上都发现了类似的神经细胞，它们都含有这种颗粒状物体并将其释放到血液循环中。它们完全不是一种假象，而是一种普遍存在的神经细胞类型，这种神经细胞通过激素控制着身体的许多活动。斯卡勒夫妇的观察使得神经内分泌学诞生了。

斯卡勒夫妇关于能产生激素的神经元和体内水分控制有关的猜想是具有远见的。当病人的抗利尿激素的DNA出现遗传缺陷时，该激素的功能就会立即显现出来，病人每天将排出15升左右的尿液。在阿姆斯特丹，我们追踪了一个罕见的家族，这个家族中的五代人都患有这种疾病。1968年，当我还在阿姆斯特丹大学附属医院的前身“城内救护中心”（Binnengasthuis）的博斯特（Borst）教授的科室做实习医生时，我首次接触到这个家族。这个家族的生活在很大程度上由持续性排尿以及由此产生的为了维持生命而持续性饮水的状况控制着。

有一个小病人告诉我，她妈妈也是尿崩症患者，她受够了与她睡在一间房子里的孩子们总是不停地起床排尿和喝水，她严厉地规定他们夜里不许起床喝东西。然而，妈妈自己却在床底下放了个水壶，以消除她自己的口渴。孩子们实在忍受不了没水喝，于是他们趁妈妈睡着的时候偷偷地爬到妈妈的床底下吸壶嘴喝水。如果他们因此把妈妈吵醒，就会遭受一顿痛打。

一个病人在童年时被送到疗养所接受治疗，护理人员觉得她又喝又尿的要求太过分了，实在令人讨厌，于是拒绝给她额外的水。为了获得足够的水分，这个病人就在晚上偷偷地把病房花瓶里的水全喝干。最近，我通过她的嫂子知道了当年她是如何保证水的味道不至于那么糟糕的：当花瓶里刚刚被装入新水时，她就立即把水喝光，然后她就报告给护士说花瓶里没水了，这样过一会儿她就又有水了。有一次，她严重脱水，人们都认为她可能不行了，这时她父母恰巧赶到，于是给她喝了一大瓶水救了她的命。如果她和妹妹一起骑车出去，她们肯定就会随身携带许多瓶水。她们总是在加油站把带的水喝光，然后再把瓶子灌满后继续上路，加油站的员工们都会吃惊地望着她们离去的背影。

1992年，我们与汉堡的一个研究组合作，发现了这个来自阿姆斯特丹的尿崩症家族的DNA的一个微小缺陷——第20号染色体的DNA的一个构建模块是患者每天排尿15升的罪魁祸首。目前，病人可以通过药物或者鼻喷剂来获得长效抗利尿激素，这种药物将患者的饮水量和排尿量都减少到接近正常的水平。然而，有些病人拒绝用药，因为他们不认为这种症状是一种疾病，宁愿认为这是一种特殊的家族特征。

名不见经传的下丘脑，掌管着你的生存能力

下丘脑（见图6-1）对于物种的生存极其重要，因为它控制着物种的繁殖。同时，下丘脑对个体的生存也很重要，因为它控制了身体的许多活动。一旦失去下丘脑，生存就只能依赖他人的支持。

图6-1　人体下丘脑

①Fornix穹窿

②Corpora mamillaria乳头体

③Thalamus丘脑

④Nucleus suprachiasmaticus视交叉上核

⑤Preoptisch gebied视前区

⑥Nucleus tuberomamillaris结节乳头核

⑦Nucleus infundibularis（arcuatus）漏斗核

⑧Nucleus paraventricularis室旁核

⑨Nucleus supraopticus视上核

⑩Neurohypofyse神经垂体

⑪Adenohypofyse腺垂体

⑫Poortadersysteem门静脉系统

来自海马体的记忆信息通过穹窿传递到乳头体，然后转换神经元而继续将信息传递到丘脑。生物钟是视交叉上核。体温调节和性活动需要视前区。结节乳头核是脑细胞生产组胺的唯一来源，对我们集中注意力起重要作用。控制食欲和新陈代谢的区域是漏斗核（即弓状核）和室旁核。室旁核和视上核将纤维传送到垂体后叶（即神经垂体），在这里，催产素和血管加压素被释放出来。漏斗核的纤维可以抵达门静脉系统中的毛细血管，在这里调节垂体前叶（即腺垂体）的神经肽分泌。

我有一位患者，是在他母亲的陪伴下来找我的。自从他接受手术之后，他母亲就再也没让他一个人待过。我也逐渐意识到他母亲这么做是很有必要的，因为她起到了她儿子的“外部下丘脑”的作用。几年前，一位优秀的神经外科医生为这个男孩做了手术，摘除他脑部的肿瘤——颅咽管瘤，因为当时要是再不为他做手术，他就要失明了。幸运的是，现在他的视力很好。手术之前，他是一名优秀的高中生，也是一名出色的运动员。在接受了下丘脑肿瘤摘除的手术后，他的脑垂体功能完全丧失了，只能借助一些激素制剂来完成他的这些功能。虽然大剂量的生长激素替代治疗具有强烈的副作用，但这其实只是他所面临的最小的问题。

生长激素替代治疗的副作用包括，关节肿胀疼痛、肌肉痛以及乳房明显发育。他母亲发现大剂量的生长激素造成了这些副作用后告诉了医生，医生降低了替代治疗的生长激素剂量，并通过手术移除了迅速增长的乳房组织。他的母亲必须帮助他记住已经服用了哪些药，还没有服用什么，并记住服用下一次激素制剂的时间。通过这种方式，她替代了他因手术而损伤的记忆功能和生物钟。这两个下丘脑的结构都在手术中被摘除了。他母亲希望通过给他服用睡眠激素——松果体素来纠正他由于生物钟遭到破坏而造成的睡眠紊乱。然而，这并不能改变他的性功能完全丧失的状况，因为他的下丘脑前部遭到了破坏。他还出现了记忆力和注意力障碍，这不但是因为记忆结构有缺陷，还因为他丧失了对集中注意力起重要作用的组胺能系统。由于他的母亲无法替代这些系统功能，因此这个原本很有天赋的男孩只能辍学了。

他母亲精心安排了他的饮食，因此他没有得肥胖症和糖尿病，而这两种疾病在像他这样的下丘脑受破坏的病人身上是一定会出现的。迄今为止，最危险的状况是病人在术后完全丧失体温调节能力。当天气变冷以及他不运动的时候，他的体温就会迅速下降，达到危及生命的低体温状态。如果有充足的阳光，或是让他稍稍运动一会儿，他的体温就会迅速蹿升到发烧的温度。要是让他在手术前穿上那种从后面系上的手术衣，那么还没等手术时他的体温就会降低到使他近乎昏迷的程度。因此，必须在手术前给他洗个热水澡，让他的体温恢复正常。此后，他母亲又充当了他的下丘脑的体温调节计作用，她用一支耳部温度计来测量在外界环境温度改变时她的儿子的体温，然后采取相应的措施。这个病例使我再次清楚地认识到，人的这个小小的脑组织——下丘脑，主动调节着大量的维持生命所必需的功能。

不过，在这个母子友好“共生”的故事中，我好像还丢失了某些细节。“你有时候会生气吗？”我小心翼翼地问他。“不，”他答道，接着突然站起身，大声地说，“但是要是我抓住我哥哥，我就会给他点儿颜色看看！”这真是典型的下丘脑腹内侧核综合征的表现。他的母亲，现在正替代着他的大脑前额叶皮层，用手搂着他，让他平静下来，并对我说：“这才是我害怕的事情，他真的能干出来。”他的哥哥在学校期间，学习和体育都没有他出色，现在成了一名医生，赚了很多的钱，但是丝毫不关心身患严重残疾的弟弟以及过度操劳的母亲。下丘脑腹内侧核综合征的典型症状是狂怒爆发，有时甚至有杀人的倾向，还会出现感情不稳定、神经性暴食症和肥胖以及智力衰退等症状。这个失去下丘脑的男孩具有该综合征的许多症状。要是没有他母亲每时每刻的细心呵护，要是他没这么高度服从，他早就不在人世了。

抑郁症的祸根在下丘脑

事实是，生活对于我来说毫无意义可言。我在世上每多活一天，就向某个悬崖走近了一步，在那里，我看到了自己的末日。停下步伐、往回走，对我来说都不可能。同样，我也不能在我面对痛苦时闭眼。我完全被死亡占据了，甚至是完全的毁灭。对我来说所发生的情况就是，我，一个健康和快乐的人，感觉无法再生活下去，有一种无法抵御的力量把我往坟墓里拖拽。

——列夫·托尔斯泰

所有卓越的哲学家、政治家以及艺术创作中的诗人们，都是忧郁的。

——亚里士多德

许多名人都经历过抑郁症，例如歌德、牛顿、贝多芬、罗伯特·舒曼、查尔斯·狄更斯、克里斯蒂安·惠更斯 [5] 、凡·高、戴高乐、维利·勃兰特 [6] 、梅纳赫姆·贝京 [7] 。

抑郁症也许是感染、肿瘤、激素分泌失调、自身免疫性疾病以及新陈代谢疾病等的首发症状。因此人们认为，生病时出现抑郁是具有进化上的优势的，因为到时候你会深居简出、食欲下降、对什么都不感兴趣、能不动就不动，这样你的能量就会主要用于身体的恢复。即使有些抑郁症并不是由躯体性疾病造成的，人们也还是会对它有一套进化论的假说。在等级分明的制度中，如果一个人被迫从优势地位降低到一个较低的位置，那么对生存意义而言，“抑郁”将是非常有益的反应。所有的行为，包括避免眼神接触和不进行性行为，都将减少遭受占据优势地位的个体攻击的危险。不管怎么说，躯体性疾病通常都是引发抑郁症的原因，因此抑郁症患者必须先接受适当的身体检查。不过，大脑疾病（例如阿尔茨海默病）也可以从抑郁症开始发病。克劳斯王子 [8] 曾经一直在瑞士的一家医院接受费用昂贵的抗抑郁症治疗，后来发现他的抑郁症是帕金森氏病的前兆。抑郁症往往也会和其他一些精神疾病一同出现，例如进食障碍、边缘性人格障碍。同样，精神分裂症患者也常常伴有抑郁症，而且这也通常是患者自杀的原因。当然，抑郁症也可以作为独立的疾病出现。

为什么会得抑郁症

在荷兰，每年约有50万人罹患抑郁症。抑郁症可以在人们经历一场严重应激事件后发生，例如伴侣去世或者考试失败，但是同样的应激事件对于其他人而言就不会导致抑郁症。在许多抑郁症病人身上，的确找不到情感障碍的明确原因。有些人的确具有抑郁症易感性体质，这种易感性体质是在早期发育过程中形成的，还有些人则对于悲惨事件具有很强的耐受能力。荷兰前副总理、前部长马塞尔·凡·达姆（Marcel van Dam）以他的亲身经历表明，有些人在承受巨大的痛苦后并不会罹患抑郁症。

“1943年，战争爆发了，那时我才5岁。我们听到警告说纳粹德国保安部要来抓捕我的父亲。他是警察部门中反对逮捕犹太人的反抗运动的发起者之一。我们全家必须迅速躲起来，我被送到一个对我来说完全陌生的农户家里。我的姐姐由于没能及时逃脱，被送进了集中营。可能是大人们怕我年幼，说漏了嘴，就告诉我父亲已经死了。1944年，我和我的母亲、兄弟团聚了。后来我的弟弟里欧因脑膜炎而不幸去世了。我母亲伤心欲绝，不仅是因为弟弟的死亡，还因为我父亲无法参加葬礼。德军当时在墓地周围等待我父亲来自投罗网。荷兰解放对我们来说似乎是一个新的开始，但是在1946年1月的一天，我和我12岁的哥哥威姆在过马路时，我的哥哥被一辆车撞死了。这样的事件和悲痛的心情我经历了一次又一次，但是没有哪次使我的生活出现混乱，也没有哪次让我因此而做噩梦。我从来没有抑郁过，也从来没有过度焦虑。为什么会这样？为什么那些经历的事故还没有我严重的人却受到了永久的心灵创伤？”

要回答凡·达姆的这个问题，需要结合两个因素考虑，一是人们的遗传背景因素，二是人们在母亲子宫内发育以及在出生后早期阶段发育所接触到的因素。这些因素将程序化地设定人们余生的应激反应系统的活性。人们区分了不同类型的抑郁症，并进一步区分了不同的亚型。它们的共同特征是，大脑中的应激反应轴对于应激事件（或压力）呈过度反应。当人们应对压力（或应激事件）时，下丘脑中的神经元就会被激活，这些神经元释放一种物质到脑垂体，使脑垂体转而刺激肾上腺分泌压力（应激）激素皮质醇。这种激素使人们的身体和大脑经受住压力。不过，如果应激反应轴过度兴奋，那么环境中的应激事件就会导致皮质醇的过多分泌，而这些化合物会强烈影响大脑，导致抑郁症。

遗传因素可以导致应激反应轴在发育阶段处于高活性状态。美国的阿米什人 [9] 以及许多著名的家族中，抑郁症都很常见，作家弗吉尼亚·伍尔夫的家族就是一例。这些家族帮助人们发现了第一批导致抑郁症发病风险增高的基因变异。随后，人们又发现了脑中化学信使的基因的许多微小变异，人们将其称为“多态性”，这些基因多态性也会提高抑郁症的发病风险。在“饥饿的冬天”，由于西部城市极度缺乏粮食，在那期间怀孕的母亲生下的孩子后来罹患抑郁症的概率更高。后来饥饿的问题结束了，但是由于当年母亲的胎盘功能不良，导致胎儿的应激反应轴被永久性地激活，而子宫内的胎儿食物供给不足，在出生后体重过轻。同样，如果母亲在怀孕期间吸烟或者服用某些药物（例如DES [10] ），那么孩子今后罹患抑郁症的风险也会升高。如果孩子在日后遭受严重忽视甚至虐待，那么他们的应激反应轴活性也会保持永久性激活状态。

我们还发现，女性性激素——雌激素，可以刺激应激反应轴，而男性性激素——睾酮，则会抑制应激反应轴。这似乎可以很好地解释为什么女性患抑郁症的概率是男性的两倍。

从根本上说，抑郁症是下丘脑发育障碍。如果一个人的遗传背景和发育历程使得其应激反应轴的活性增高，那么他在应对应激事件时就会出现过度反应，从而导致抑郁症。抑郁症的病因也可以来自成年阶段，例如服用某些药物。强的松，这种人工合成的肾上腺糖皮质激素，经常被应用于临床治疗，但服用大剂量的强的松则会导致情绪障碍。虽然大脑皮层抑制应激反应轴，但是脑中风病人或者多发性硬化症病人的脑损害，尤其是左半脑的损害则会造成这种抑制作用的丧失，导致应激反应轴活性亢进，增加抑郁症的发病风险。

不同类型的抑郁症

我们都有这样的感觉，在夏天比较高兴，而在冬天则欢乐较少。的确有人会伴随着季节的变更而经历着极端的情绪改变。他们在夏天会变得轻度躁狂（接近躁狂），甚至是真正的躁狂，而在冬天会变得十分抑郁。人们将其称为季节性情感障碍，其缩写SAD [11] 很形象地说明了这个症状。德国前总理维利·勃兰特经常在秋天——也就是白天缩短时，患上抑郁症，此时他会什么人都不想见，甚至连他的夫人都不想见。这种季节性的抑郁症通常有很强的遗传因素。冬天日照的减少是SAD的一个危险因素，而接受日照则可以改善症状。在美国，甚至有一些保险公司把北部地区的SAD患者送到南部的一个日照更充足的州去，使患者快速摆脱抑郁症。人体的生物钟不但调节白天和黑夜节律，也调节季节节律，它能直接接收环境中日光量的信息，在SAD发病中扮演了重要角色。控制生物钟功能的基因的微小变化也是诱发这种抑郁症的一个风险因子。

这种双相情感障碍也可以与季节没有明显的关联。有一天，德弗里斯太太从离家不远的沙丘附近遛完狗回家，发现她刚刚退休的老伴坐在餐桌边不省人事。她立即拨打了急救电话，她的兄弟们也很快赶来并立即采用了很专业的方法对她老伴进行急救复苏，可是这一切都是徒劳的。

第二天，她老伴的遗体被放入摆在客厅里的棺材中。此时她看上去精力充沛，忙个不停，事实上她已经出现轻度躁狂了，并在几天后发展为真正的躁狂症。她向熟人们讲述她对老伴的回忆，常因激动过度而大笑起来。她在半夜给警察打电话，而当警察过来时她又拎着曲棍球棒威胁着要揍警察。当她因为不想像她的父亲那样被送到精神病院并接受可能的电休克疗法时，她竟然用刀威胁她已经成年的女儿，最终使得情况变得无法控制。

经过多方努力，她终于答应住院接受治疗。在最初治疗阶段，她虽然服用了药物，可是她的躁狂症状还是有增无减。她激动地解释说，她一直都想住在这种超一流的宾馆里，并且在每次吃完医院提供的饭后都要留下一荷兰盾 [12] ，作为她获得出色服务的小费。她希望能和那位每天都去看望她的女伴手拉手地唱歌，在医院里溜达，并把这位女伴介绍给她的一个“老同学”。然而，可怜的男人从来就没和她做过同学，他简直要被她强加给他的这个无中生有的角色以及种种关于他的回忆给逼疯了。后来她的状况有了短期的好转，但是很快就陷入了极端抑郁之中。幸运的是，如今她已经获得了康复，正享受着天伦之乐。

荷兰前副总理黑·克莱因（Ger Klein）也患有这种双相情感障碍。轻度躁狂阶段可以增强人的创造力。作曲家罗伯特·舒曼在他的轻度躁狂症阶段（1840—1849年）共完成了20多部作品，而在抑郁阶段（1844—1854年）却没有一部作品。1854年的冬天，舒曼跳入寒冷刺骨的莱茵河，企图结束自己的生命，却被救了过来，在一家精神病医院度过了生命中的最后两年。约翰内斯·勃拉姆斯对他这位朋友的疾病和死亡感到极为震惊，谱写出合唱作品《德意志安魂曲》，献给他的挚友罗伯特·舒曼、勃拉姆斯的母亲以及整个人类。

苏联领袖尼基塔·赫鲁晓夫也经历过双相情感障碍。他在1964年被撤职以后，长期遭受着抑郁症的折磨。政府领导人这个群体对于他们患有双相情感障碍会进行极力否认，因为民众会怀疑一位处于躁狂状态下的人能对其所做的决定负多少责任。

温斯顿·丘吉尔也有过深度抑郁状态，他将其称为“黑狗时光”。根据他的私人秘书描述，他有时也会发疯似的神情激愤，具有“巨大的情绪变动，伴随着充沛精力的爆发”。

没有政治家会说自己有轻度躁狂的问题，但是根据目击者的描述，这样的情况的确在他们身上发生过。1963年，在约翰·肯尼迪总统被刺杀后，林登·约翰逊接任。他在接受胆囊和肾结石手术后罹患了严重抑郁症，以至于想要辞职。人们将他的粗鲁和性急归因于躁狂症。因此，他也患有双相情感障碍，但没有人知道他是否服药治疗。

如果疾病只有抑郁阶段而没有轻度躁狂或躁狂阶段，就可被称为“单相抑郁症”或者“重型抑郁症”。忧伤型抑郁症是它的一种亚型，通常伴有严重的昼夜节律紊乱和食欲缺乏。由强的松或者类似药物引起的抑郁症被称为“非典型性抑郁症”，常伴随着睡眠和食欲的增加。

抑郁症与大脑的哪些区域有关

抑郁症病人下丘脑内的一些细胞组活性会增高。许多抑郁症患者的应激反应轴——下丘脑–垂体–肾上腺轴会被过度激活。我们在研究那些生前患有重型抑郁症的病人在死后捐献的脑组织标本时发现，即使患者并非死于抑郁阶段，他们的下丘脑中产生的CRH（促肾上腺皮质激素释放激素）神经元数目也会显著增加，这是符合应激反应轴在发育阶段就被设定在高活性状态的观点的。CRH神经元的激活促成了抑郁症的症状，一项以动物为对象的实验结果表明，向脑内注射CRH也可以导致出现这些症状：食欲丧失、行动改变、睡眠紊乱、焦虑、性欲减退。其他应激激素，例如下丘脑血管加压素或者肾上腺皮质激素也会分泌过多，促成出现抑郁症的症状。

脑干中还有三个应激反应系统，分别产生去甲肾上腺素、血清素和多巴胺这三种化学信使，调节包括下丘脑在内的许多大脑区域的功能。人们是在研究一种药物的副作用时偶然发现了它们可能会引发抑郁症的。被广泛应用于抗高血压的药物利血平，能减少脑干中去甲肾上腺素和血清素（即5–羟色胺），经常会造成抑郁症等副作用。目前，最常用的抗抑郁药——选择性血清素再摄取抑制剂（SSRI），可以再次增加血清素的含量。因此就产生了这样的假说：引发抑郁症的原因可能是脑内去甲肾上腺素和血清素水平异常降低。这种血清素含量降低导致抑郁症的假说无论是在外行的媒体还是在专业医生中都非常流行，但是只对少量的病人来说，脑中血清素含量降低是导致他们罹患抑郁症的真实原因。事实上，虽然SSRI几乎能立即使脑中血清素含量升高，但是数周以后才能起到缓解的效果，因此血清素和抑郁症之间的关系并不明确。那些特别容易焦虑的抑郁症患者的血清素代谢的确会很紊乱。采用暴力自杀行为，例如迎着火车头跳入轨道而自杀的病人，脑脊髓液中的血清素和去甲肾上腺素水平很低，但应激激素皮质醇水平则会升高。多巴胺是大脑奖赏系统中的化学信使，多巴胺活性低下可能是造成抑郁患者对任何事物都不感兴趣的原因。

我们在对死亡后的脑组织标本的研究中发现，抑郁症患者的生物钟（即视交叉上核）的活性会降低。这不仅解释了为什么这些病人会出现昼夜节律紊乱，也解释了为什么光线治疗很有效。功能性脑扫描研究还发现，抑郁症患者杏仁核、颞叶以及前额叶皮层活动有改变。杏仁核活性变化可能是患者焦虑的原因。这些脑区活性降低的一部分原因是皮质醇水平的提高。

总之，由不同的化学信使组成的大脑系统参与了抑郁症的发病机制。不同个体产生抑郁症是由于不同的大脑系统功能异常而引起的。不过对于所有病人来说，应激反应轴的活性在抑郁症病程中都占据着中心位置。

如何治疗抑郁症最有效

有很多方法都可以治疗抑郁症，这些方法看上去似乎毫无关联，但是它们最终都能使应激反应轴的活性降到正常水平。

SSRI被广泛用于治疗抑郁症。在荷兰，大约有90万人服用抗抑郁药物。在大多数情况下，服用这些药物的人的确是忧郁的，但是并没有严重的抑郁症，因此这些药物并不能对治疗抑郁症有所帮助。SSRI的效果并不理想，它往往要经过几周才能起作用，而在此期间，患者的确存在自杀的风险，这是一个不容小觑的问题。荷兰每年自杀死亡的人数约为1 500人，而试图自杀的人数是这个数字的10倍。此外，SSRI的安慰剂效应差不多能达到50%。

在抑郁症治疗中，安慰剂能起到强大的作用并不令人感到意外。抑郁症患者对于安慰剂效果的期待会伴随着前额叶皮层活动的增加而增加，从而抑制了下丘脑，并使应激反应轴的活性恢复到正常水平。刺激大脑皮层对应激反应轴的抑制作用也解释了经颅磁刺激（TMS）治疗的工作原理，而且它似乎还是认知疗法、通过互联网交流而成功治疗抑郁症的合理机制。电休克疗法能有效治疗严重抑郁症的原理尚未得到阐明，也许我们可以简单地把其中的机理和电脑死机时你的动作做个比较——硬关机、再次重启，这样电脑就能再次工作了。这种疗法的一个弊端就是，它会造成病人出现记忆障碍。

用于治疗双相情感障碍的锂会作用于生物钟，抑制过度激活的应激反应轴。

日光之所以能够改善抑郁症患者的情绪，主要是因为通过光线能对生物钟产生刺激作用，当生物钟被激活时，应激反应轴的CRH神经元会受到抑制。美国北部各州的季节性情感障碍发生率高于日照充足的南部各州。此外，身体活动也能刺激生物钟。可以说，户外散步遛狗是一举两得的活动，能让日光和运动共同作用。对于痴呆症患者而言，提高生活环境中的光照量可以改善情绪（见第19章第3节）。抗抑郁电灯的工作原理和日光是一样的，但是效果略为逊色。在多云的天气里，你从户外获得的光线也会比这种电灯提供的光多。值得注意的是，采用光线进行刺激有可能会出问题，有时会导致躁狂症或精神病，因此光照疗法也要在医生的指导下进行。老年人会由于缺乏维生素D而增加罹患抑郁症的风险。由于维生素D在暴露于日光的皮肤中产生，因此生活在城市中的人比生活在农村的人更容易缺乏维生素D。这也是日照的第二个保护性作用。通过打破昼夜节律（例如进行夜间睡眠剥夺）而进行的治疗也可以改善情绪，但是治疗后效果持续的时间不长。

对于以上的这些治疗选择方案，我们必须意识到抑郁症的根源是早期的大脑发育紊乱，而这个原因是无法通过这些治疗手段去除的。因此，抑郁症的复发也非常频繁。

怎么吃都吃不饱

我是艾奥瓦州一家医疗机构的社区工作者。我在那里认识了一位被诊断为普瑞德–威利症候群的男子。他今年42岁。我们在过去的几年中发现，他的身体和精神状态在快速地衰退。我想问您的是，您在内布拉斯加州奥马哈市附近认识一些医生或者精神病学专家吗？您能推荐给我们，让我们和他取得联系以便帮助这位患者吗？他是一位和蔼可亲的人，看到他与他的精神问题搏斗令我们很难过。我感谢您的帮助。

日本的一家轿车零件厂的老板与一位生物学家结婚，养育了两个可爱的小女儿。不过，在日本要让女儿继承父业是不可思议的，因此这对夫妇决定生第三个孩子。

怀孕期间，妻子感觉到肚子里胎儿的生命迹象远比以前怀孕期间感觉到的要少。这个孩子早产了三周，而且分娩的过程比前两次要漫长和困难得多，但这是一个男孩！这个婴儿太虚弱了，不会吮吸，只能通过小管子进行喂养。18个月后，他开始吃东西了，而且似乎要弥补过去的损失似的，无论吃多少他也不会感觉到饱，总是哭着要吃更多的东西，而且非常肥胖。

他在4岁的时候被诊断为普瑞德–威利症候群。医生告诉他的父母，孩子的智力永远都会有缺陷，在今后的生活中需要一直努力让他避免因肥胖而患上糖尿病，更要小心因糖尿病而发生的许多危险。于是，孩子的母亲把厨房里的每一个食品柜都上了一把电子锁，并将自己所有的时间都用来给儿子上课，鼓励儿子，并不断地给他一些新的体验以防止他总是想着吃东西。结果，这个男孩的体型和其他年轻的普瑞德–威利症候群患者相比显得非常正常。然而，他母亲的所有努力都不能防止这个孩子时不时地暴怒发作。她加入了日本普瑞德–威利症候群协会，并带着孩子一起参加两年一次的国际普瑞德–威利症候群研讨会，在会上，她和研究人员互相交流经验。

父母们通常会带着自己患有普瑞德–威利症候群的孩子参加这种聚会，你仅凭外表就能在飞机上认出这些孩子。许多来自欧洲、日本、印度和北非的异常肥胖的米其林样的小胖墩，像是要从飞机座位上漫溢出来似的。他们有着不成比例的小手和小脚，还有一双典型的杏仁状的眼睛。你只需要跟着他们就可以抵达会场。就是在这样的大会上，那位日本男孩的母亲了解到一种新型的生长激素疗法，该疗法可以使患普瑞德–威利症候群的孩子的代谢恢复正常，甚至连那些最胖的孩子也能恢复正常的体型，终结与永无休止的饥饿感的斗争。幸运的是，这位母亲可以承担这种昂贵的新疗法的费用。

在美国，普瑞德–威利症候群被称为HHHO综合征 [13] 。这些症状大部分都源于下丘脑的功能紊乱。分娩时的困难可以看作是孩子下丘脑功能缺陷的第一个症状，因为下丘脑在启动分娩和加速分娩的不同阶段中起着积极作用（见第2章第1节和第2节）。

大多数普瑞德–威利症候群患者的第15号染色体都缺失了一小部分，而其他患者的这个部分的功能则是丧失了。15号染色体是从父亲那里遗传获得的，与之相对应的从母亲那里获得的部分则在发育的最早期阶段就基因沉默了 [14] ，因此不能补偿来自父亲一方的那个部分的缺失或者功能缺陷。这种基因表达取决于其来自父亲或者母亲的现象叫铭记。当我们检查普瑞德–威利症候群患者的下丘脑时，我们发现他们的室旁核（paraventricular nucleus），即自主神经和激素分泌调节中枢比正常人小1/3，而所含有的催产素能神经元只有正常人的一半。向大脑传递化学信使的催产素能神经元是“饱感神经元”。在动物实验中，一旦敲除这些神经元就会引起动物食欲增加和肥胖，因此，普瑞德–威利症候群病人催产素能神经元数量减少可能是他们无论吃多少食物也缺乏饱感的原因。目前，我们还在研究普瑞德–威利症候群患者第15号染色体基因与下丘脑功能紊乱之间的关联。

通过普瑞德–威利症候群患者父母和疾病研究者的联系网络，我们接到了一份来自一位新西兰的母亲的询问。她在一家疗养院里当护士，她发现她的39岁的患有普瑞德–威利症候群的儿子出现了一些阿尔茨海默病的症状。普瑞德–威利症候群患者有可能会提前衰老并患上阿尔茨海默病吗？这对于我们来说是一个崭新的课题，因为直到最近，普瑞德–威利症候群患者还都是在相当年轻时就去世了。在我们拥有的一些年龄大于40岁的普瑞德–威利症候群患者死亡后的脑标本中，我们的确发现了典型的阿尔茨海默病病理学改变（见第19章第1节）。从那以后，关于普瑞德–威利症候群患者会过早患上阿尔茨海默病的报道就通过普瑞德–威利症候群联系网络从世界各地传来（见本节的开篇引言）。有些人认为，阿尔茨海默病的症状在患者30岁之前就出现了，也有些人认为，剧烈的智能衰退发生在40岁左右。目前，人们正在对此现象进行系统的研究。早发性阿尔茨海默病是普瑞德–威利症候群的症状之一，还是该症候群中病态肥胖的结果？毕竟我们已经知道，肥胖的某些伴随症状是阿尔茨海默病的风险因素，例如糖尿病、心血管疾病、高血压和高胆固醇。如果早发性阿尔茨海默病是普瑞德–威利症候群病态肥胖的结果，那么我们将面临一个早发衰老和阿尔茨海默病的爆炸期，因为肥胖症的浪潮目前正席卷着全球。

胖子越来越多

入口的不能污秽人，出口的乃能污秽人。

——《马太福音》

下丘脑能将人们的体重控制在一个较为严格的范围内，但是人们平均每天还是会增长大约一克的重量。这看上去没什么大不了的，可是肥胖症正以惊人的速度成为世界性的健康问题：全球大约有3亿人患有肥胖症，10亿人体重超标，罹患糖尿病、心血管疾病、高血压、癌症以及痴呆的风险也由此而急剧上升。在西方国家，60%的成年人体重超标，30%的成年人患有肥胖症。尤为令人担心的是，儿童肥胖的情况正与日俱增。

人们热爱食物，这是具有巨大的进化优势的。人类在贫瘠的大草原中进化了几百万年，需要将所有的食物都保存在体内。由于长期缺乏食物，人类没能进化出一套应对食物过多的身体保护机制。因为食物过多的现象仅仅出现在较短的时间内，所以人类就以脂肪组织的形式将其储存在体内，以应付下一阶段的食物短缺——那是在几百万年前肯定会到来的阶段。通过自主神经系统的作用以及下丘脑的调控，脂肪会被储存在大腿根部、胸部，以及臀部，而对男性而言则常见于腹部。肥胖症是由持续的过量进食、体力劳动减少和缺乏运动而造成的。此外，与古时候相比，人们如今摄入了更多的碳水化合物和脂肪，而蛋白质的摄取量则大为减少。不过，目前有这么多的肥胖者不能仅仅怪罪于过量进食，也要考虑到个人背景。肥胖症具有很重要的遗传学基础。在对双胞胎、领养儿童以及家系的研究中发现，大约有80%的体重变化都具有遗传学基础。

有些人因过于肥胖而患上了心脏病，并因此而过早去世，还有些人由于过于肥胖，在需要去医院的时候都无法通过楼梯抬下去，人们只能从窗户用滑车工具把他们运到楼下。目前我们已经了解了一些导致极端肥胖症的罕见遗传因子，它们影响着下丘脑对食欲和新陈代谢的调节。普瑞德–威利症候群就是一种遗传性肥胖症。由于过于肥胖，人们都无法辨别他们的性别了，因为悬垂在腹部的脂肪像围裙一样遮住了他们的生殖器官。

在正常情况下，下丘脑是通过监视“瘦素”——一种由脂肪组织分泌的激素的水平来监视体内储存的脂肪含量的。如果瘦素或者瘦素受体基因发生突变，那么下丘脑记录到的信息就是脂肪组织缺失，进而不断刺激人进食，造成致命性肥胖症。还有一些基因突变使得大脑不再生产α–促黑素（α-MSH）或它的受体，于是大脑无法再接收到α–促黑素的信息。α–促黑素负责头发的色素沉着并抑制食欲，因此上述基因突变将导致出现极端肥胖的红头发的孩子，而且这些孩子无法进入青春期。4%～6%的极端肥胖的人对α–促黑素的敏感性减低。此外，皮质类固醇受体基因变异也会导致肥胖症。由于激素分泌紊乱，因此诸如缺乏甲状腺激素、生长激素或性激素，或者过高水平的皮质类固醇激素都可以导致体重过高。

药物，例如抗精神分裂症药物，具有特别令人讨厌的副作用，即体重显著增加。一位服用这种药物的男孩在短时期内体重增加了70公斤，结果他再也不愿意服用任何药物了。

此外，精神疾病（例如抑郁症）、进食紊乱（例如神经性暴食症）以及一种仅仅在夜间才会具有进食冲动的综合征都可以导致肥胖。肥胖症很少是由于下丘脑的神经病变而造成的。当我还在儿科当实习医生的时候，我被安排照看一位极端肥胖的8岁女孩，她说她自己几乎不吃东西，但她其实一直都在不停地吃食物和糖果。她是由于下丘脑内长了一个肿瘤，因此她从来没有满足感，并总会觉得还没有吃够。

在“饥饿的冬天”正好处在怀孕前半期的母亲，其子宫内的胎儿今后会有罹患肥胖症的风险。胎儿的下丘脑一旦监测到食物短缺，就会将所有的系统功能设定为将所有的卡路里都保存在体内的状态。如果这个胎儿长大后生活在一个食物过量的环境中，就有罹患肥胖症的风险。目前，同样的问题依然会发生在那些胎盘功能不良或是由于母亲在怀孕期间抽烟而导致出生体重过轻的婴儿身上。此外，如果母亲在怀孕期间过度肥胖，或是为新生儿过度哺育，那么就会增加孩子在成年以后罹患肥胖症的风险。

社会、文化和环境因素（例如糖果广告、无处不在的快餐），以及因为应对“问题”或者生活中的事件而额外进食（被称为“悲情脂肪”）都会导致肥胖。此外，较低的社会地位也会增加罹患肥胖症的风险。一种新观点认为，进入环境中的工业化合物，即使浓度很低，也能导致肥胖，它们被称为“肥胖发生因子”（obesogens）。这些化合物包括雌激素、会扰乱雌激素在发育过程中的正常功能的化合物（内分泌破坏者，例如塑料制品），以及塑料和油漆中的有毒的有机锡等。

虽然暴食症在进化过程中具有优势，肥胖还曾一度被视为美，但是人们如今却歧视肥胖人群。人们的偏见包括，认为肥胖者又懒又笨，没有自律性，也缺乏积极主动性。除此之外，特别肥胖的人甚至会引起人们对其身体的强烈反感。肥胖症对于健康的危害是毋庸置疑的，人们有足够的理由认为肥胖的人应该减肥，但是针对肥胖症最有效的治疗方法——少吃多动，却非常难以在病人身上实现。

根据一项最近的研究，采用一种名为Mandometer的秤 [15] 将所吃的所有食物称重，并作为反馈因素而重新训练进食习惯似乎是有效的。药物利莫那班（大麻素受体-1拮抗剂）被称为是一种奇迹性的化合物，既可以治疗尼古丁成瘾又可以治疗肥胖症。然而不幸的是，它不仅会导致体重下降，还会导致情绪低落。由于这种药提高了罹患抑郁症和自杀的风险，因此它在FDA（美国食品药品监督管理局）的注册申请被暂时取消。欧洲的药物监管机构也对生产此药的厂家赛诺菲（Sanofi）提出要求，必须以书面形式明确告诫医生，不能将此药物开给抑郁症患者或者具有罹患抑郁症风险的病人。下丘脑深部电刺激治疗还处于试验阶段，但是该方法至今尚未显示效果（见第12章第3节）。此外，深部电极还会造成副作用。为了治疗帕金森氏病的运动障碍而将电极植入底丘脑核，常常会导致病人体重增加或超重。

总之，在我们这样一个充满过多食品的社会，能保持一个合理的体型简直可以称为奇迹！

头疼，就像一根又红又烫的拨火棍刺在我的眼睛里

功能性核磁共振成像是一种研究大脑的极为重要的工具。这种技术对于临床治疗的指导意义通常并不是很大，但是这种技术给丛集性头痛的诊断和处理带来了崭新的临床见解和治疗策略。幸运的是，丛集性头痛是一种罕见疾病，发生率只有不到千分之一。由于折磨人的头痛发作主要发生在几个月以内，因此被称为“丛集性”。头痛发作时间一般为15分钟到3小时，病人在发作期以外的时间不会感到头痛。不过，大约有10%的病人每天或者几乎每天都会头痛发作，年复一年，没有缓解期。那种在眼睛周围或者在眼睛后部发生的单侧性的头痛被一位病人形容为“就像一根又红又烫的拨火棍刺在我的眼睛里”。丛集性头痛由于让人感到难以忍受，因此通常又被称为“自杀性头痛”。饮酒、暴露于低氧及低压力环境（例如在海拔超过2 000米的高山地区或者坐飞机时处在低压舱环境），都可以引起丛集性头痛发作。男性的丛集性头痛比女性多见。

由许多理由可以得出这样的结论：丛集性头痛是一种下丘脑引发的疾病。首先，在头痛发生的头颅的同侧会出现面部神经系统的自主神经症状，例如流汗、流泪、流鼻涕（鼻塞）、眼白变红以及眼睑下垂及瞳孔缩小等。所有这些症状都表明，自主神经系统的中枢，即下丘脑的活性增加。

其次，下丘脑内的生物钟也对产生丛集性头痛起着重要作用。生物钟负责我们所有的昼夜和季节性节律（包括在得病期间）。丛集性头痛通常在白天或者夜晚的某一固定时间发作，而且还会表现出季节性的波动。此外，丛集性头痛患者的激素昼夜节律类型也发生了改变，这种改变说明了生物钟活动的变化，而且在头痛发作时还可以观察到生物钟区域的激活。

米歇尔·法拉利（Michel Ferrari）教授是莱顿大学医学中心的头痛病学专家，他发现丛集性头痛比其他头痛疾病更好治疗，药物通常被证实是很有效的。头痛发作时可以用氧气或者舒马曲坦片进行有效的治疗，钙拮抗剂和锂还可以预防头痛发作。然而，主要问题是丛集性头痛这种病通常不被人们认识，或者在发病很久以后才被确认，有时甚至要在几十年以后，而在这段时期内，人们为了预防头痛发作还要经常接受一些特别激烈的治疗，例如切断面部神经和大鼻窦的手术，或是把牙齿全部拔除。有20%的病人对治疗没有反应。

医生在病人头痛发作期间，通过脑扫描成像来确定头痛的源头。在下丘脑的后方和与丘脑相邻的地方观察到了灰质的增长，这表明患者头痛发作的一侧的脑细胞的数量大于正常情况。功能性磁共振成像显示，该部位在病人头痛发作时的活性显著增加。下丘脑的这种活性反应只在患者头痛发作时显现，而在恢复期则不会表现出来。接下来，医生在患者下丘脑后部测定到高活性的部位植入一个深部电极，并持续刺激该电极。迄今为止，该技术已经运用了8年，获得了对40多位患者进行治疗的经验。对这个产生头痛的脑区进行电刺激，使60%的病人头痛消失，而且这种治疗还能改善睡眠状况。这种疗效并不是立即就会产生的，它通常会出现在接受电极刺激治疗后的一个月内。

目前来看，长期电极刺激治疗似乎很安全，虽然我们并不了解它的工作原理究竟是什么。正电子发射计算机体层扫描术（PET）是一种可以观察脑活动变化的技术，它显示了电极治疗除了能刺激下丘脑，还刺激了脑中其他许多区域。事实上，电极治疗引起了参与处理疼痛的整个脑结构神经网络的功能性改变。

这种运作机制是饶有意味的，但是最重要的当然还是这种疗法十分有效。深部电刺激治疗丛集性头痛是否真的有效果，还必须在严格设立了对照组的临床研究后进行确认。为此，一个法国研究小组进行了一项研究，在病人不知道自己属于哪个组的情况下，选择了11位病人进行试验。神经外科医生在他们脑中植入电极后的第一个月将一半被试的电极激活，另一半不激活。休息一周之后，反过来再做一遍（即交叉研究）。两个月的实验过后，研究者并没有发现在有电流刺激的月份和无电流刺激的月份之间有什么差别。换句话说，这项实验并不能验证这种治疗方法的有效性。人们当然可以争辩说，被研究的样本数太少，刺激方法也不够理想。不管怎样，这11位病人的电极都在随后被激活了一年，对其中6位病人的治疗是有效的。

这个结果和预期结果是一致的，但是这种治疗方法的有效性还是没有被严格控制的对照研究证实。因此，在获得伦理委员会的同意之后，研究者们询问这些病人是否还愿意参加另外一项实验，在实验过程中将轮流开启或者关闭电极。病人拒绝了这项建议，因为他们害怕他们的丛集性头痛又会回到原先令人难以忍受的地步。因此，迄今为止还缺乏证据来证明这种疗法的可靠性。人们还发现，对于脑后部皮下神经的刺激也可能具有疗效，而这种电极刺激方法比深部脑刺激要温和得多。因此，人们并不能确定继续给更多的丛集性头痛患者植入深部电极到底是不是个好主意。临床研究远非一件简单的事情！

大喜过望使他们手脚无力，瘫倒在地

他一进门，所有那些猝睡症患者都开始大笑，接着倒在地上，完全笑瘫了。

发作性嗜睡症是一种睡眠紊乱疾病，亦称猝睡症。罹患此病的患者在白天极度嗜睡，机敏性较低，在夜晚则睡眠紊乱。而且，他们的体重还经常超重。

除了以上这些并不专属于猝睡症的症状外，猝睡症还有一些非常典型的症状。许多猝睡症患者都会在感情体验中突然失去手臂和腿部的肌肉张力，随之倒在地上（见图6-2上方的图片）。他们在大笑或者震惊时会完全软瘫，看上去似乎意识丧失，但是事后他们能够准确地告诉其他人当时发生了什么，这种典型症状被称为“猝倒”。

图6-2　人的猝倒和巨大的杜宾犬的猝倒

发作性嗜睡症（猝睡症）是一种睡眠紊乱症，病人白天极度嗜睡，夜间睡眠紊乱。在经历特定的情感，例如大笑或者害怕时，猝睡症病人会突然失去手臂和腿部的肌肉张力而跌倒在地。他们并未失去意识，虽然看上去很像失去意识（见上方的照片），这被称为“猝倒”，是由于缺乏一种下丘脑化学信使而产生的。伴随猝倒的猝睡症也可以由大脑对于下丘脑泌素的信息缺乏感受而造成。这种疾病并不仅限于人类。底部一排照片显示了一只大型的杜宾犬在得到一罐它喜爱的肉罐头时欣喜若狂，它的后腿随之软瘫，随后是前腿塌陷，然后由于肌肉张力消失而侧向摔倒在地半分钟（S. Overeem et al，Lancet Neurol. I：437-444，2002）。

我们的一位博士研究生是一个非常快乐也非常有趣的人，那些猝睡症患者一见到他进门就开始笑起来，然后突然倒在地板上。这种情形让我们把这位博士生当成我们研究的秘密武器。在对有猝倒症病史的病人进行功能性核磁共振成像研究时，我们让病人观看一些滑稽的漫画，此时他们的脑扫描图像显示大脑中控制情感的脑回路有过度激活现象，作为对此的反应，前额叶皮层活性会受到抑制。事实上，疾病的源头——下丘脑，在大笑之后的猝倒过程中活性会降低。

猝睡症患者还伴随着睡眠紊乱，但这并不是该病的典型症状。有些病人经常发现自己在睡醒后的几分钟内无法活动，即出现所谓的“睡眠瘫痪”，这是一种令人十分恐惧的症状。此外，猝睡症病人在从清醒状态到睡眠状态的过渡阶段还会做一些生动的梦，而且通常是噩梦，人们称之为“入睡幻觉”。入睡幻觉可以强大到使病人失去与现实的联系。

有一个妇女经常在睡醒时产生她的所有牙齿都被拔光了的幻觉，在她去医院看牙时，甚至无法意识到这是幻觉而不是真实发生的事。她从治疗椅上跳起来拼命逃跑，就像她在幻觉里做的那样，把迷惑不已的牙医远远地丢在身后。

还有的病人会幻想有一些小矮人在用刀刺他们，自己被吸进一具尸体中，或者是以非常可怕的、激烈的方式死去。

入睡幻觉类似于精神分裂症所伴随的幻觉，有时会激起类似濒临死亡的体验。的确，在功能性脑扫描中发现了颞叶活性的改变，就如同由于缺氧而导致的濒临死亡时的体验一样。

猝睡症的症状是由于下丘脑缺乏一种化学信使而产生的，这种化学信使被称为下丘脑泌素（又称食欲素）。伴随猝倒现象的猝睡症也可以是因为大脑对于下丘脑泌素的信号不敏感而造成的，这是由于DNA的一个微小变异而引起的。这种基因变异在人类中很罕见，但是在我担任美国斯坦福大学客座教授期间，遇见过一只具有这种变异基因的狗。

要想看望这只狗可真不容易，我们必须在多个检查站点填写一系列表格，还得遵守所有的安全条例和着装要求。斯坦福大学的动物房是如此昂贵，正如那位研究组组长所感叹的：“供养一只狗比供养一个博士后要贵得多啊！”我们给这只狗带去了一听它最喜爱吃的肉罐头，这个肉罐头的效果的确不负众望。这只巨大的杜宾犬高兴地摇着尾巴，然后它的后腿突然瘫软（见图6-2下方的图片），接着是前腿瘫软，最后侧躺在地上像是睡着了。半分钟后它恢复了过来，开始心满意足地咀嚼自己最爱的肉食。我们悄悄地走开，并从它的身后关上了它的窝门，重新走回到检查站点。突然我听到身后有小步快跑的声音，我转过身来看到这只巨大的杜宾犬正直勾勾地盯着我的眼睛，它的头已经到了我肩膀的位置。它想再多要点儿那种美味的罐头肉，真不知道它到底是用了什么方法开了门，从里面溜出来的。很显然，那种基因变异并没有影响智力。

她突然大笑起来，完全没有原因

一位受人尊敬的绅士带着他的妻子来到这个城市，向拉格朗特先生和我咨询。他想确定为什么他的妻子会毫无原因地又哭又笑，但却没人能治好她。我们采用了许多方法来治疗她，但是收效甚微。最后，他把妻子带走了，她的状态和来的时候一样。

——安布鲁瓦茲·巴累 [16]

1996年，我受邀担任德国慕尼黑马克斯·普朗克精神病学研究所（简称“马普研究所”）客座教授，这是一家以能将研究和治疗极好地结合而闻名的研究所。精神病专业的实习医生和进修医生早上在综合性门诊为患者治病，下午在实验室工作。这家研究所以抑郁症作为研究焦点，这正好也是我的研究主线之一。我们对那些抑郁症患者死亡后的脑组织进行了大量的研究，发现应激反应轴明显过度激活，这可能是抑郁症症状的潜在基础。马普研究所对抑郁症患者所做的血液测试也显示出了应激反应轴的高活性。

这个邀请本应该是我最希望获得的，因为它能完善我的研究，而且它也是一项极大的荣誉。不过，我当时对此感到非常矛盾，因为这家研究所在纳粹时期在对精神病患者和智力障碍者实施安乐死的过程中扮演了很重要的角色。第二次世界大战期间，德国有超过22万精神分裂症患者被绝育或者被杀害。这个针对精神病患者的种族灭绝行动，几乎灭绝了当时生活在德国的精神分裂症患者。

那天晚上，我去拜访我的父亲，向他解释了我的矛盾心理：一方面，这是特别吸引我的邀请，另一方面，这个研究所有着这样一段不光彩的纳粹历史。我父亲想了两秒钟后对我说：“你一定要去，并告诉他们，我们还活着。”于是我就这么做了。后来证明，在所里谈论德国对荷兰的占领、大屠杀以及研究所的过去并没有我担心的那么困难。研究所所长弗洛里安·霍斯布（Florian Holsboer）是一位瑞士人，是所有研究组的领导。那些研究组中有来自不同国家的研究人员，通用语言为英语。此外，德国籍正式职员也对该研究所的过去十分关注。地下室里仍保存着所有被杀害的病人的记录，以很德国化的严谨方式存为档案，被整齐地陈列着。

授课之余，我在综合性门诊工作。我在这期间遇到过一位女性病人，她在一天之内会毫无缘故地爆发好几次尖声大笑，而且与大笑关联的情感完全丧失了。虽然我知道不能立刻断定某个现象是由于一种特别罕见的病因引起的，但我还是忍不住小心地问她：“会不会是由于下丘脑长了错构瘤？”就在这之前不久，我碰巧在阿姆斯特丹遇到一个下丘脑长了错构瘤的病人，并将其病历加到我的病例收藏之中，同时我还研读了许多关于这个疾病的文献。阿姆斯特丹的那个病人并没有表现出任何症状，而我之前也从未在现实生活中遇到哪个病人由于在下丘脑长了一个罕见的小团块就开始突然大笑。不过，在这名女患者的脑扫描图上的确看到了这样一个团块，它正好位于下丘脑后部，靠近乳头体。这个团块不会生长，也不是肿瘤，而是一种发育缺陷。它由几丛在早期发育阶段没有找到它们在下丘脑中的正确位置的神经元组成。有50%的病人会因这种团块而出现癫痫活动，引起大笑的发作，因此这也被称为“痴笑性发作”。有些病人的症状是交替出现大笑和大哭。局部癫痫活动也会引起典型的癫痫发作，还会伴随抽搐和意识丧失。虽然错构瘤产生的症状可能会导致下丘脑后部有一个“笑的中枢”，但是更有可能的是，这个部位可以激活不同的脑部环路，引发异常的行为。

错构瘤可以产生任何类型的激素，甚至会使儿童过早进入青春期。此外，它还能引起儿童精神问题，例如注意缺陷多动障碍（ADHD）、反社会行为和智力下降。认知功能紊乱可能是由于乳头体受到了损伤，因为乳头体对于记忆功能起着至关重要的作用。错构瘤还会引发肥胖症和暴怒症。错构瘤所产生的激素分泌异常可以通过药物来治疗，如果出现癫痫症或异常行为就要通过手术摘除或者局部辐射来治疗。

不过，我们必须先排除其他可能导致出现这种突然大笑的原因，例如垂体腺扩大和其他肿瘤、多发性硬化症以及各种大脑发育障碍。

像我这样的一位研究者，能够在实践中正确地诊断一种罕见的疾病还是不常发生的事情。事后我发现，我在小心谨慎地微笑——一种伴随着所有恰当的情感的微笑。

骨瘦如柴的模特不是厌食症流行的罪魁祸首

引起这种疾病的准确原因还不清楚，但是病根肯定位于下丘脑中。

法国国会最近在考虑起草法案，将促进厌食症的行为定性为犯罪，最高可以判处监禁3年以及罚款5万欧元。这项正在讨论中的法案并不仅仅是针对时尚界瘦骨嶙峋的模特，还针对“支持厌食”的网站——那些被一位法国部长称为传播“死亡的信息”的网站。法国的时尚行业签订了一项营业执照公约，承诺推广健康身体形象，停止使用那些皮包骨头的模特。英国的医生联合会也认为，异常消瘦的模特们和进食紊乱之间存在着关联。据报道，一名16岁的患有厌食症的荷兰女孩因体重只有21公斤而被学校驱逐出校门。

人们似乎突然相信了一种神话，即厌食症是由于人们看到了这些瘦弱的人才患上的疾病。这和人们以前看待同性恋的方式相似，即把它当作一种传染性疾病，这当然是完全错误的（见第4章第4节）。对于同性恋和厌食症这两种现象，我们都没有找到任何证据说明它们是有传染性的。在英国，人们举办了一场耗资百万的运动，用来传播正确的信息以防止厌食症，但是这完全是在浪费钱。

你可以因为进食障碍症而长得像一个绝佳的衣服架，然后获得一份模特工作，但是反过来的情形并不成立，即患有厌食症的模特并不能导致进食障碍症在人群中流行。上述错误想法还可以由这样一个事实来阐明：一个出生后9个月就失明的女人在18岁时患上了典型的神经性厌食症。此外，和大众所推测的情况相反，并没有任何证据显示厌食症的患病率在升高，反而有越来越多的著名女性敢于承认她们患有厌食症，例如戴安娜王妃、瑞典皇太子妃维多利亚、简·方达等名人们。

没有人会否认厌食症是一种危险的疾病，大约有5%的人会因此去世，而且其中有93%的病人是女性。显然，向女性方向分化的大脑罹患此病的风险更高。瑞典的研究者发展了一种认知疗法，教厌食症患者重新获得进食技能。当然，这种疗法并不能回答疾病是如何产生的这个问题。

厌食症患者的所有症状都表明这是一种下丘脑疾病。除了进食紊乱和体重下降的症状外，病人还会出现停经、性激素水平降低、性欲减退、甲状腺功能受损、肾上腺功能亢进以及体内水平衡和昼夜节律紊乱等症状。体重急剧下降的女性会停经，其实这是一个具有巨大进化优势的保护性机制，因为连自身需要的食物量都无法获取的妇女自然不能怀孕。不过，有20%的患有进食障碍症的女性在体重下降之前就出现了停经，这表明原发性的病理过程存在于下丘脑。某些症状即使是在体重恢复之后也持续存在，例如甲状腺和肾上腺的功能紊乱。还有那些诸如对卡路里的斤斤计较、对食物选择的苛求以及其他关于进食过程所有方面的要求，都可以在体重恢复正常之后长久地保持下去。以一位女性患者为例，她从急性厌食症中恢复过来后就开始担任一份女性杂志的食谱作家。这些持久性的症状也说明，大脑中还是存在着一种病理性过程，因此厌食症的症状并非仅仅是由体重减轻所导致的。大量患过厌食症的女性即使恢复了正常的进食过程，但关于她们的疾病到底是否已经消失了也存在着争议。

最后一个将厌食症的病根定位于下丘脑的论据是，所有神经性厌食症的症状都可以由下丘脑内的一个囊肿、小肿瘤或者其他的疾病过程而引起。对因厌食症而死亡的患者进行尸检时，有时可能会发现其下丘脑有受到损伤的迹象。一位因神经性厌食症而长期接受抗精神病治疗的患者最终发展出了其他神经性疾病的症状，后来发现她的下丘脑中有一个肿瘤。这些相当罕见的发现当然并不能表明所有的神经性厌食症患者的下丘脑中都长有肿瘤，但是它们的确显示了原发于下丘脑的病理过程可以导致所有的厌食症的症状，也能完全解释这个疾病的症状。晚期神经性厌食症患者的大脑核磁共振成像显示出大脑萎缩，这可以解释这些病人的多种不同的行为和认知障碍。

我们还没有确定这种疾病的准确原因，但是能确定的是，除了女性患该疾病的风险增高以外，遗传因素也会提高患上此病的风险。人们已经识别出一些可能参与此病的基因。此外，伴随巨大压力的“生活事件”可能是导致厌食症的直接原因，但是对导致某些个体对于厌食症非常易感的因素的研究让人觉得，它们应该发生在更早的阶段，也许远在子宫内的大脑发育阶段就出现了。厌食症患者自愿挨饿的行为可能是因为患者对自己大脑释放的鸦片样物质成瘾而造成的，这种鸦片样物质在食物缺乏时释放，并激活纹状体底部的奖赏中心。

不过，疾病的起源仍然是一个谜团，我倾向于认同这是一种自身免疫过程的理论。在厌食症患者的血液中的确发现了抗体，它们是直接针对下丘脑中参与饮食和新陈代谢调节的化学信使的抗体。唯一可以更深入地发现厌食症病因的方法是，在显微镜下研究厌食症患者死亡后的脑标本。不过，这遭到了来自治疗此病的医生、厌食症病人以及先前的厌食症病人的极力抵制。

一位之前患有厌食症的患者坚持认为，厌食症不可能是一种脑部疾病，因为她现在已经被治愈了。必须承认的是，我从来没能完全跟上她的推理，有许多疾病都可以很幸运地不复存在。还有一个病人也想排除厌食症是一种脑部疾病的观点，因为她觉得这只不过是“你的生活态度”的问题。“你的生活态度”似乎和你的大脑无关。

注解：

[1] 　Harvey Cushing，美国神经学家。——编者注

[2] 　英文为Familial Hypothalamic Diabetes Insipidus。——译者注

[3] 　英文为diabetes mellitus，即“甜的液体”之意。——译者注

[4] 　英文为diabetes insipidus，即“无味的液体”之意。——译者注

[5] 　荷兰物理学家、天文学家、数学家、钟表学家。——编者注

[6] 　德国政治家，1969—1974年任联邦德国总理。——编者注

[7] 　波兰籍犹太人，以色列政治家。——编者注

[8] 　已经去世的荷兰女王的丈夫。——译者注

[9] 　美国和加拿大安大略省的一群基督教再洗礼派门诺会信徒（又称亚米胥派），以拒绝汽车及电力等现代设施，过着简朴的生活而闻名。——编者注

[10] 　己烯雌酚，一种人工合成的雌激素。——译者注

[11] 　“难过的”“阴郁的”的意思。——译者注

[12] 　约等于0.5欧元。——译者注

[13] 　即hypomentia（智力减退）、hypotonia（肌张力减退）、hypogonadism（性腺机能减退）以及obesity（肥胖）。——译者注

[14] 　基因沉默，指基因不表达或表达量极低的现象，是真核生物细胞基因表达调节的一种重要手段。——译者注

[15] 　装有能反映进食速度的调节装置，是一种可以通过语音来指挥的电子秤。——译者注

[16] 　Ambroise Paré，法国人，是16世纪外科学领域最伟大的学者之一，被称为“军事医学之父”。——编者注

第7章
成瘾物质与大脑

吸食大麻可能会患精神病

大麻失去了它的清白。

人类一直都使用着成瘾性化合物，但是每个社会都往往会偏好某些物质并强烈反对使用其他化合物。20世纪60年代，我曾听说有人一只手端着一杯酒，另一只手夹着一支烟，猛烈抨击着那“长头发的、怕工作的年轻懒汉们”抽大麻的现象。

成瘾物质是通过它们和大脑自身产生的化学信使的类似性而对大脑造成影响的。脑细胞产生一整类的阿片样和大麻样物质。香烟中的尼古丁的作用与化学信使乙酰胆碱类似，而摇头丸 [1] 的作用与化学信使血清素、催产素和血管加压素的作用类似。此外，成瘾物质还可以改变天然化学信使的可获得性和作用。因此，当你停止摄入成瘾物质时，你的大脑已经无法再在理想状态下工作了：你感到悲苦，并有一种无法遏制的想要重新摄入这种物质的渴望。

所有的成瘾物质都是通过或者不通过阿片系统而直接或间接地作用于大脑的多巴胺奖赏系统的。这两个系统对于许多正常刺激的奖赏效果，包括性行为的奖赏效果至关重要。鸦片注射后所产生的短暂欣快感被人们用性爱感受的词汇来加以描述，这不是没有道理的，因为鸦片同时激活了这两个奖赏系统。成瘾物质可以被视为自然奖赏的替代品，它们利用了自然存在的大脑系统。

从远古以来，大麻就一直被用于娱乐、宗教和医疗。大麻的医用价值首次被记载是在大约5000年以前的中国。在西方世界，大麻的药用价值也不是新闻。维多利亚女王可能使用过大麻来缓解痛经。最近，大麻又从对它的禁忌中走了出来，它的活性有效成分——Δ9–四氢大麻酚（THC），可以通过医生的处方而从药房获得。人们研究了THC的可能疗效：治疗疼痛、焦虑、失眠，缓解接受化疗的癌症病人的恶心症状，还能治疗青光眼——因为它可以降低眼内压。大麻还可以减少多发性硬化症病人的痉挛状态，但是一项对照研究却显示THC不具有这种效果。大麻影响大脑，因为脑细胞能生产大麻样的物质。首先被命名的内源性大麻样物质是“极乐酰胺”（花生四烯酸乙醇胺，又称大麻素。此命名取自梵文的ananda，意思为“乐而忘忧”）。传输脑细胞中极乐酰胺的信息的蛋白质就是它的受体，主要位于纹状体（因此才会有乐而忘忧的感受）、小脑（这解释了为什么服用大麻之后会身体摇摆）、大脑皮层（因此产生联想障碍、思维的破碎和意识模糊）和海马区（这就解释了为什么会出现记忆紊乱）。不过，在调节血压和呼吸的脑干区域没有其受体。这就是为什么吸食大麻不会因为剂量过度而致死。

目前，荷兰的大麻质量提高了很多，因此软毒品 [2] 和硬毒品 [3] 之间的分界似乎在慢慢消失。

19岁的丹·布吕尔是一名顶级的划船运动员。在一次以失败告终的锦标赛结束之后，他出现了心悸症状。为了放松一下，他和女友一起吸食了一些混合大麻，接着他脸色突变，冲进厨房拿起一把刀刺进了自己的心脏。当天夜晚他就去世了。

20岁的苏珊娜在吸食了大量大麻之后出现了精神病的症状。她产生了幻觉，并在一种极其焦虑的状态下被送往医院，并被诊断为精神分裂症。

精神分裂症是一种大脑发育紊乱疾病，该病在母亲子宫内就开始了（见第11章第3节），但其症状的首次出现一般在16～20岁，这是因为在青春期大量分泌的性激素给大脑造成了巨大的负担，因而精神分裂症的症状开始表现出来。同样，吸食大麻所产生的作用也是如此。那些在吸食大麻后出现精神分裂症首发症状而被送往医院的青少年，即使没有吸食大麻也极有可能会在几个月之后患上精神病。有研究显示，吸食大麻者罹患精神分裂症的风险是正常人的两倍。对于那些已经被诊断为精神分裂症但是处于疾病稳定期的患者，使用大麻也可以导致病情复发。服用大麻与罹患精神病之间的关联目前引起了人们极大的兴趣，因为最近的研究发现，精神分裂症患者大脑中内源性大麻系统被激活。目前，研究人员正在检查这个系统是否可以成为治疗精神分裂症的药物的新目标。

那些多年以来抽吸大麻的成年男子，相比常人来说，他们的海马体（对记忆很重要）、杏仁核（与焦虑性、攻击性和性行为的改变有关）都比较小，他们的胼胝体（左右半脑的连接）内纤维紊乱，而且他们比常人更容易罹患精神病。不过，目前我们仍不清楚这些特点是否在他们抽吸大麻之前就已经存在了。

并不是使用大麻之后的所有精神病症状都是精神分裂症的开端。荷兰学生杰拉德曾在美国新墨西哥州攀岩，他在不借助绳索的条件下攀爬5米高的岩石。在篝火晚会上，他的攀岩同伴给了他一支混合大麻烟。杰拉德吸了4次之后产生了闪光的幻觉，他突然感觉很热，很干燥，心脏部位有一个过热点，他出现了心律失常，腿部力量严重丧失并昏厥了两次。他被他的攀岩朋友带到了医院。医生说他仅仅经历了一次“恶性迷幻旅行”，而且没什么大不了的。后来他得知，一天前另外一位攀岩朋友也在吸食了那种混合大麻后出现了相同的症状，因此他们把剩余的大麻都扔掉了。过了一天，就连很普通的刺激也能使他产生奇怪的感觉，世界似乎失真了。他的现实感丧失了，并且他还感觉非常疲劳。几天之后他感觉自己好多了，于是离开那个地方向下一个攀爬地点出发。在经历“恶性迷幻旅行”后的一个月，有一次，在劳累的攀岩活动结束三天之后，他突然又出现了和上次一样的症状，即现实感丧失，并感到自己好像是一个被操控的机器人，在远处观察着自己（他的人格出现了解体），感到自己要晕倒，完全无法集中注意力。最后这一点让他非常焦虑，因为人格解体症状有时可以持续好多年。

在杰拉德返回荷兰之后，针对他对大麻的强烈反应出现了许多种解释。幸运的是，他没有出现典型的、精神分裂症样的精神病症状，但是可能患有由高剂量THC所引起的中毒症。在墨西哥边境附近获得的大麻所起的作用要比其他地方的大麻强烈得多。有人认为THC可以在脂肪组织中被长久保存，而在运动之后能被释放出来。此外，美国人的问题似乎还在于他们抽吸“纯品”大麻，而不是将大麻和烟草混合，因此会导致大麻剂量过高。美国人在一支烟里塞进了太多的THC，他们在阿姆斯特丹时也这么做。另一种可能是，杰拉德接触的大麻被喷洒或者被混入了一些诸如有毒的除草剂或者天使粉 [4] 之类的物质。对所有这些可能性都不可能进行回顾性证实研究了。所幸，杰拉德已经完全康复了，他又重返大学校园，而且在考试中取得了优异的成绩。

大麻失去了它的清白。它变得更为强烈，已经不再像人们在20世纪60年代对它认识的那样，对身体没有危害了。对于某些人来说，吸食大麻会造成灾难性的后果。然而，与人们吸烟和酗酒所造成的破坏相比，大麻还是一个相对较小的问题。

摇头丸：娱乐后的大脑损伤

带上我，我是毒品。带上我，我能带给你幻觉。

——萨尔瓦多·达利

摇头丸如今又被称为“春药”或者“快乐丸”，但在1914年它刚进入市场的时候是作为食欲抑制剂而申请专利的。尽管许多人都会用一粒这种药丸来招待家里的客人，许多歌舞厅的客人也会服用一粒这种药丸，但服用这种药物其实是非常危险的。

大约一年以前，一个护理专业的实习生想撰写一篇关于摇头丸的毕业论文。她觉得要想写好这篇论文，她应该至少亲身体验一次这种药丸。于是她吃了一次，为了确保对身体不造成太多的伤害，她同时喝了4升水。接下来她只记得她持续昏迷了几天，而一年之后她还受着大脑皮层损伤后遗症的影响。

正如这一研究领域的先锋，阿姆斯特丹大学医学研究中心放射科医生丽丝贝特·雷诺曼（Liesbeth Reneman）博士所得到的结论那样：服用摇头丸会对大脑造成巨大的负担，同时也会引发大脑疾病。服用摇头丸20分钟之后，大脑会释放额外量的化学信使（血清素、催产素和血管加压素）。疲劳感消失，你觉得很幸福，而且想拥抱每一个人。这种充满爱的快乐感受以及非常棒的社会互动感觉大约能持续一小时。然而，每个周末都大量服用摇头丸意味着会对产生血清素的脑细胞造成损伤，当这种化学信使减少时，你的表现就会受影响。你需要不断提高摇头丸的剂量来获得同样的愉悦效应。服用摇头丸的人罹患精神病和神经性疾病的风险增加，包括情绪波动，攻击性、冲动性增强和记忆缺陷。最近一项随访研究显示，即使是服用少量的摇头丸，例如在一年半的时间内服用过几粒药丸，也会导致记忆力降低，丘脑和大脑皮层内的血流量下降。脑扫描研究还显示，摇头丸可以依不同脑区而导致血管长期收缩或者扩张，从而造成脑梗死或者脑出血等严重而持久的神经病学损害。

如果在天热时服用摇头丸而且不及时补充饮水，就会造成脱水以及器官功能的突然停止，有时还会出现心律不齐和突发性心脏衰竭。阿姆斯特丹耶利内克（Jelinek）成瘾预防诊所的从属机构提出了如下建议：“每小时喝一杯水或者一杯等渗饮料 [5] ，防止脱水和过热。”然而，在服用摇头丸时大量饮水的危险性的明确警告也应该同时被清楚地加入到这种建议中去。摇头丸在连续几小时内可以引起脑垂体的血管加压素（即抗利尿激素，见第6章第1节）的大量释放，使得肾脏重新吸收你喝进去的水分。这会导致水中毒，并随之造成严重的脑损伤。

这正是发生在那个希望撰写有关摇头丸论文的护理专业实习生身上的结果：出现脑水肿、血管问题以及严重的脑损伤。三天之后，她逐渐从昏迷中苏醒过来，经历了几次癫痫发作。脑扫描图显示，她的左侧大脑水肿严重。最初一周她无法说话（左侧额叶的布洛卡区受损）、不能行走（运动皮层受损），一侧视力受限（大脑后方视皮层受损）。目前她仍然处于渐渐康复和治疗中，这种康复治疗一开始是每天进行一次，现在是每周两次。她仍然无法阅读，而且需要通过挣扎和努力才能书写。说话期间，她经常需要搜索词汇，她的言语能力提高速度十分缓慢。这一切都消耗了她大量的能量，因此她总是感觉疲劳。目前还不清楚她的这场摇头丸冒险究竟会造成什么样的永久性脑功能丧失，但是核磁共振成像清楚地显示了她的大脑皮层出现了损伤。她不想再撰写那篇有关摇头丸的论文了，她正计划启动一项活动来警告学校的孩子们摇头丸的危险性，并向孩子们解释在服用摇头丸时喝大量的水是多么危险。然而，她自己的“摇头丸派对”已经真正而永远地结束了。

世界领导人也有物质滥用

醉酒不过是自愿的疯狂。

——塞涅卡 [6]

看到“成瘾”一词，人们首先想到的是那些被忽视的、无家可归的精神分裂症患者。要是看到“物质滥用”，人们就会想到诸如边缘型人格障碍症患者。然而，神经病学家、前英国外交大臣和上议院议员大卫·欧文（David Owen）在他那本令人吃惊的书《疾病与权力》（In Sickness and in Power ）中向人们阐明，政府的最高阶层中也存在这些问题，历史的进程或许会受到他们物质滥用的无意而巨大的影响。

青少年经常会体验药丸、大麻以及其他的一些潜在的危险物质，这似乎是青春期行为的一个“正常”组成部分（见第5章第2节）。因此，一些世界级领导人也必须承认他们在年轻时做过类似的事，这种坦白在诸如美国这样的有着清教徒传统的国家并不容易。

1992年，比尔·克林顿在总统竞选阶段不得不在强大的压力之下承认自己在上学期间抽过大麻，但是“不是猛吸”，他含糊地补充道。不过，美国对于青少年犯罪往往比较宽容。奥巴马尝试在党内获得总统竞选提名时，在他的书《我父亲的梦想》中提到，他在“困惑”的十几岁时曾经用过一些可卡因，也吸过一些大麻。“我猛吸过，因此我的确吸过。”他补充道。这分明是在向比尔·克林顿暗示什么！在这次公开坦白之后，他没有遇到过其他麻烦。

小布什在当总统以前曾经是一位酗酒者，而且这段经历远非仅仅局限于青春期。他在30岁时曾经由于酒驾而被拘捕，并被没收驾照两年。他在2000年竞选总统期间告诉人们，在1986年庆祝自己40岁生日时，他从一场宿醉中醒来，之后就再也没喝过酒了。这种说法很值得怀疑。2002年，小布什在观看一场足球比赛时突然从沙发上摔倒在地，随后被送往巴尔的摩的约翰·霍普金斯医院。通过在那里工作的一位英国医生，我们了解到，当时小布什血液中的酒精含量极高。此外，小布什还拒绝回答人们对于他使用可卡因的怀疑。

没有人会怀疑尼克松在担任美国总统期间的酗酒状况。在1969年的朝鲜事件（一架美国侦察机被朝鲜击落）中，尼克松醉醺醺地边跑边胡言乱语地咒骂，还打电话给当时的国务卿基辛格说：“亨利，我们扔颗原子弹吧！”后期披露的尼克松的录音带显示，尼克松在1973年的阿拉伯与以色列冲突中喝得烂醉，以至于无法与他的英国伙伴们讨论当时的局势。

俄罗斯前总统叶利钦在一次飞机降落在西班牙的过程中经历了一场险些坠机的事故，这给他遗留了大腿和下背部疼痛。从1994年开始，他使用越来越多的镇痛剂并饮酒。在柏林官方纪念最后一批俄国军队撤离的仪式上，人们很明显地看出他醉得不轻。有一年他从美国返回，中途停靠爱尔兰香农机场。整个爱尔兰内阁的成员都站在飞机舷梯附近准备好迎接他，但是他没有出现——他正躺在机舱里睡醒酒觉呢！

酗酒行为当然并不仅限于世界领导人。美国的参议员约瑟夫·麦卡锡（Joseph McCarthy）曾经残害了许多生命，他有着十分严重的酗酒行为，这一点由他于1957年死于肝硬化而获得证实。而且，酒精也绝不是世界领导人在掌权阶段滥用的唯一物质。在1956年苏伊士运河危机期间，英国首相安东尼·艾登（Anthony Eden）在主持一次内阁会议时曾经服用哌替啶（一种鸦片衍生剂）来对抗剧烈疼痛。他还服用巴比妥类药物来入睡，并借助安非他命来叫醒自己。在他退休前的最后一周，他完全依赖安非他命生活，这对他的内阁来说已经不是秘密。

有的领导人尽管有一些精神问题并有物质滥用，但还算是成功者。丘吉尔不但患有严重的抑郁症，还有轻度躁狂（见第6章第3节），他在这期间饮用了大量香槟、白兰地和威士忌。

约翰·肯尼迪有许多健康问题。他患有阿狄森氏病（Addison’s disease，又译艾迪生病），这是一种肾上腺皮质功能减退症，为此他必须使用肾上腺皮质激素——皮质醇。在一次竞选活动中，他忘了带皮质醇药片，随后就摔倒并陷入昏迷。1938年，他遭遇了一场车祸，从那以后就患上了背部疾病，于是他一日注射三次甚至更多次的普鲁卡因。普鲁卡因是一种合成的可卡因代用品，它可以渗入大脑并产生中枢效应。肯尼迪很享受服用安非他命这类药物，并将其效果形容为“愉快”和“狂喜”。此外，他还在担任总统之前以及总统任期内使用可卡因。据说，由于他有肾上腺皮质功能减退症，他还使用着睾酮素。人们可以考虑这些药物如何影响了他在1961年古巴猪湾事件时所表现出的不负责任的大男子主义行为。肯尼迪和情人们在白宫一起体验了大麻和LSD（即麦角酸二乙酰胺，半人工致幻剂）。他还使用安眠药、镇痛剂和苯巴比妥（一种镇静剂）。此外，他还得到了一位医生自己配制的皮质类固醇（即肾上腺皮质激素）和安非他命的混合剂。互不相识的医生们给他用了不同的药物。难怪人们都说肯尼迪与这些医生们的私通次数甚至超过他和女人私通的次数！

难道我们不应该要求那些掌管着国家命运的人至少像汽车驾驶员或者像飞行员一样约束自己的行为吗？我们什么时候才能检查这些政府官员，这些我们信赖的人的酒精、毒品和药物的使用情况呢？

注解：

[1] 　安非他命类衍生物，是亚甲基二氧基甲基苯丙胺的片剂，属中枢神经兴奋剂。——译者注

[2] 　对健康伤害较少的毒品。——译者注

[3] 　能在生理和心理上致瘾的麻醉品，或称烈性毒品。——译者注

[4] 　一种强烈迷幻药，苯环已哌啶。——译者注

[5] 　在严格地按照一定比例兑水后，饮料就变成适合在体内吸收和行走的等渗溶液，能自由地在肠道和血管之间游动，更容易被人体吸收。——编者注

[6] 　古罗马政治家、哲学家、悲剧作家、雄辩家。——编者注

第8章
大脑与意识

忽略症：生活在半个世界里

如果那里有什么，我肯定是不会忽略的啊！

要想意识到周围的事物和自身的存在，有些大脑结构对意识的产生是必需的，例如大脑皮层、丘脑（丘脑收集来自感官的信息）以及白质（连接脑结构的神经纤维）（见图8-1）。右半脑中风之后，人们对于自身存在和周围事物的意识会遭到偏侧性损害。患者可能意识不到左侧的瘫痪，也可能忽略左侧的所有东西，包括左侧周围的事物以及自己左侧的身体。这种状况被称为“忽略症”。

图8-1　意识的存在依靠三个完整的、功能正常的大脑结构

我们用黑色来表示。左边：完好的大脑皮层；右边：丘脑；中间：白质，其中含有大脑皮层和丘脑的连接纤维。

如果你从这种病人的病床左边走向他，那么他就无法看到你，除非他转动头部并看你。如果这位病人读报，那么他只会阅读报纸右半边的文章，他画画时也只会画出物体的右半边，例如钟表、一只猫或者一朵花的右半边。吃饭时，他只吃掉盘子右半边的食物，只有当你将他的盘子旋转180°时，他才会吃掉另一半食物。忽略症也可以导致病人忽略自己左半边的身体。病人感到自己的左手臂和左腿不再属于自己。他不再给左侧身体穿衣或洗澡，而且只梳自己右边的头发。

忽略症病人经常无意识地说出一些虚幻的但在他们自己看来是较为合理的解释，以掩饰自己发现的奇怪状况。一些脑中风患者声称医院是自己的家，里面的家具都是自己买的。一个女病人一直确信自己的左半边身体功能良好，完全不用依赖其他人的帮助。她所画的物体的左半边完全缺失，对此她解释说：“如果那里有什么，我肯定是不会忽略的啊！”当人们让她动一动她的左手臂时，她回答说：“这个我可以做到，但是最好还是让我的左手臂休息休息吧！”当别人要她走几步路时，她就说：“这个完全没有问题，但是医生告诉我说最好还是待在床上静养。”

我的一个好朋友的母亲已经85岁了，她的右侧脑中风，导致左侧瘫痪，但她还是神智清楚、反应敏捷而富有智慧。她能很得体地与家属、朋友以及医护人员聊天，但是有一件事情很古怪。有一天，她告诉我说她做了一个奇怪的梦：她梦见自己长了第三只手臂。我小心翼翼地提起她瘫痪的左手臂问她：这是那第三只手臂吗？”“不，”她说，“当然不是，那是凯斯啊。”凯斯是她55岁的儿子。“凯斯？”我问她，“他在这儿干什么？”她告诉我：“他通常都睡在我身边啊！但是昨天晚上我需要他的时候我怎么都弄不醒他，前天晚上也发生了这种情况。姬蒂（她女儿的女朋友，基本上每天都会来探望她，与她关系很好）睡在这里，我也叫不醒她。”我知道她这些都是瞎说，我很了解她家的情况。说完这些话后，她向我要了点儿饮料喝，然后就很自然地转向那些她关心的日常事物话题上去了。

忽略症中的幻想遵循着一条总体原则：如果大脑接收不到通常的信息，它就会通过制造信息来填补空白。如果受损的大脑接收到奇怪的信息，它就会编出一些奇怪的故事。在来自耳朵、眼睛、记忆或者肢体的信息缺乏的时候，大脑本身也会激活并填补信息（见第11章第5节）。即使大脑没有受损，它每天也在无意识地做着这些事。我们都确信过去发生的事情与我们能记得的经历是一样的。在法庭上，我们愿意对这些“经历”起誓，承诺所说的一切都是真实的，但是我们的大脑其实只是按照我们所观察到的那些片段而臆造了那个事件并创作出一个完整的故事，这些故事继而会引发诸多相关后果。

昏迷和相关状况

这就如同他被抛弃了两次，第一次是被自己的大脑，第二次是被那些认识他的人——因为没有人来探望他。

——伯特·凯瑟 [1] ，《令人费解的存在》

围绕着死亡存在着许多的问题，涉及神经病学中的许多需要进一步做出解释的概念和术语。“昏迷状态”是指，病人无法被唤醒，也不会对外部世界刺激有反应。昏迷可以是由于大脑皮层、丘脑和这两个脑结构之间连接的损伤，也可以是由于具有激活皮层和丘脑功能的脑干的损伤，或者是由大脑新陈代谢紊乱或者毒品、酒精（俗称的“拼酒型昏迷”）而引起的。有的人可以从昏迷中苏醒过来。

有一个男孩晚上和朋友开车出去玩，车子以极快的速度撞到天桥的水泥柱上，他昏迷了6个星期。当时医生已经在和他的家人谈论器官捐献事宜了，他们打算将他的肾脏移植给需要的人。然而，家长认为他们看到了这个男孩和他们交流的征兆，于是就停止了和医生讨论那些议题。他们的决定是正确的，因为这个男孩从昏迷中苏醒过来，还顺利地从高等技术学校毕业。虽然他的数学表现没有像车祸以前那么优秀了，但是在其他方面没什么问题。他获得了一份很好的工作，生了孩子，现在已经当上爷爷了。

不过，昏迷并不总是可以顺利恢复的，从昏迷中恢复的人往往会遗留下严重的、永久的大脑损伤，而且有些人还会永久处于昏迷中。

植物人状态：像植物一样生存

脑干（见图8-2）调节着对生存至关重要的功能，例如呼吸、心跳、体温以及睡眠和觉醒之间的转换。这部分大脑还包含了控制咳嗽、喷嚏、呕吐等反射的中枢。如果脑干完好无损而大脑的其他部分停止工作，那么人还可以继续呼吸。受到严重的脑损伤并从深度昏迷中恢复的病人会出现这种状况，他们可以睁开眼睛，但病情长期得不到好转，于是“像一种植物”那样继续生存下去。阿尔茨海默病晚期的患者也会出现这种状况，他们以胎儿般的姿势躺在床上，大脑皮层不再工作，对外部世界也不再有任何反应。大脑皮层是思考、说话、听声音、感受情感以及运动四肢所必需的。在“醒状昏迷”或者“植物人状态”下，脑干功能仍然完好，大脑的其余部分——尤其是大脑皮层，将停止工作。大多数病人可以在几周之后从这种植物人状态中缓慢地恢复过来，但是如果大脑皮层受到了不可修复的损伤，病人就会进入“持续性植物状态”。这些病人不必依靠呼吸机，他们可以呼吸，具有正常的心率。因此，根据经典的定义，他们没有“死亡”，而是“活着”。这些病人的眼睛可以睁得很大，可以发出似乎在哭或者在笑但并不附带任何合适的情感的声音。因此，他们看上去似乎能够“意识到”外部世界，但是他们不会做出任何身体上的反应来清楚地显示他们对环境或者是对自身存在具有任何意识。由于他们看上去是“醒着的”，还时不时地做一个鬼脸或者发出一些声音，因此家属非常难以接受这样的病人是处于一种持续性植物状态，没有意识，而且已经是“脑死亡”的事实。患有脑出血的新生儿的父母也面临同样的难题，他们的孩子看上去很正常，但大脑的大部分功能其实已经丧失了。

图8-2　大脑底部观

脑干①控制呼吸、心跳、体温和睡眠—觉醒的转换。嗅觉系统由嗅球②、嗅觉神经（嗅神经）③和嗅觉皮层（沟回）④组成。同时还能看见视神经的交叉——视神经交叉⑤、乳头体⑥和它们之间的脑垂体⑦。

处于植物人状态的病人可以通过人工给予营养液的方法而常年维持生命，正如美国的特丽·夏沃（Terry Schiavo）女士所经历的那样。夏沃于1998年成了植物人，她的丈夫同时也是她的法定监护人并不想让她以这种方式继续生存下去，但是她的父母多年以来一直不允许对她实施安乐死。这个案子从一个法院到另一个法院，引起了大量的法律纷争，那些“支持生命的抗议者”称她的丈夫是杀手。你必须严肃对待这一指控，因为大多数“支持生命运动”的拥护者仍然赞同死刑，即他们是有觉悟的杀手！直到7年之后，一位法官才下令可以拔除夏沃的饲养管道，这位监护人才得以让妻子去世。夏沃去世之后的尸检证实，她的大脑皮层结构所剩无几。

1992年，意大利的一个名叫艾鲁安娜·艾鲁安娜（Eluana Englaro）的姑娘陷入昏迷状态。17年前她遭遇了一场车祸，导致大脑皮层遭到了不可修复的损伤。7年之后，她的父亲开始了一场法律拉锯战，要求停止对女儿的人工饲养，因为女儿曾经对他说过，她永远都不想像植物那样活着。2008年7月8日，最高法院允许拔除艾鲁安娜的饲养管道。这是一项非同凡响的决定，因为意大利是一个禁止执行安乐死的国家。艾鲁安娜被送到一家愿意安排其死亡的诊所，但是梵蒂冈和意大利政府仍然试图阻止这事——“阻止杀人犯的手”。梵蒂冈卫生部长、红衣主教的反应是意料之中的。贝卢斯科尼政府关于阻止艾鲁安娜“死亡”的法令未获得总统签字通过，于是该政府就试图通过一项紧急针对性的法案。幸运的是，对于那些直接涉及此事的人来说，贝卢斯科尼的动作还不够快，因为在拔除艾鲁安娜的饲养管几天之后她就去世了。

在荷兰，人们并未将以永久性植物人的状态而生存看作是具有尊严的人类生存方式。因此，继续维持这样的生命被看作是无意义的医疗手段，在与家属商议之后，医生通常会做出停止治疗的决定。由于这涉及终止一项无意义的治疗，因此它还不是正式意义上的安乐死。在荷兰，仍然有许多人处于常年昏迷状态之中，而绝望的家属却遭到了互联网网民们的辱骂，网民们认为这是可耻的。CWUBS（荷兰的“昏迷苏醒脑刺激”机构）提供了一种能使人从持久的植物性昏迷中苏醒过来的治疗手段，要花费一万欧元以上。不过，即使是花费十万欧元你也无法使那些大脑皮层受到不可修复性损伤的病人从植物昏迷状态中苏醒过来，唯一能从中获益的就是CWUBS自己。

闭锁综合征：有意识的木头人

神经纤维通过脑干向下控制身体的肌肉，感觉和疼痛通路则通过脑干向上抵达大脑。与植物人状态相反的是闭锁综合征，它是由于脑干受损而导致大脑和脊髓的完全性分离。病人的大脑功能可以保持完好，病人也可以具有完整的意识，但是他无法向外界显示这一点，因为他已经完全瘫痪了。他能够听见、看见并理解所有的事物，但是无法移动自己的身体，也不能说话，患者只能关闭眼睑并转动眼球。

巴黎记者让-多米尼克·鲍比（Jean-Dominique Bauby）在1995年患上了脑中风，之后20天内处于昏迷状态。在此之后，为了进行交流，别人给他读字母表，如果读到了正确的字母，他就眨眨眼。通过这样的方式，他一字一字地“撰写”了一本书——《潜水钟与蝴蝶》，清楚地表明他对于周围环境，对于自身和自己所遭受的悲惨情境具有完全的意识。2007年，同名电影上映。该电影还刻画了大仲马在其著作《基度山伯爵》中对于诺瓦蒂埃·维尔福先生中风后患上闭锁综合征的场景。维尔福先生不能说话也不能移动手臂和腿脚，但是通过眼睛和眼睑的活动可知，他要阻止一场施毒的谋杀以及一场不被人看好的婚姻。

2000年，新西兰小伙子尼克·奇瑟姆（Nick Chisholm）在一场英式橄榄球比赛中昏倒在场上。看上去那是一次简单的脑震荡，但是他之后出现了一系列癫痫发作和脑干梗死。人们一直认为他处在昏迷之中，直到他的母亲和女朋友一再地说他能够意识到周遭发生的一切。他患的的确是闭锁综合征，而在后来恢复了。

家属们往往能比医生更早地发现可以与患者交流，但是家属们也很容易错误地宣称能与昏迷中的病人交流。

脑死亡：我思，故我在

在器官移植时代到来之前，人们对死亡的诊断十分简单：心跳和呼吸都停止了，而且不会再恢复。医生对此会有几分钟的怀疑，但是接下来的这个过程是不可逆转的。有的从雪崩后的积雪中挖出来的冻僵的滑雪者心跳和呼吸都消失了，但是他们随后却能完全恢复过来。仅有的一些假死的案例实在是特别罕见，因此也变得十分出名。

1244年，法国国王路易九世在为他举办的安魂弥撒仪式中突然在棺材里动起来，葬礼的日期被推迟，后来他还完全从疾病中恢复过来了。随后，他带领十字军东征至埃及，杀戮无数。

在法国，为了避免假死问题设置了一种名为“殡仪人员”的职业。这种人会在死者的大脚趾上狠狠地咬一口以确保死者真的死了。荷兰在几年前有过一次对死亡的误判。一位家庭医生宣布了一位83岁老太太的死亡，但是当殡葬服务人员将尸体从浴室地板上抬起时，她突然轻轻地说了声“哎哟”。接下来，老太太的身体渐渐地好起来了，但那位医生的日子可不大好过了。

自从可以采用呼吸机来协助那些大脑受到严重损伤的病人的治疗后，对于“死亡”的经典诊断就变得不再可行，因为“失去意识”或者“脑死亡”的病人的心跳和呼吸可以通过机器而得到人工维持，而且这种状况可以无止境地持续下去。因此，以色列前总理阿里埃勒·沙龙在2006年出现一次严重的脑出血后一直离不开呼吸机。他的儿子们确保了他的通气不被终止。在这种情况下，医生做出的诊断不是“死亡”，而是“脑死亡”。

“脑死亡”的诊断起初是根据这样的定义：“大脑所有的功能都不可逆地消失了。”然而，25%的脑死亡患者仍然能产生抗利尿激素（ADH，即血管升压素）。这种激素可以使肾脏每天从尿液中重新吸收许多水分（见第6章第1节）。当产生抗利尿激素的脑细胞死亡时，人们可以立即从挂在病人床边的与导尿管相连接的储尿袋上看出来——储尿袋每天可以接10～15升的水样尿液。对于脑死亡但产生抗利尿激素的脑细胞仍然保持完好的患者而言，每天进入储尿袋中的尿液只有1.5升。脑死亡患者脑内还可能存在着其他具有活性的脑细胞，但是这些细胞无法使大脑恢复意识。

如今，人们根据由哈佛大学设定的“哈佛标准”对脑死亡下了定义：在光照条件下，瞳孔的不可逆性僵直、脑干反射消失以及诸如认知和意识等“高级大脑功能”的永久性缺失。最后一项实际上是对笛卡儿的“我思，故我在”的逻辑性反换表述——如果一个人不能再进行思考（因为他的大脑不再起作用了），那么他就不再以人的形式而存在了。

脑死亡，才能做器官移植手术

对脑死亡的判定对器官移植手术也非常重要。荷兰健康委员会建议，除了对上述提到的脑死亡标准进行广泛调查之外，还要确保大脑不再有脑电活动和血流。最后，还要将呼吸机暂时关闭，以确认患者是否还存在自主呼吸，从而使人们更加确定这个潜在的器官捐献者的确是脑死亡。如果这些条件都达到了，而且患者生前还签署了器官捐献的相关文件，那么就可以进行器官移植手术了。

由于脑死亡患者在这些情况下对自己的身体不再具有意识，因此他们在医生切除其器官时所出现的脊髓反射不应当被解释为患者感觉到了疼痛。这个说起来很容易，但是对于在用手术刀切除器官的同时看到脑死亡的患者对此做出反应的医生来说，心情还是非常不一样的。英国的医生们热衷于使用麻醉剂来完成这个过程，荷兰麻醉医生协会则认为这是荒谬的——从科学角度来说，他们也是正确的。麻醉并不是用来防止脑死亡患者的不适感觉，而是用来防止移植手术外科医生产生那种感觉的。

大脑皮层和丘脑对意识至关重要

大脑皮层、丘脑以及这些大脑区域之间的功能性偶联对于意识而言至关重要。

我们体验着意识的两个方面。一方面，我们可以意识到我们的环境。每一种生命有机体内都可以找到这种意识的构建模块。一个单细胞有机体已经能够爬向食物并躲开有毒化合物，因此它知道周围环境中发生的事情。不过，它们不太可能已经达到我们所知道的意识的程度。为了达到那种意识程度，你还得在进化的阶梯上前进相当一段距离。另一方面，我们可以意识到自我存在（即自我意识），这肯定不是人类所独有的，“镜子测试”表明，动物和幼儿一样存在着自我意识。自我意识在其他一些动物中也得到了较高的发展，并成为复杂社会关系的基础。连黑猩猩、红毛猩猩和大猩猩都可以在镜中认出自己，海豚也可以在镜中看到自己身上被标注了一个记号，类人猿也可以看着镜子将自己脸上的一点儿涂料擦去，就如同一个一两岁的小孩可以从镜子中认出自己一样。同样，亚洲象也可以在一面巨大的镜子里认出自己——正如弗朗斯·德·瓦尔在其实验中所发现的那样，大象在镜子前面检查自己的耳朵，并发现自己头上被人标注了一个记号。此外，自我意识并不局限于哺乳类动物。喜鹊也可以在镜中认出自己——科学家在实验中将一张黏纸贴到喜鹊的喙下，因此喜鹊只能通过镜子来知道那个记号贴在哪里了。

有一些大脑结构对于意识至关重要，例如大脑皮层、丘脑以及这些脑区之间的功能性偶联。如果大脑皮层或者连接皮层的结构受损，那么即使脑干功能还保持完好（病人可以自己调节呼吸、血压和体温），意识也不再存在，病人将处于植物性昏迷状态。这些病人无须借助呼吸机呼吸，他们还具有正常的心跳。他们可以闭上或者大大地睁开眼睛、呻吟、强迫性哭泣，有时还会出现强迫性大笑。同样，脑干仍然保持着睡眠与清醒节律。因此，他们有时看上去好像是“清醒的”，但是他们不会清楚地显示出自己还能对环境或者自身意识存在身体反应。

大脑皮层对意识至关重要，但是当外界刺激通过感官和身体经过丘脑抵达大脑皮层时，大脑皮层还不足以使人们对这些刺激产生意识。在麻醉状态下，光线刺激会在100毫秒之后抵达视觉皮层，但是人们并不能意识到它。还有一些研究显示，即使是在良好的全身麻醉状态下，语言提示、音乐或者大海的声音也可以对病人产生影响，但病人是处于无意识状态之中的。如果想要完整的意识，那么这些抵达大脑皮层的刺激必须积极地与其他脑区交流，但是这在全身麻醉的状态下无法实现。

产生正常的意识还需要一个完好的丘脑。丘脑位于大脑中央，对意识具有至关重要的作用，因为来自我们感官（除了鼻子）的所有信息都将到达丘脑，在这里通过突触转换路径并继续传递到大脑皮层。丘脑损伤引起意识紊乱。反过来，电刺激丘脑能使某些人重新获得意识。

一名38岁的男子在一场车祸之后的6年内都处于一种微意识状态，即一种介于昏迷和清醒之间的状态。他可以时不时地通过眼睛和手指的运动来与人交流，但是始终都不能说话。后来，医生在他的双侧丘脑部位植入了电极，电刺激开始后的48小时他就清醒过来了。接下来的6个月，电极治疗改善了他的注意力、对于命令的反应以及对于肢体和语言的控制能力。

从科学的角度来看，这是一个能让人们产生浓厚兴趣的实验。不过，这位由于车祸而遗留了严重脑损伤的病人能否在这种史诗性的手术之后生活得很好，人们仍然存有疑问。对丘脑进行电刺激的治疗存在这样的伦理学困境：病人在接受治疗后不仅对周围环境恢复了意识，也对自身、对自己由于车祸而造成的大脑损伤所产生的可怕状况恢复了意识。

大脑结构之间的功能性联系对意识的重要性

处于植物人状态中的患者的反应表明，他们至少还残留着一些高级大脑功能，例如认知能力。

某些大脑区域（例如大脑皮层和丘脑）对于完整的意识至关重要。要想产生意识，不仅需要这些脑区与它们之间的连接保持完好，还需要它们之间进行良好的交流。因此，分析处于植物性昏迷状态的病人的功能性磁共振成像（fMRI）可以发现，他们大脑皮层的许多部分仍然具有功能。一个强烈的疼痛刺激仍然可以激活植物人病人的脑干、丘脑和初级视觉皮层（见图8-3），但是这些脑区和那些功能更高位的、对疼痛刺激进行感受的大脑皮层区域出现功能分离。同样，声音刺激也可以激活一位处于植物人状态的病人的初级听觉皮层，但是由于和更高位脑区功能脱偶联，刺激无法到达那些感受声音的区域。因此，初级感觉和听觉皮层的神经元活性对于意识过程是必要的，但并不是充分的条件，还需要前额大脑皮层和大脑侧面的大脑皮层网络的功能性连接（额–顶叶网络）。这样看来，病人要想从植物人状态中恢复意识就必须同时恢复这个网络成分的功能性偶联。

图8-3　大脑解剖示意图

①主要感觉皮层；②听觉皮层；③运动皮层；④视觉皮层；⑤颞中回；⑥颞上回；⑦前运动皮层。

英国剑桥和比利时列日省的研究者们通过功能性磁共振成像技术完成了一系列出色的观察。首先是对一个在一场车祸后的5个月以来一直处于植物人状态的23岁的女人的观察。她的大脑所受到的损伤与其他处于植物人状态的病人相比要轻微许多。当人们对她说话时，她的颞叶皮层（颞中回和颞上回）会像正常人一样被激活。

当听到一些带有歧义的词语时，她的位于左前额叶下方的布洛卡语言区被激活。在研究者给出去参观她家的每一个房间的命令时，她的控制空间定向和运动的脑区（海马旁回）、顶叶和外侧前运动皮层等被激活。在研究者给出“打网球”的命令时，她的运动协调脑区（辅助运动区）被激活。

接下来，这些研究者又观察了54个由于严重的脑损伤而处于昏迷状态的病人（其中31个人处于微意识状态）。有5个人的大脑对于命令显示出正确的活动改变模式，这其中有4个人处于植物人状态。虽然这种活动改变表明他们对自身和周围环境都具有意识，但人们仍然质疑这些“意识”的程度究竟是多少。

在后续实验中，研究者询问一位29岁的处于植物人状态的男性患者这种简单的问题：“你爸爸名叫托马斯吗？”或是“你有兄弟吗？”。病人完全可以在回答“是”或者“不是”的同时想着打网球。从脑活动判断，他对于6个问题中的5个都给出了正确的回答。从这点来推断，他至少保留了一些高级大脑功能，例如认知功能（思考能力）。在这两组“植物人状态”或者“微意识状态”的典型病例中，可以预期他们具有脑电活性和脑血流活动，也就是说，那些被隔离的脑区还在工作着。这就与脑死亡的状况截然不同了，因为在脑死亡状态下是不存在这种脑活动的。我们还不清楚是否存在着一种可以意识到自己的处境的意识——这种意识的产生完全需要完好脑区之间的交流。此外，人们是否愿意在这种境况之下生存也自然是值得怀疑的。

在癫痫失神发作的病例中，病人在5～10秒钟期间出现凝视、无反应、经常眨眼和咂巴嘴唇的状况。病人的意识改变，不再对请求做出反应，而且对意识极为重要的额–顶皮层区域的活性也显著降低。病人在复杂部分性癫痫发作状态下也是清醒的，但是意识会发生改变——不再对他人做出反应。处于颞叶癫痫状态中的病人也可以在几分钟内丧失反应，其双手和嘴巴可以做出自发性动作，而额–顶叶的活性显著降低。这种大脑皮层的活性改变在患者意识仍旧完好的颞叶癫痫发作中没有被发现（见第16章第8节）。

额–顶叶复合体是否存在着功能性偶联也是植物人状态和微意识状态的区别。这种功能性偶联在处于植物人状态的病人身上消失。在最小意识状态，正如fMRI和PET研究显示的那样，声音和复杂的听觉刺激将激活对意识起重要作用的神经网络，这也意味着从原则上讲这些病人还可以组建一个完整的网络，这正如那位拥有微意识状态并通过接受丘脑区电极刺激后苏醒过来的男子所显示的情况一样。还有人宣称，通过音乐或者通过对患者手臂神经（正中神经）进行电刺激也可以使人更快地从最小意识状态中恢复过来。不过，目前还缺少针对这些可能性而设立了良好对照组的研究，迄今为止还没有出现令人惊异的结果。

自觉意识的“欺骗”和丢失

“自我”是身体的一个相当不忠实的伴侣，一有机会它就会闹出一场婚外恋。

——维克多·拉姆 [2] ，《自由意志不存在》

右侧大脑中风后，自我意识以及对环境的意识都会受到影响。病人不会再意识到他们左侧瘫痪，也不再注意到左侧身体和环境的存在，因此会忽视该侧，这种状况被称为“忽略症”（见第8章第1节）。

要想获得自我意识，需要感官知觉与完好的大脑皮层相结合。大脑前运动皮层对于人们感觉身体的一个部分是否属于自己具有非常重要的作用。来自不同感官的信息将进行整合，例如来自眼睛、耳朵、前庭系统和肌肉、肌腱、关节（本体感受）以及触觉的信息。你可以通过以下的游戏“欺骗”你的前运动皮层：

将一个橡胶制成的手模型代替你的手放在桌上，将你的手放在桌子下方你看不到的地方。如果别人用一把刷子或是一根棉签在这只假手以及你放在桌下的真手上反复同步地拂拭，你的大脑就将你看到的被拂拭的假手和你感觉到的被拂拭的真手相结合。大约10秒之后，你开始认为你看到的那只假手就是你自己的真手。如果别人突然在那只假手上轻敲一下，你就会感到明显的惊吓。显然，要产生你所看到的“那只假手是你的真手”的错觉，你隐藏在桌子下方的真手和你看到的假手的结合十分重要。

功能性磁共振成像检查还发现，前运动皮层和小脑的激活与这个错觉相伴发生。看来对于身体的一部分是否属于自己的感知，仅仅取决于几个具有特异性的脑区内的几组神经元的活动。

自我意识在不同的条件下可以全部或者部分丧失。大约10%的阿尔茨海默病患者在开始患病时意识不到自己的衰退，而且这个比例在病情发展的过程中逐渐上升。这种症状被称为“病感失认症”（anosognosia） [3] 。因此，通常都是病人的伴侣发现病人情况不对劲并带他去看医生。疾病失认症伴随着颞叶后上方角回区域活性降低。来自身体和环境的感官信息在角回整合，因此这个区域对自我意识至关重要，而且这部分皮层在阿尔茨海默病的病程中受到的影响越来越严重。

这个皮层区域的损伤也见于濒死体验中的离体感受（见第17章第3节）。在那种情形下，整个身体的自我意识遭受的角回区缺氧的伤害阻碍了来自身体包括来自感觉和平衡器官的感觉信息的整合。

作为上述假手实验的延伸，英国科学家埃尔森（Ehrsson）又通过摄像机以及虚拟–现实眼镜进一步以实验性的方式引导离体感受。

埃尔森给被试者一副眼镜，眼镜上的两个小型的显示屏可以接收位于被试者身后的两台摄像机拍摄的图像，于是被试者看到自己的背影，并觉得自己站在自己身体的后方。埃尔森还在位于虚拟身体之前的摄像机前用一根小棍子在被试者的胸部和背部同时做了触碰动作。这给被试者一种错觉，即认为自己位于那个虚拟的身体里，并看见自己的身体在别人的身体里。当研究者用一个锤子做出对那个虚拟的身体产生威胁的动作时，被试者的反应就好像那是他自己的身体似的。这种对于自己虚拟身体遭受袭击所产生的害怕和防御反应伴随着自己真实身体皮肤感觉传导性的改变，显示了属于这种反应的情感。

欧拉夫·博朗克斯（Olaf Blankes）在瑞士采用全息电脑刺激做了类似实验。他在播放录像后蒙上被试者的眼睛，并让他们走回他们原先站着的位置。那些在实验中有过离体体验的被试者都走到了他们虚拟的身体的位置。

意识的这种欺骗性也可以用来治疗截肢患者的慢性幻肢痛感。印度神经病学家拉玛钱德兰首次发现这种疼痛源于这些患者脑中的冲突：每当他们试图移动那只被截肢的手时就会有一个信号传回脑中，显示这是不可能的事情。于是，大脑迫使这只“幻肢手”摆在一个特别痛苦而扭曲的位置。对此，拉玛钱德兰的处理方法既简单又具有独创性。他在病人前方放置了一面和其身体垂直的镜子，这样病人就可以从镜子里看到自己正常的手出现在他曾经被截肢的肢体位置上。那些病人显然是知道那不是他真正被截肢的手的，但是他仍然一边盯着自己的“幻肢手”，一边用自己的那只好手在镜子前面慢慢地进行张开和握紧的训练。虽然他知道这是假的，但是这种放松、镇定的手部运动的视觉输入使得病人的“幻肢手”放松，夹压感消失，幻肢痛感也消失了。有一位男子曾把他的假腿扔在柜子里8年，他无法忍受假肢装在躯体残余肢体上的感觉，因为他会产生幻肢痛感。这种疼痛在经过这种镜子疗法3～4个小时之后就消失了，他首次装着假肢行走了一个小时。当然，他知道他在镜子里看到的那条移动的腿已经不再存在了。

缺失信息的“填补”

如果信息通过一条异常的路径到达大脑皮层，那么病人就会意识不到它们。

异手综合征这种疾病显示，自我意识的形成还需要左–右大脑皮层的良好的交流。胼胝体受损的患者会患上这种综合征。胼胝体是连接左–右大脑半球的巨大的纤维带。切断胼胝体的手术对于波及全脑的癫痫症病人是最后的手术方案，目的是使患者在术后获得一种得体的生活。这些病人在术后其实拥有了两种分离的意识。

诺贝尔奖得主罗杰·斯佩里通过实验发现，患有异手综合征的病人的一侧大脑半球对于另一侧大脑半球所看见的事物没有意识。在实验中，病人可以描述出仅仅到达他左侧大脑半球的图像（因为掌管言语的脑区正位于左半脑），但是他们似乎对那些仅仅抵达右半脑的图像毫无知觉。如果要求病人用左手（由右半脑控制）挑选那张仅仅呈现在他右半脑的图片，病人也可以完成这个动作。因此，没有被意识到的信息是可以被病人利用的。接下来，左半脑会编造一个“符合逻辑的”故事将来自左半脑和右半脑的信息结合起来，这样就产生了那种对于病人来说合乎逻辑，但是对于周围的人来说无法理解的故事。当给予病人的右半脑“起立和离开”这样一条文字指令时，病人能够去做这些动作。然而，当询问病人为什么要这么做的时候，他却不会说“你刚才给我布置了这个任务”，因为他没有意识到这点。因此，他会编造一个理由来解释他的行为：“我想去拿一块巧克力。”

患有忽略症的病人对于他们所处的奇怪的环境也经常会制造出一些独创而富有想象力的貌似可信的借口。例如一位瘫痪的病人会说：“我倒是很愿意站起来，但是医生不让我这么做。”（见第8章第1节）事实上，忽略症的幻想都基于这样一条总体原则：如果大脑没有接收到其正常部位应该接收到的正确信息，那么大脑皮层将自己激活以填补这个空白，让病人感觉他接收到了真实的信息（见第9章第5节）。听觉有缺陷的病人将持续听到一些歌曲；视力有缺陷的病人会看到一些不存在的图像，尤其是在微弱光线下；因酗酒而导致记忆力受到损伤的病人会不断地且认真地编造出一些故事；截肢后的病人会产生幻肢疼痛（见第11章第5节）。每一个大脑功能都有自己的区域性系统通过这种方式产生意识。大脑皮层不同区域的活性增加导致人们在视觉输入缺失的情况下“看见”不存在的事物，在听觉输入缺失的情况下“听见”歌曲。

信息沿着正确的路径抵达大脑皮层的适当部位从而使人们意识到它，其重要性也可以由“盲视”现象体现出来。人们总是认为，如果初级视觉皮层发生缺陷就会导致对侧视野变成完全盲区，但如果将一束光打在具有这种损伤的病人的视野盲区并让病人猜测光的位置，他却能指向正确的位置。能看见物体但对其缺乏意识的症状被称为“盲视I型”或者“注意力盲视”。人们推测，是抵达皮层下区域的视觉信息使患者产生这种无意识的视力的。一种新型的脑扫描技术（弥散张量纤维来成像）可以显示大脑中的神经，人们通过它发现，的确有信息抵达患有盲视的患者的处理视觉信息的一部分大脑皮层，但信息不是通过正常的路径被输送到大脑的。因此，虽然有信息在正常情况下可以抵达被意识到的那部分大脑皮层，但是盲视症患者却无法对其产生意识，这显然是因信息的传输路径错误而造成的。这种机制解释了患有忽略症的病人为什么可以看到东西，但是却意识不到其存在的现象——因为患者的中风导致信息从不同的路径抵达大脑皮层。

有关意识机制的观点

意识可以被看作是大脑庞大的神经细胞网络中的一些特定的区域联合运作而产生的一种新的属性。

有史以来，人们用多种比喻形容人们对环境的意识，例如“笛卡儿剧院”“脑海中的电影”以及“电视屏幕”。不过，这些比喻都是基于二元论的观点，即一个人在观看你所表现出来的意识。面对这个古怪的定义，你也许会产生这样的疑问：那个人的脑袋里装着什么？需要别人观看吗？

1963年，约翰·埃克尔斯（John Eccles）因为对神经细胞传递冲动的研究而获得诺贝尔奖，但他没有提出是神经元网络负责了人类的意识。他从哲学的角度出发，抛开了所有的神经生物学基础，提出“心灵粒子”（psychon，即精神粒子）是人们心理功能的要素。一组精神粒子通过它们的联合行动产生了综合的心理过程，从而创造了意识。不过，没有人知道精神粒子到底是什么。因此，这是一个无法被验证的概念，就其本身而言，这是一项无法被科学接受的假说。此外，我们也不需要这样一个概念。所有的近期研究已经表明，脑区的大量神经元的共同作用是意识形成的基础，纯理论性的精神粒子是一个彻头彻尾的无用概念。

意识可以被看作是大脑庞大的神经细胞网络中的一些特定的区域联合运作而产生的一种新的属性。不同的脑细胞和脑区都有自己的功能，但是由于它们之间相互连接、共同作用，因此它们就获得了新的、“自然发生的”功能。我们可以举出许多自然发生的属性的例子。例如，氢气和氧气都是气体，而一旦这些分子相结合就产生了一种具有新属性的物质——水。神经生物学需要解释的是，这种新属性，即意识，是如何从神经细胞的活动中产生的。许多脑科学家都在忙着研究这个问题。

维克多·拉姆教授希望根据神经元的功能寻求对于“意识”概念的解释。他的假说是，意识的自然发生需要前额叶皮层与顶叶皮层的神经元将信息传回到大脑皮层，方法之一是通过丘脑。这种重现（加工）的过程从纯粹的感觉区扩展到运动区。意识形成的关键在于，通过选择性的注意，使一幅场景中仅有几件事物经历这种重现（加工）的过程。这就让我们能够意识到那些能引起我们注意的刺激，而对其余的就没有意识。可以肯定的是，这种重现（加工）过程和注意力的基本机制在所有动物身上都存在，只不过是程度不同而已。

哲学家丹尼尔·丹尼特（Daniel Dennett）把意识解释为一种纯粹的物理、化学现象。我很欣赏这种观点。然而，他还认为人类由于受到语言发展的巨大影响，具有与其他动物“不同种类的”意识。关于这一点，我认为，更有可能的是动物具有“不同程度的”意识。与那些能够成功通过镜子测试（指具有“自我意识”）的动物相比，不能从镜子中认识自己的狗能嗅出自己的尿和别的狗的尿不同，应该说狗具有另一种层次的“意识”，但是这种行为不也显示出它存在着一定程度的“自我意识”吗？此外，值得注意的是，人类的意识并不依赖于语言，那些因为中风而导致脑内语言区域受损的病人对于“环境”和“自我”具有完整的意识。他们可以通过点头和摇头来表示肯定和否定，做出与自己和周围环境有关的决策。

拥有环境意识和自我意识的重要性在社会交往中表现得尤为明显，即通过与别人的处境进行比较而不断地意识到自己的处境。这让我联想到达尔文和弗朗斯·德·瓦尔的观点：个体在与整个群体的复杂社会交往的过程中，其正常表现具有重大的进化意义（详见第21章第1节）。

注解：

[1] 　Bert Keizer，荷兰作家、医生。——编者注

[2] 　Victor Lamme，阿姆斯特丹大学认知神经学教授。——编者注

[3] 　这个词来自希腊语。——译者注

第9章
攻击性

在娘胎里，他就是个好战分子

来自显赫家族的人也会有偷窃的冲动和撒谎的倾向。

——达尔文

人类和黑猩猩一样，都是一种具有攻击性的动物。20世纪60—80年代曾存在着一种遍及全球的信仰，认为优质的生活环境可以消除所有的攻击性和犯罪行为。要是谁不赞同这一点，谁就会成为众矢之的。

如今我们又重新被允许从生物学背景的角度来考虑我们的行为，可以再次探究为什么有些人比其他人更具攻击性，以及为什么有些人比其他人更容易被牵扯到司法事件中去。男孩比女孩更具攻击性，这早在子宫内就已经被决定了，而且在一生中都将保持不变。在怀孕中期，男宝宝自身分泌的雄性激素睾酮达到一个高峰，确保他们在今后的生命中比女性更具有攻击性。先天性肾上腺皮质增生症的女孩在出生前就会产生过多的睾酮，将来在生命中也会比其他女孩更具有攻击性。此外，如果母亲在怀孕期间服用含激素成分的药物，就会提高孩子的攻击性。

然而，有很多孩子明显比其他孩子更具攻击性，也更容易产生犯罪行为，在所有的青少年犯罪案例中，有72%的少年犯都是因攻击性犯罪而被监禁的。值得注意的是，这些少年犯通常被诊断为患有精神疾病，在被监禁的男性少年犯中，这个比例高达90%。他们除了具有反社会行为外，还常常有物质滥用、精神病和注意缺陷多动障碍（ADHD）。一项针对双胞胎的研究结果表明，遗传因素在这些案例中仍扮演着重要角色。负责编码降解脑内化学信使的蛋白质的基因哪怕只有微小差异，都会导致更大的攻击性、酗酒和暴力性自杀行为。因此可以说，我们的遗传背景在很大程度上决定了我们的攻击性和犯罪行为。

胎儿所处的环境同样也会影响他们未来的攻击性程度。1944—1945年，荷兰处于“饥饿的冬天”。当时在母亲子宫里处于严重营养不良状态的男性胎儿，在长大后服兵役期间的体格检查中被发现其产生反社会人格障碍的风险增加了2.5倍。即使在如今的富裕社会，子宫内营养不良的情况依然存在，而且通常是因为胎盘功能缺陷而导致的。如果受到胎儿的遗传背景和母亲孕期吸烟的双重影响，孩子将来罹患ADHD的概率将提高8倍。此外，多动症也与攻击性行为以及触犯法律的风险增加相关。

正如我们的攻击性的程度在子宫内就已经为余生确定好了一样，我们的一些其他个性也是如此。这并不是一个新的观点，达尔文早就在他的自传里写过：“我非常赞同弗朗西斯·高尔顿的观点，教育和环境对人类行为的影响非常小，我们的大部分的特质都是天生的。”这可以让人们正确看待父母以及许多教育机构可能对孩子造成的影响。

25岁以下的男孩你惹不起

司法部目前已经开始对除了社会因素以外的其他决定攻击性程度和犯罪风险的因素感兴趣了。

我们离开母亲子宫的时候都携带着不同的攻击性行为的倾向，它们取决于我们的性别、遗传背景、从胎盘获取的营养量，以及母亲在怀孕期间是否吸烟、饮酒和服用药物。我们在青春期出现的去抑制、反社会、攻击性和犯罪行为风险的增加又是由于睾酮水平在青春期的升高。人们在这些行为方面存在着很大的性别差异。男性谋杀案的数量是女性的5倍。此外，男性在这些案件中杀害家庭成员或者熟人的比例仅为20%，而女性谋杀的人群中有60%是和她有关系的人。男性谋杀时的年龄总是遵循古老的规律：青春期睾酮的水平随着谋杀罪数量的上升而升高。谋杀数量在20～24岁达到高峰，之后开始下降，并在50～54岁下降到较低的数值。此外，世界上不同国家的谋杀犯的年龄分布模式都相同。

25岁以后的犯罪发生率之所以会降低，并不是因为睾酮浓度降低，而是由于大脑皮层额叶部分——前额叶皮层的后期发育，前额叶皮层抑制人们的冲动行为并促进道德行为。前额叶皮层的后期发育也意味着，接受成人刑罚的年龄不应该早于这个大脑结构成熟的时间，也就是在23～25岁之间。酒精能抑制前额叶皮层功能，因此人们会在畅饮之后突然出现毫无意识的暴力行为。生命初期，如果前额叶皮层受到损伤就可能引起成年后反常的社会和道德行为。

雄性激素睾酮对攻击性行为有刺激作用。有的男性的睾酮水平高于其他人，因此出现攻击性行为的风险较大。因实施暴力犯罪和强奸而被监禁的男性，其睾酮水平要高于那些犯了其他罪行的男性。就此而言，女性囚犯中也同样存在高睾酮水平和更严重攻击性之间的关联。男性囚犯和表现出反社会行为的新兵的睾酮水平更高，同样情况在曲棍球运动员身上也存在，这些运动员的攻击性倾向可以通过他们在一场比赛中拿着球棍击打其他队员的次数而反映出来。在他们身上，研究者们也发现了攻击性行为的次数和血液中睾酮水平之间的关联。因此，人们对于目前体坛中习惯性使用大量同化类固醇以增加肌肉团块的做法感到担忧，因为它们是增加攻击性行为的激素。

攻击性行为也受到了环境因素的影响。近年来的研究已经显示，电影和电脑游戏中的暴力可以增加攻击性行为。然而，我们不应该把注意力仅仅集中在这些影响上，读一篇关于上帝制裁性杀戮的《圣经》经文也会增加攻击性行为，不过这仅仅发生在信教的人群身上。诸如气温和光线等物理因素也会对我们的行为有很大影响。大家都听说过酷暑能引发攻击性情绪的爆发。结果是，是否发动一场战争并不是由军事战略决定的，而是由日光量的多少和气温的高低决定的。施赖伯（Schreiber）对于在过去3 500年间爆发的2 131场战争的研究显示了其中的季节性节律。几个世纪以来，在北半球做出的发动战争的决定大多数发生在夏季，在南半球的人们更喜欢在（荷兰的）冬季发起战争，而在赤道附近发动战争与季节无关。

当然，不利的社会环境以及缺乏教育也会导致攻击性行为和犯罪的行为，这些是多年以来仅有的被人们重视的因素。当人们指责意大利犯罪学家切萨雷·龙勃罗梭（Cesare Lombroso）对这些可能引发犯罪的社会因素关注得太少时，他回答道：“确实是这样，但这是因为已经有那么多人把注意力放在那些因素上了。正如现在再去证明太阳在发光一样，已经没什么意义了吧！”直到不久前在荷兰的情况也还是这样，但是司法部目前已经开始对除了社会因素以外的其他决定攻击性程度和犯罪风险的因素感兴趣了。

很多杀人犯都是精神病

有多少次，刑法系统违背了“不应将刑法施加给患有脑部疾病的人”的规则呢？

1843年，一个名叫麦克诺顿的人杀了人，让维多利亚时期的英国非常兴奋的是，他没有被送到监狱而是被送往一家精神病医院！从那以后，人们认可了刑法不适用于患有脑部疾病的患者，但是监狱里还是关满了患有精神或神经疾病的人。根据法医精神病学和青少年精神病学教授西奥·多勒雷尔斯（Theo Doreleijers）的研究，被预防性拘留的青少年中有90%患有精神障碍，30%有注意缺陷多动障碍。他称荷兰是关押青少年的欧洲冠军，其实法医的日常治疗帮助比监禁的效果要好得多。对于伴随攻击性行为的脑部疾病来说，脑内两个相互作用的区域尤为重要，即前额叶皮层和杏仁核。

大脑最前端部分的前额叶皮层抑制着人们的攻击性行为，对人们的道德判断起着至关重要的作用。前额叶皮层受到损伤的儿童很难学习道德和社会规则，前额叶皮层受到损伤的越南老兵行为会变得更加具有攻击性和暴力性，而冲动性杀人者的前额叶皮层活性也会降低。

曾有一位外科医生在对病人实施手术后把自己的名字刻在病人的肚子上，结果发现该医生已经处于皮克氏病的早期阶段，这种病是一种始于前额叶皮层的痴呆症。

精神分裂症是一种前额叶皮层活性降低的疾病，有时还会伴随攻击性行为。

欣克利（Hinckley）因为对里根总统的暗杀失败而被世人所知。他射出的子弹穿过里根左腋下，打穿了左肺，但是离心脏还有两厘米。欣克利的大脑扫描图已经在全世界范围内流传，它们清楚地显示了他的大脑萎缩，这是精神分裂症的典型表现。他目前仍然被关在监狱里。

还有一个例子是米亚伊洛·米亚伊洛维奇（Mijailo Mijailovic），一位没有服药的精神分裂症患者，在2003年杀害了瑞典外交部部长安娜·林德（Anna Lindh）。他声称自己是“被耶稣选中的”，是听到了耶稣的命令才去实施这次谋杀的。反过来看，攻击性行为可以是精神分裂症的首发症状。

大脑颞叶的前方是杏仁核，因其形状类似杏仁而得名，位于颞叶顶端。根据刺激杏仁核的具体位置和方式，可以抑制或者引起攻击性行为。西班牙研究人员德尔加多（Delgado）用实验证实了这种抑制效应，他通过远程控制电刺激器刺激一头正在进攻的公牛的杏仁核，使得公牛在他面前停住冲刺的步伐。如果抑制双侧杏仁核，那么即使是疯狂的阴沟鼠也会乖乖听话。一些精神病患者由于杏仁核的功能出现了紊乱，使得他们无法读懂受害者的面部表情，也无法对其产生同情。

1966年，查尔斯·惠特曼（Charles Whitman）在杀害了他的妻子和母亲后，又在得克萨斯州大学杀害了14人，伤了31人。后来的诊断发现，他的大脑颞叶中有一个肿瘤压迫了杏仁核。人们不禁会想，那些在公共场所里突然开枪扫射的人当中，有多少是患有脑部疾病的呢？

乌尔丽克·迈因霍夫（Ulrike Meinhof）是一位措辞激烈的记者，后来成为德国红军派（German Red Army Fraction）的创始人之一。这个组织杀害了34个人。迈因霍夫于1976年在被关押的监狱牢房中自杀。这个恐怖分子的脑血管中曾经长有一个动脉瘤，这根血管向外突起的薄弱处压迫了杏仁核，导致了永久性的损伤。脑外科医生在处理她的动脉瘤时，又损害了她的前额叶皮层。因此她有两个理由可以解释她的攻击性行为和犯罪行为。

其他伴随攻击性行为的脑部疾病还包括情绪障碍、边缘性人格障碍、精神发育迟滞、多发性硬化症、帕金森氏病和亨廷顿氏病等，有的痴呆症患者也可能具有攻击性。

2003年，荷兰发生了一宗一名80岁的女性痴呆症患者杀害了她81岁的也患有痴呆症的室友的案件。人们在厕所发现了这个完全糊涂的凶手，当一位护士护送她回到她自己的床位时才发现了受害者的尸体。幸运的是，检察官决定不对她进行起诉。

刑罚是为大脑健全的人设立的

正义女神应该向医学学习如何以设立良好对照组的实验为基础进行“循证性”的工作。

刑法是为大脑健全的人设立的，这条原则也具有生物学基础。正如荷兰灵长类动物学家和生态学家弗朗斯·德·瓦尔所记叙的那样，猕猴们会惩罚群体中任何一只不遵守规矩的成员，但是一只患有唐氏综合征的弱智猕猴却被允许去随心所欲地做任何其他猴子不被允许做的事。

尽管我们应该只惩罚那些大脑健全的人，但是根据法医精神病学和青少年精神病学教授西奥·多勒雷尔斯在1997年就得出的结论，被拘留的少年犯中有65%都患有精神疾病，而其中要求做诊断性检查的人还不到一半。我们能相信这样的孩子可以对他们的行动负责吗？对儿童进行性虐待的人往往以前就是性虐待的受害者。在他们走上同样的道路后，他们应该承担什么样的责任呢？一个大脑在突然间性激素泛滥，使得脑的每个部分的功能都发生了改变的青少年，又应该如何承担责任呢？青春期的孩子必须学会适应他的全新的大脑，而那时负责控制他们冲动行为和促进他们道德行为的前额叶皮层还很不成熟。此外，那些因为DNA出现微小变异或是因为在子宫内营养不良而导致的药物成瘾者，他们又应该怎样去承担责任呢？

因此，基于个体的自我责任感的道德审判和刑罚是站不住脚的。然而，道德感已经深深扎根于我们进化发展的过程中了，因为它对一个群体的生存具有至关重要的作用。虽然认为“道德审判和刑罚可以使人们对自己的行动负责”的这个概念只是一种错觉，但是与惯常的想法相反的是，人们大脑中的程序已经被编好了，而且也并不能作为反对刑罚的论据。大脑在下一次遇到类似情形时，会将从前所有有效的惩罚收录到无意识的决策过程中考虑，以决定是否要重复那些特别的行动。此外，刑罚也具有与个人责任无关的方面。社会要求司法体系令人满意，刑罚的目的是保护民众不受到罪犯的侵害，还能对潜在的罪犯起警告的作用。

人们对关于攻击性或犯罪行为的神经生物学风险因素的认知，通常都是基于一组具有特定特征的个体。这就意味着人们无法肯定地告诉法庭，是某个特别的因素导致了某个特别的个体实施犯罪行为。有人认为，这会降低采用神经生物学知识协助定罪或是实施预防性拘留的实际可操作性。

荷兰著名的刑事律师约博·布鲁马（Ybo Buruma）教授在《新鹿特丹商报》中给出了相当公正的评论：“法官和医生一样，都在处理个体。”不过接下来，他又得出了完全错误的结论：“我觉得这些知识很了不起，但是如果它们对于我们在法庭上审判个案没有什么帮助，那么它们对我们来说就没什么用处。”他是把法律作为一门科学的水平降回到100年前医生们所处的水平，那时的医生们也是全心全意地根据病人的个体情况来实施治疗，但是并不能看出治疗产生了什么样的效果。医学界从中吸取了教训。目前的循证医学总是基于一组定义明确的病人的疗效而对病人进行治疗。你永远都不会知道你为其开药的那个病人是属于95%的会被治愈的人，还是属于那5%的会产生严重副作用甚至还可能丢掉性命的人，但你还是会采用基于对一组病人研究和治疗结果的数据而形成的治疗方法去治疗一个特别的个体。

我们应该以相同的方式寻找那些在一个特别的组群内决定攻击性和犯罪行为的因素，以及这一群体对于人们的预防性措施和不同类型惩罚的反应性。只有在这样的组群数据的基础上，我们才能对个体做出理由充分的预测。虽然这种预测对于该个体不能具有100%的确定性，但是至少可以正确判断该个体属于哪个群体。遗憾的是，正义女神还没有认识到这一点，她总是不断地进行着新的惩罚方式的实验，从社区服务到严苛的劳教所，但由于在实验中没有设置良好的对照组，因此这些惩罚方法的效果一直饱受争议。

在睡梦中，平时温和的人也会杀人

我们所有人——即使是好人，在睡觉时都会表现出无法无天的野兽本性。

——柏拉图，《理想国》

在睡眠的过程中，做梦时会伴随着眼球的快速运动，因此这段睡眠也被称为快动眼睡眠。由于这个睡眠阶段具有清醒时的脑电图表现，因此也被称为“异相睡眠”。这种典型的脑电图和快速眼球运动的结合是阿瑟林斯基（Aserinsky）在1952年发现的，当时他在监测他的小儿子的快动眼睡眠。不过，人在快动眼睡眠以外的其他睡眠阶段也会做梦。

在做梦睡眠阶段，人们会表现出很多精神疾病和神经疾病的特征。高级视觉中枢被激活，人们会像精神分裂症病人那样出现幻觉，还会经历世界上最稀奇古怪的事情，那些物理规律和日常生活规则在梦里不再适用。梦常常会携带着富有情感的或是攻击性的内容，因此，攻击性行为的中枢杏仁核在这些过程中被激活是毫不奇怪的。在做梦的过程中，人们会创造出不同的故事，就像一个患有酒精性痴呆的病人用从未发生过的故事来填补自己记忆中的空白一样。几分钟之后，人们就会忘记自己在梦中经历过的一切，就像患有严重痴呆症的病人那样。做梦时，肌肉张力消失，如同猝睡症患者在白天清醒状态下猝倒发作，所有的肌张力都会消失。

睡眠时肌张力会消失不是没有原因的，保持肌张力会导致睡眠时的运动。例如，梦游者是处于深度睡眠中的，但是他们保持着正常的肌肉张力，他们会进行一些自动的，具有半目的性的活动（例如走路）。他们对于做过什么是毫无意识的，事后也丝毫回忆不起来曾经做过什么。对于梦游症病人进行的脑扫描研究显示，在睡眠过程中他们大部分的大脑皮层的确没有被激活。法国科学家米歇尔·朱维特（Michel Jouvet）在动物实验中通过对脑干制造小型损伤而破坏负责睡眠期间肌肉放松的神经元，这样一来，动物即使在做梦期间也会进行活动。在实验过程中，一只猫在做梦时睁着双眼跳起来去抓它假想的猎物，但是对周围环境缺乏任何意识。在做梦期间，这只猫对摆在它面前的美味的猫食一点儿都不感兴趣，也不会有意识地把放在它皮毛上的残渣弄走，而它在醒着的时候就会自动地梳理自己的皮毛。经过这种脑干损伤处理的老鼠在梦中会和一些不存在的老鼠一起玩耍，而松鼠则会把假想的坚果挖出来。

这种对动物进行实验性脑干损伤而观察到的在做梦期间所进行的复杂的活动，在人类身上也存在着，有时还可能会出现攻击性行为。

一位妇女告诉我：“3年前我丈夫的压力过大，晚上我们睡觉的时候，我会被他发出的奇怪的响声弄醒。听上去他像是处于危险之中，但是我发现他只是睡得很沉而已。我想让他平静下来，就轻轻地拍他的头。哦，那可不得了了——他竟然一下子抓住我的喉咙，想要掐我。因为我那时已经完全醒过来了，我把我丈夫喊醒。在我告诉他发生的事情后他害怕极了，不敢再睡觉。他告诉我他感到自己被袭击了，因此必须自卫。在这次做梦事件之后，他又有过几次类似的做梦经历，每一次我都会被他发出的响声弄醒。我得和他保持一定的距离，然后非常温柔地拍他的头，这样他就可以平静下来。眼下，他感觉好多了，那些梦也再没有出现。我们和孩子以及朋友都谈论过这些经历，想知道如果当时我无法从他的手中挣脱出来将会发生什么情况。他会被关进监狱吗？这是个问题。”

法官会根据被告的犯罪活动是在熟睡期间进行的而将其判为无罪。有些人的确可以在熟睡期间做出非常复杂的活动而自己却一点儿意识都没有，在这些人中有90%都是男性。这样的活动通常发生在从快动眼睡眠期过渡到其他睡眠阶段的时候，而且完全是自动进行的。在熟睡期间被指控犯过的罪行包括盗窃、强奸、企图杀人以及自杀。出现了这些情况的人有的患有神经疾病（如猝睡症）或是帕金森综合征，几乎没有精神疾病。高烧、酒精、睡眠不足、压力或者药物也可能诱发这样的情况。有些梦游者会在梦游期间表现出极端暴力的行为，但在清醒时却是很温和的。

1987年，肯尼斯·帕克在熟睡中开车23公里，并重击了岳母的头部导致其死亡。当他以同样的方式马上要杀死自己的岳父时醒了过来，于是到警察局投案自首，后来被宣判为无罪。

朱利叶斯·洛韦是一个经常梦游的人，在一次梦游时杀死了自己非常敬爱的82岁的父亲。

梦游者巴特勒在睡眠迷糊的状态下开枪杀死了他的妻子，但是后来被判为有罪。

59岁的英国人布莱恩·托马斯在2008年度假时，掐死了与自己结婚已有40年的妻子。他在法庭上说他梦见自己抓住了一个闯入旅行队的强盗，并和他厮打。托马斯从幼年起就饱受睡眠问题的困扰，还经常梦游和失眠。为此他服用了一些药物，但是这些药物的副作用是使他阳痿。由于他想在度假时与妻子共度良宵，因此他暂时停止了服药。在法官判定他由于睡眠紊乱无法对这场悲剧负责后，检察机关撤回了对托马斯的起诉。

迄今为止，一共有68起梦游者杀人案件被记载了下来。任何想证明自己是在熟睡期间犯罪的人，都需要经受一系列由非常有资历的专家主持的睡眠实验，还需要一位出色的律师。不过，由于显然不大可能去毫无疑义地证明一件罪行的确是在犯罪者熟睡状态下实施的，因此法官在大多数情况下都很不情愿判定罪犯是无罪的，而人们又是无法因此而谴责这些法官的。

第10章
自闭症

天才和精神病之间有什么区别

“你在画什么呢？”我充满好奇地问。“数字π。”他回答说。

丹尼尔·塔米特（Daniel Tammet）患有亚斯伯格症候群 [1] ，这是一种与高智商相结合的自闭症类型。丹尼尔不但是学者症候群 [2] 患者，而且他的数字和语言天赋都超乎寻常。2004年，他创下了一项世界纪录：在5小时9分钟内准确无误地背出了π的小数点后22 514位数字。他仅仅花了3个月的时间就记住了这一系列的数字。

自闭症患者通常通过图像思考，这一能力被称为联觉 [3] ，丹尼尔也具有这一能力，他将他出生的那个星期三视为蓝色的，因此他将他的书命名为《星期三是蓝色的》（Born on a Blue Day ） [4] 。对他来说，字母和数字都有颜色，而且他在看数字的时候不仅有颜色，还有不同的形状和大小，他可以认出直到9 973的每一位素数的晶体结构。

在他的书被翻译为荷兰语并在荷兰出版之前，我和他共处了几天。丹尼尔骄傲地告诉我，他现在还能绘画了。“你在画什么呢？”我充满好奇地问。“数字π。”他回答说。他将π的小数点之后的一系列数字视为山峦一样的风景。

联觉涉及不同大脑皮层之间强化的纤维联系，使通常负责视觉的大脑皮层接受计算的信息。困难的计算被翻译为图像时会变得非常简单易解。丹尼尔还可以在一星期内学会一门新语言，哪怕是非常难学的冰岛语都可以。极好的社交才能使得丹尼尔成为一名独特的“学者”，而这种技巧几乎在每个患有这种疾病的病人身上都是不具备的。

在他的书中，他生动地描述了他童年时的孤独，他是多么想拥有朋友，但是由于自己的与众不同而被他人排斥在外，以及他在孩提时代通过思索数字来对付大量的恐惧的感觉，因为他觉得数字是他唯一真诚的朋友。他还叙述了他对于秩序和整齐的强迫性的需求，他说他一直未从这种状态中解脱出来。每天他都必须在完全相同的时间称出45克重的粥吃，还要饮一杯茶，否则他就会感到焦虑。这些都是亚斯伯格症候群的典型症状，而在从前，它们从来没有被如此富有同情心和共情地描述过。丹尼尔的书之所以引人入胜，在于书中描述的都是他亲身经历的、感人的故事——一个具有这些天赋的孩子失去了什么，他的成长阶段是多么艰难，他是如何一步一步地克服自己社交技巧的缺陷并最终成长为一位完全独立的男子汉的。丹尼尔如今在互联网上开设了各种语言教程来养活自己。自闭症患者通过互联网交流要比与人面对面地交往容易得多。

几年前，演员达斯汀·霍夫曼在电影《雨人》中非常出色地扮演了一位自闭症患者，其角色的原型为金·皮克（Kim Peek）。和皮克的会面是丹尼尔·塔米特人生中的一段美好而难忘的时光。这次会面是BBC（英国广播公司）的一部纪录片摄制的一部分，丹尼尔在片中要在拉斯维加斯的赌场通过算牌而设法赢钱——就像《雨人》中的那个自闭症者所做的那样。一开始他输掉了大笔的钱，但是接下来他开始相信自己的直觉。之后，他做出了正确的选择，赢了一次又一次。完成这部纪录片之后，丹尼尔被人们称为“脑人”，这当然是对他杰出的认知能力的赞誉，但是这个昵称并没有触及丹尼尔最非同寻常的方面，即他以巨大的洞察力和勇气克服了那么多的障碍，并成为一位具有良好社会交往能力的，而且格外具有同情心的“学者”。

阅读丹尼尔的这本书时，你经常会出现这样的感觉：大脑的正常功能和精神病之间的界限其实是很朦胧的，那些从来没有被贴上亚斯伯格症候群或学者症候群标签的天才与这些“学者”的关联是多么紧密。毕加索对于阅读、写字和算术感到有极大的困难。爱因斯坦的语言发育过程十分缓慢，而且他还使用精神意象来解决困难的物理问题。精神病人和具有超乎寻常天赋的人之间仅仅只有一条极细的分界线，而且还要取决于环境给他们做什么样的标记。

不是孩子带得不好才自闭

自闭症还是在最近才被认为是大脑的发育性疾病的，其基础在母亲子宫内就已经出现了。

自闭症的特征是社会交往出现严重障碍以及活动和兴趣的全面严重性减少。自闭症最早是在1943年由巴尔的摩的里奥·康纳（Leo Kanner）提出的。1944年，维也纳的汉斯·亚斯伯格（Hans Asperger）也独立描述了此病。虽然他们两人都称这一疾病为自闭症，但是他俩的描述之间还是存在着很大的差异。康纳所描述的自闭症孩子很少说话，有智力缺陷，而且还经常伴有一些神经病学的症状。亚斯伯格所描绘的孩子却像是“智能机器”，语言能力早熟，能描述自己的经历和感情，而且不存在智力迟钝。亚斯伯格的论文在一开始没有受到任何关注，直到1981年才有人提出，具有正常智力的自闭症患者应该被称为“亚斯伯格症候群患者”。

自闭症患者的大脑发育过程是不正常的。在2～4岁的时候，患者的脑体积一开始会变得过大，接下来一些脑区的生长速度将过慢，其他的脑区则会过早停止生长。自闭症的最重要病因是遗传因素。丹尼尔·塔米特，这位具有天赋的“脑人”有一位名叫史蒂文的弟弟也患有亚斯伯格症候群，他对红辣椒乐队 [5] 有着如百科全书般的了解。丹尼尔的爸爸多次在精神病院住院，其祖父患有癫痫，而且还很严重，一位精神病医生甚至建议丹尼尔的祖母和他祖父离婚。除了遗传因素以外，罹患自闭症的风险还会因胎儿在母亲子宫内出现代谢性或感染性疾病、父母一方或双方在生育该婴儿时的年龄过大以及婴儿出生时缺氧等因素而增高。

自闭症的症状出现在三岁左右。患儿无法同其他人交流，还会由于小脑发育出现障碍而存在运动问题。他们笨拙地表现出一些刻板的行为，例如拍手或者踮着脚尖走路。丹尼尔·塔米特描述了他是多么想拥有朋友，而实现这个梦想又是多么的不可能，因为他是位“另类”。他和美国的一位患有自闭症的女教授天宝·葛兰汀（Temple Grandin）一样，都虚构过一些朋友来做伴。团体性的体育活动会为自闭症患者带来巨大的问题。丹尼尔痛恨足球和英式橄榄球活动，他总是最后一位被选入队伍的人。不过，他很擅长蹦床运动和国际象棋。他在13岁时跟他父亲学会了下国际象棋，并在第一次交手时就战胜了父亲。

自闭症患者不善于体验感情和共情。当看到对方哭泣时，他们很难理解究竟发生了什么事。根据天宝·葛兰汀的描述，她的情感“回路”简直就是断电了。的确，科学家们如今已经发现所有的自闭症患者的掌管社会交往的脑区都出现了紊乱，在这些区域中，化学信使抗利尿激素和催产素都起到了很重要的作用。另外，自闭症患者还难以应对身体上的接触，尽管他们很需要这些接触。天宝·葛兰汀，这个设计动物医学仪器的人，为此找到了一种专业的解决之道。她制作了一个“拥抱机器”，她可以躺在这个机器里面，让机器的侧面以一种可控的方式挤压她。自闭症患者也可能对某些声音极为敏感。丹尼尔说在他童年时，刷牙的声音几乎可以把他逼疯，因此他在刷牙的时候就用棉花塞住耳朵。他还告诉我，现在他用电动牙刷刷牙，这样问题就小多了。此外，自闭症患者的注意力有时可以高度集中，以至于听不见任何声音。丹尼尔说，有一次他获奖时，市长问他叫什么名字，但是他一点儿都没有听见，因为他正集中精力数着市长身上佩戴的荣誉项链上的环扣数目。

自闭症还是在最近才被认为是大脑的发育性疾病的，当胎儿还在母亲子宫中时就已经出现自闭症的先兆了。仅仅在30年以前，我听说在一次漫长的由精神科医生和心理学家共同主持的研究之后，一对父母被告知他们的孩子被诊断为自闭症。这个孩子从出生时就显得与众不同。同时，这些研究者还告诉这对父母，疾病产生是由于父母养育孩子的方式不当。这是康纳的过错，因为他辩称自闭症是孩子对缺乏和母亲温暖接触的一种反应。直到1960年，他仍然声称那些自闭症儿童的“冰柜母亲”仅仅是为了怀个孩子而短暂地解冻过一次。他的这种荒谬的概念使多少自闭症患儿的父母遭受到双重的打击啊！

自闭天才可能只是个传说

患有自闭症的人有时会表现出某种天赋，但是只有像丹尼尔·塔米特那样的特例，才会出现多层面的天赋。

10%的患有自闭症的儿童都会表现出学者症候群的特征，他们如同一群特殊的天才，有着不同的天赋。这种天赋通常都是高度专门化的技能，一旦有合适的刺激出现就可以被自动开启。然而，很少有孩子在成年后仍然具有创造性，因为他们拥有的天赋类型和他们的个性都不适合创造性的活动。约有一半的学者症候群患者都具有一种自闭症系列的障碍，而其余的患者则具有脑损伤或者脑疾病。

一位“学者”的天赋可能呈现着很大的局限性。乔治和查尔斯都是日历专家，但是他们却不会正常地数数，只能简单地“看见”在一个特定的年份的某一个特殊的日子是星期几。“学者”能够在无意识的状态下应用算法，但并非所有关于他们天赋的故事都具有可信度。

奥利弗·萨克斯（Oliver Sacks）曾描述过一对双胞胎自闭症患者，他们能够“看见”从火柴盒里掉出来的火柴的精确数字——111根。他们还能注意到数字111等于质数37的三倍。在电影《雨人》中牙签的数量更大，达到246，还有4根躺在盒子里。

丹尼尔·塔米特并不相信萨克斯的故事 [6] 。任何人都不可能完成这个任务，就连金·皮克也不可能。丹尼尔说，这么多的火柴相互叠加在一起，你根本没法“看见”正确的数字。

萨克斯在同一本书中还描述了那对双胞胎的智商只有60，无法做简单的算术，但是他们能向对方说出越来越大的质数。当萨克斯拿了一本关于质数的书加入他们时，这对双胞胎非常高兴。当他们已经说到了12位数的质数时发现，萨克斯的那本书里的质数最高只有10位数。

丹尼尔再次对此表示怀疑，他认为并没有这么一本写有一系列质数的书。最近，当有人询问萨克斯那本书的书名时，萨克斯说那本书已经消失了！

当一个人具有某种独特的天赋但智商比常人低时（IQ为30～70），人们就会称他为“学者”。这是朗顿·唐（Langdon Down）在1887年发明的术语，他还附加说，他从未见过一例女性的白痴专家。事实上，女性“学者”的确是存在的（例如本章最后的那个名为娜迪亚的女孩），但是男孩占了绝大多数。雷斯利·莱姆克（Leslie Lemke）就是一个例子。

雷斯利是一个早产男婴，失明，患有脑瘫，左前额叶异常。7岁时，他的母亲让他摸了一会儿钢琴键，一年之内他就可以演奏6种乐器。14岁时，他在一部电影中听到了柴可夫斯基的《第一钢琴协奏曲》，第二天早上他就能将整个曲目完美地弹奏出来。他以极好的即兴演奏天赋而闻名。一段音乐只要他听过一遍，就能毫无困难地即兴创作出一段具有那位作曲家风格的音乐。他举办过很多场古典音乐会，但是他有很严重的智力缺陷——智商仅为58。

有的患有自闭症的人会具有天赋，但是只有像丹尼尔·塔米特那样的例外才能具有多层面的天赋。非凡的天赋通常在男孩身上出现，主要表现在艺术、音乐、日历计算或者闪电般快速的心算方面，而且还常常伴有惊人的记忆力。一位日本的“学者”旅行了几个月后，极为具体地画出了他在旅途中所看见的事物。“学者”似乎能够将所有进入短时记忆的信息储存到长时记忆中去。他们可以记住大量的琐碎的事实，例如车牌号、铁路时刻表，而且似乎无法忘记信息。不过，丹尼尔说他如今无法再背出成千上万的π的数位了，他必须再花工夫背诵才行。超常的记忆能力并不足以让我们称一个人为“学者”，这个人还必须同时具有实际的天赋。

斯蒂芬·威尔夏（Stephen Wiltshire）是一位语言智商只有52的自闭症患者。他以他的绘画“伦敦字母表”而闻名于世，这是他在10岁时创作的有关伦敦建筑的26幅卓越的绘画作品。后来他又画了纽约、威尼斯、阿姆斯特丹、莫斯科和列宁格勒（圣彼得堡）。有一次，他乘着直升机在罗马城市上空停留了45分钟，之后他就画出一幅两米长的巨幅画作，其中描绘了这座城市里的每一座房子、每一扇窗户和每一根柱子，就像拍照记录的那样精准。由于他作画的这种自动机械式的方式，他被人们比喻为“一台印刷机”。

艺术家类型的“学者”总是对一种特殊的主题和专门的技术具有强烈的偏爱。令人惊奇的是，他们几乎从来不画人物，负责社会交往的大脑是他们的弱点。

每个人的大脑中都有一个“小雨人”

幼年时，大脑受损似乎能有助于发展为“学者”，因为那时大脑还有能力与其他脑结构建立联系。

有不少理论试图解释学者症候群症状的神经生物学背景。如果没有大脑损伤，尤其是左侧大脑没有出现损伤，那么他们的这些超常的天赋就几乎永远都不会发展出来。大脑损伤可以强化与其他脑结构之间的联系，导致负责视觉的大脑视皮层功能超乎寻常。

的确有证据支持这一假说，例如金·皮克的左半脑就受过损伤。金·皮克的脑中没有左右脑的连接。他可以同时快速读完两页毫不相关的内容，每只眼睛分管一页。就是凭借这样的本领，他读完了9 000多本关于美国历史的图书，而且还能过目不忘。不过他在生活中却不能自理，完全依赖父亲每天照料他。

自闭症患者经常出现癫痫。“脑人”丹尼尔·塔米特在4岁时首次出现严重的癫痫发作，之后通过服用药物“安定”得到了有效治疗。他罹患的是左半脑颞叶癫痫，这可以解释为什么他会在7岁左右出现强迫性书写以及之后出现宗教信念。左半脑的损伤可以导致右半脑功能的代偿性提升，因此激活数学天赋，但是丹尼尔在癫痫后并没有出现左半脑永久性损伤的体征，而且更让人意外的是，他还是一位语言天才。

有一种理论认为，每个人都可能拥有“学者”的天赋，它们位于大脑皮层下方“较低”的脑区，但是会受到“较高”脑区活动的抑制。研究者达罗德·特里弗特（Darold Treffert）将其称作“小雨人”，并认为每个人的大脑中都有一个“小雨人”。这些隐藏着的天赋将在这些参与较高级功能的大脑活动“断电”时被释放出来。有些人患有一种始于左侧额叶的痴呆症，他们在病程中会发展出类似于学者症候群的特征，例如强迫性绘画。随着他们的创造力的爆发，语言和社会交往能力将会丧失。他们最为活跃的大脑区域是位于右侧大脑后部的视觉皮层。在对健康被试采用磁刺激来“关闭”左侧额颞叶脑区功能后，一部分人会出现诸如绘画、数学和日历计算等大脑功能的改善。然而，这些大脑功能的改善是非常适度的，也不会做出特别的艺术业绩。因此，这种“每个人的大脑中都有一个小雨人”的观点并不能解释出现学者症候群的原因，而且它还忽略了学者症候群的遗传背景。

幼年时受到脑损伤似乎比在长大后受到脑损伤能更有效地发展出“学者”的天赋，这可能是由于大脑在幼年的时候仍然可以有效地与大脑的其他结构建立新的联系的缘故。一位日本的“学者”在4岁时患了百日咳和麻疹，之后他的语言和说话能力都延迟发育，但是在11岁时他能画出美丽的昆虫。

有些假说认为，“学者”的天赋完全建立在训练的基础上。丹尼尔开玩笑说，他数数数得这么好是因为他出生在一个有着9个孩子的家庭中。的确，自闭症专家的天赋能发展到那么高的专业水平是因为他们能够高度集中注意力并痴迷于训练。不过，他们首先需要具备这些天赋。天赋也可以在一些非常幼小的儿童身上展现，他们既可以是“学者”，也可以是像莫扎特一样的神童，而这一事实恰好反驳了训练假说。当年幼的莫扎特在罗马圣彼得教堂听到作曲家格雷戈里奥·阿列格里所写的合唱曲《求主怜悯》时，他做了一些记录，然后在旅店里凭记忆写下了这部乐曲，因此忽视了教皇的禁令。斯蒂芬·威尔夏7岁时就能画出美丽的图画，但是之后他的这一天赋并没有得到更进一步的发展。有的日历计算家在6岁时就展露出了天赋。

这些天赋经常会在成长的过程中消失。自闭症患者娜迪亚在3～7岁时具有超常的绘画天才。最初她画的是马和其他动物，后来开始画人。9岁以后，她的这个天赋消失了。显然，左半脑语言功能的发展提高是以绘画天赋的消失为代价的。在这一方面，丹尼尔·塔米特再次是一个例外。在他的社交能力提高的同时，他的数字和语言天赋仍得以保持。丹尼尔的确拥有一个从各方面来说都极为非凡的大脑。

注解：

[1] 　亚斯伯格症候群可归类为自闭症，被普遍认为是“没有智力障碍的自闭症”。这类患者视觉和背诵方面的表现普遍良好，但兴趣范围狭窄，有社交困难。——编者注

[2] 　学者症候群，指有认知障碍，但在某一方面，如对某种艺术有超乎常人的能力。自闭症患者中有10%患有学者症候群（故又称自闭学者）。——编者注

[3] 　联觉，指各种感觉相互作用的心理现象，即对一种感官的刺激触发另一种感觉。最常见的是“色–听”联觉，即对色彩的感觉能引起相应的听觉。——编者注

[4] 　此书由万卷出版公司于2011年出版。——编者注

[5] 　1983年成立于加州洛杉矶的美国另类摇滚乐团。——编者注

[6] 　关于丹尼尔对萨克斯的质疑，可参看由万卷出版公司于2011年出版的《我的IQ150》，丹尼尔·塔米特著。——编者注

第11章
精神分裂与幻觉

我和疯子的唯一的区别就在于，疯子们总认为自己是正常人，而我认为自己是一个疯子。

——萨尔瓦多·达利

精神分裂，任何时代和文化都存在的疾病

耶稣来到湖对岸的加大拉地区，遇见一个被鬼附体的人。这个人极其凶恶，因此没有人敢走这条路。他见了耶稣，立刻喊着说：“上帝的儿子，你为什么要让我受苦？时辰还没到，你就来折磨我吗？”当时，有一大群猪在附近吃东西。鬼知道将来有一天它会被扔进地狱，受到上帝的刑罚，于是就央求耶稣说：“如果你要赶我们出去，就打发我们进猪群里去吧。”耶稣说：“去吧！”鬼进了猪群，猪群冲下山崖，窜到湖里，全都淹死了。

——缩略自《马太福音》

从古至今，人们用来“治疗”精神分裂症的手段可谓五花八门。在中国，人们曾挖出过一批距今4 000多年的头盖骨化石，这些头骨上遗留着些许钻孔。经考证，钻这些孔是为了让邪魔从精神分裂症患者的头部逃离出去。在某些头骨上可以看到，被钻孔的地方又长了一些骨头，这表明患者在术后仍然存活了相当长的一段时间。耶稣是驱魔先驱者之一（见本节的引言）。直到1970年左右，天主教会仍然保留着驱魔师这一神职。在那之后，这个位置渐渐消失，但是依然会有祝圣司铎发挥着驱魔师的作用，而且他们通常是由天主教会的主教任命的。在新教教会里，这一职务则常常是由非神职管理人员担当。在伊斯兰教中也有类似的职务。荷兰原议员阿扬·阿里（Ayaan Ali）的妹妹在荷兰时曾接受过抗精神病药物治疗，但是回到索马里之后，她落到伊斯兰教士手中，他们把她关进一个只有一张床垫的空房间里。他们把她的药拿走，并对她做了一种仪式，在仪式期间，他们击打她，试图将她体内的恶魔驱赶出去，这使她不幸丧命。

在马德里的普拉多博物馆，我们能看到中世纪画家耶伦·波什（Jeroen Bosch）的一幅油画，这幅画描绘了一个专家小组做开颅手术时的情况。画中的医生假装从一位精神分裂症患者的头中取出了一块石头，但这仅仅是“安慰剂手术”。波什在这名医生的头顶画了一个倒置的漏斗，这表示他是一个骗子，医生的身旁站着一位头顶《圣经》的修女，说明教会是这种骗局的同谋。从荷兰登博斯的一家建于1422年的精神病院门前的牌匾上可以看出，当时的荷兰精神分裂症患者要被关进监狱。家人只有在周日花点儿钱给守卫才能进去探望一下“疯子”。

20世纪二三十年代，我母亲在17岁时学习过精神病护理学，她目睹了身着紧身衣的患者被绑在浴盆里，医生用忽冷忽热的水交替地冲他们身体的疗法。母亲对我说，她永远都忘不了病人无休止地用头撞击浴盆边缘的声音，那是那些病人唯一能做的动作。直到20世纪50年代末期，精神分裂症患者还在接受额叶切除术的“治疗”。这种手术在门诊就可以做，医生切断患者前额叶皮质与大脑其他部分的连接。患者在术后只会乖乖地坐在椅子里，完全失去了主动性，因此这种手术被描述为“部分性安乐死”。这当然能使护理工作更容易一些，因此这种手术在当时相当盛行（见第14章第1节）。随后，新开发的抗精神分裂症药物取代了这种恐怖的手术。

在中国的医院里，家属都坐在患者的病床边，这既能协助护理工作又能确保患者在任何时候都不会缺少想要的东西。如果家属无法在场，就会安排一位护工来做这种工作。这是中国医院之所以有一种温馨的但又有点儿乱糟糟的感觉的原因。然而在封闭的精神病病区中，情况就完全不同了。我在那种病区里行走时，会想起电影《飞越疯人院》。在一间巨大的病房里，面对面地摆放着两排似乎望不到尽头的病床，床上的被单被褥都是统一的。每张床边都挂着统一的毛巾，床头柜上摆放着统一模样的杯子。除此之外，病人们没有任何其他个人物品。男病人身着统一的条纹病号服。没有家属来探望他们，有一种像是被家人抛弃的感觉。我可能是这么多年来第一个到这个精神病病区的来访者，而且还是位外国人。有一位病人曾是船员，他的英语十分流利。他去过世界上很多地方，包括荷兰的鹿特丹。于是，他充当了我与那些激动的、推挤并拉扯着我的胳膊、试图吸引我注意的病人之间的翻译。那些病人的经历令人印象深刻，也让人倍感忧伤，但是总体来说，和荷兰精神病人的经历并没有差别。与他们离别，将他们留在身后的孤寂中对我来说真是一种极其艰难的经历。

随后我去了雅加达，计划在那里进行一系列演讲。来机场接我的是一位年轻的司机，车里大声地播放着电子摇滚乐。当我小心翼翼地询问他是否可以调低一点音量时，他善解人意地笑着去做了，并问我喜欢什么类型的音乐。“莫扎特的《安魂曲》。”我回答，我觉得这个回答可能会让他安静下来。第二天早晨，他来接我去做第一场演讲。在拥堵的路上，司机竟然放起了莫扎特的《安魂曲》！我必须承认，我被他的举动深深地感动了。第二天，我们又遇上堵车，他开始询问我有关精神分裂症的治疗方法和建议。他哥哥患有精神分裂症并待在家里。当哥哥的情况变得很糟糕时，他们就会喂几滴氟哌啶醇给他吃，这种药物的价格十分昂贵，因此这一瓶药持续用了好几年。我问他是如何存放那瓶药的，他回答说：“就搁在房间里。”由于雅加达的室温不是那么宜人，因此我告诉他这种存放方式可能不妥，存放了那么长时间的药可能会失效，甚至产生毒性。他踌躇了一下，回答说：“哦！怪不得呢！”最近，他哥哥吃完药后一点儿效果都没有，于是他给一只鹦鹉喂了一滴药，结果鹦鹉当场摔倒在地，死了。

还有比这更糟的。2005年，荷兰阿姆斯特丹世界新闻摄影比赛的获奖作品展示了一名18岁的孟加拉国男孩被独自关在精神病院的一间空荡荡的房间里的情形。他躺在石头地板上，全身上下只有一条短裤。他的双腿被牢牢地固定在木块之间，就像在中世纪受刑一样。他的双臂绝望地抬起，拳头紧握，他的脸扭曲成极度痛苦的怪相。这家“医院”可能还有24间这样的病房，据医院负责人介绍，自1880年建院以来，他们用这种方法“治愈”了数千名患者。

相比较而言，荷兰精神病患者所受的痛苦比世界上很多地方的病人都小得多。不过，荷兰政府不应因此而立法削减精神病院的预算，否则只会使医生更多地使用隔离病房 [1] ，而这种隔离只会使病人的病情更加恶化。

精神分裂症的症状

我们对未来抱有希望……采用有机化学或者内分泌学的方法研究精神病。尽管这还是一幅理想的蓝图，但是我们现在就需要开始分析研究每一种类型的精神病，因为从中所获得的知识可以指导我们开发出抗精神病的化学药物。

——弗洛伊德写给玛丽·波拿巴的信，1930年

人群中的精神分裂症患病率为1%，但是由于其病程漫长，这些病人几乎占据了所有精神病院的一半床位。精神分裂症患者常常伴随着抑郁、无望，10%的患者企图自杀，而患者的自杀对于家庭来说无疑是额外的灾难。依然健在的家庭成员们试图在这种可怕的境况中相互支持，他们团结起来聚集在一个名叫“伊希龙协会”（Devereniging Ypsilon）的组织中，编写了一本关于这个主题的书，名为《他们通向死亡的路》，由维拉·考希尔（Vellah Colcher）担任主编。

精神分裂症的症状有两种，其一是阳性症状，正常人不会出现这些症状，例如妄想和幻觉。精神病患者可以看到并不存在的事物，或者听到有人和他说话（例如：“后来，在我失业之后，我就感到房间里产生了好几种声音……我还能听到脑袋里有不同的声音，有时非常激烈、撕心裂肺。”）。脑扫描检查发现，在病人出现幻觉期间，正常处理声音和图像信息的脑区被过度激活，这就是他们无法区分幻觉和现实的原因，因为幻觉产生于正常情况下接受外部世界刺激的相同的脑区。还有一些病人会产生妄想，觉得有人在监视他，或是某种神秘的力量在控制他（例如：“在工作的最后一周及之后的两周内，我不自觉地被一个高度发达的系统处理着……此外，我的大脑受到一种设备的控制，使我可以通过发送的脑电波来与街上的行人交流。”）。有一位精神分裂症患者在精神错乱的状态下认为自己能够飞翔，她猛地从窗口“飞”出去，坠地身亡。在出现幻听时，病人会听到一些命令，使得病人有时不得不抵抗它。有的病人甚至被“召唤”去杀人，瑞典前外交部长安娜·林德遇袭身亡的案件就是如此。凶手是一名精神分裂症患者，他没有服药，而且接收到了“来自耶稣的命令（杀死林德）”。要是在所谓的文明国家（例如美国和日本），这样的病人可能会被判处死刑。

精神分裂症还可以表现出阴性症状，指患者失去了一些正常人的特征，例如主动性、安排生活、清理房间以及照料自己。病人还会表现出感情淡漠、认知能力衰退等症状。很多患者最终会成为城市中无家可归、到处流浪、被社会遗忘、风餐露宿的人。他们经常使用成瘾物质，在疾病早期，这些物质可能被他们用来对抗阴性症状，但是这些物质同时也会加重阳性症状并产生长期有害的效应。前额叶皮层活性的降低引发了阴性症状，因此目前才会采用刺激前额叶皮层的方法来治疗该病。这种疗法通过刺激相关的大脑皮层，使其活性不断增加而降低幻觉出现的频率。

女性患精神分裂症的概率低于男性，而且发病表现也比较温和。在精神错乱发生之前约两年的时间里，这些年轻人常常会做一些古怪而可疑的行为，例如，开始是吸毒、学习成绩下降，最后是极其孤僻。这种孤僻行为会导致病情的恶化。如果有家人患上精神分裂症，其他家庭成员就应该予以高度重视，因为精神分裂症在很大程度上是一种遗传性疾病。20岁左右是首发精神病症状的高峰，对于女性来说，更年期是精神病发病的第二个高峰期。尽管精神分裂症的风险形成于胎儿在母亲子宫内发育阶段，但是青春期和更年期的激素水平改变也可以引发疾病。在给予正规抗精神病药物的同时给予雌激素治疗，可以减少精神分裂症的阴性症状。在患了精神分裂症之后，会出现大脑收缩、脑室扩大以及脑回之间产生过大的空隙的症状，这与许多老年人的大脑的情况相同。大脑的收缩（或萎缩）绝不是药物治疗的结果，因为人们早在1920年就已经发现这种萎缩现象了，这比使用抗精神病药物要早得多。这种大脑萎缩现象也不是精神分裂症特有的体征，在衰老和患上其他各种痴呆症后也会出现。由于在精神分裂症患者身上无法识别特定的大脑改变，因此只能依靠精神病学评估来诊断疾病。首先，要排除一些罕见的、能产生类似精神分裂症症状的其他脑部疾病。一旦诊断为精神分裂症，早期治疗就显得尤为重要，因为它可以预防精神病对大脑的进一步损害。

精神分裂症是一种大脑发育障碍

精神分裂症是一种由多因素联合造成的大脑早期发育障碍。精神分裂症的基础早在怀孕过程中就已经建立起来了。对家系和双胞胎所做的研究表明，精神分裂症的遗传因素占80%左右。这其中包含了许多不同因素，但是共同之处在于，基因的微小变异参与了大脑的发育，或是参与了大脑中化学信使的产生和破坏。此外，大量不同的非遗传学因素也会导致母亲子宫内胎儿的大脑发育不良。如果母亲在早期妊娠阶段食物量不足，孩子患上精神分裂症的概率就会翻倍，这是由对在1944—1945年“饥饿的冬天”（见第3章第3节）中出生的孩子的研究而首次得出的结论。因胎盘功能不良而导致营养不良的胎儿也会出现这种情况。

孩子的大脑发育会受到环境中有毒物质的干扰（例如铅），从而提高患精神分裂症的风险。出生于11～12月的婴儿比出生于7～8月的婴儿患精神分裂症的风险要高，这不是由于星象之类的原因，而是由于前者的母亲在怀孕的前6个月期间很可能患过流感或者遭到其他病毒感染。此外，弓形体感染和博纳病（Borna Disease）病毒也会提高精神分裂症的患病率。母亲怀孕期间的心理性因素（例如应激）也会起作用。此外，生活事件（例如家人去世或者战争）也会提高孩子患上精神分裂症的风险。

将来会患上精神分裂症的孩子往往在其出生过程中就会出现问题，例如，需要产钳分娩、出生体重过轻、需要被放入育儿箱以及早产。传统上人们认为，这些婴儿出生时的问题可能对孩子的大脑产生严重的冲击，因此提高了精神分裂症的发病风险。然而，一个正常的分娩过程是需要母亲大脑和胎儿大脑之间的精妙合作的。在这个方面，分娩过程可以被看作是对胎儿大脑功能的第一次测试，因此，紊乱的分娩过程可以被视为大脑发育不良的首发症状（见第2章第1节），而这种发育障碍是精神分裂症的病因。

出生之后，环境中的多重刺激会诱发精神分裂症。城市的患病率高于乡村，移居到城市的人们也有同样的发病高风险。这些城市移民所处的艰难的社会环境必然是该病高风险的原因之一。许多青少年的精神分裂症的症状是在吸食大麻后首次出现的。到底是吸食大麻引起了精神分裂症还是吸食大麻仅仅使得精神分裂症的发病提前，这在学术界还存在着巨大的争议。

大脑早期发育障碍也可以体现在精神分裂症患者的大脑中。海马体中有大量的脑细胞交错在一起，这只可能在怀孕的前半期内形成。此外，病人脑部还出现了异常的脑回模式，成组的脑细胞群在发育早期的迁移过程中停留在大脑皮层的错误位置。

虽然大多数精神分裂症患者发病、住院就医是在成年早期，但是该病的基础在大脑发育的早期阶段就已经形成了。令人痛心的是，甚至在20世纪70年代末还有一些心理治疗师鼓吹着一种骇人听闻的观念，即精神分裂症的原因是冷酷的母亲无法爱自己的孩子，而且在对孩子说话时语意不明，一步步地将自己的孩子逼疯。因此，家庭治疗师要教会这些母亲避免使用可能会产生歧义的话，或者甚至会把孩子从病态环境的“魔爪”中拯救出来。这样的观念引发了这些治疗师与那些已经尽自己最大努力的父母之间令人痛苦的对抗。精神病学家卡拉·罗斯（Carla Rus）因为做不到这些而结束了自己的家庭治疗教育生涯。我的母亲对精神分裂症的成因有着她自己的见解，她佩戴着一枚圆形小徽章，上面写着：“精神错乱是遗传的——你的孩子从你那里获得此病。”

由刺激缺乏而产生的幻觉

我怀疑，在这个世界上，所有人都患过这样或者那样的精神病，只是程度不同而已。一个把葫芦当作自己妻子的人会被人们公认为疯子，因为那种情况仅仅发生在极少数的人身上。

——德西德里乌斯·伊拉斯谟

当大脑的结构接收不到正常信息时，它们就开始自己制造信息。这一基本原则适用于来自耳朵、眼睛、记忆和肢体的信息缺乏时。

一名57岁的男子患有内耳疾病，听力受损20年，最近一年听力严重衰退。他戴了两个助听器。在这一年里，他的头脑中就没有片刻的安宁——荷兰国歌、圣诞颂歌、圣经赞美诗等在他脑海里日夜播放。虽然这些歌曲听上去有些走调，但是依然可以分辨出来，有时他发现自己都在跟着哼唱。这是一种特殊类型的耳鸣（“音乐式耳鸣”）。这位患者的妻子对我说，关于这种耳鸣，他们“耳鸣患者协会”了解的情况比医生都要多。他们认为那些“当场创作的”信息来源于大脑以外的信息，它们按照正常的通路传递到脑内。

当听觉皮层接受不到来自耳朵的正常声音信息时，就会被过度激活，产生这个部位的大脑皮层通常会处理的信息——音乐。因此你可以预计，只有在这一处皮层重新受到刺激时，他脑海中的那些令他抓狂的音乐才会消失。

要找到一位愿意帮助他进行这种尝试的医生可真不容易，但是后来他终于找到了比利时的李德（Ridder）教授，他愿意试一试。这位患者在接受完短暂的听觉皮层电磁试验性刺激之后，耳鸣立即消失，而且直到几天之后耳鸣才重新出现。接着，他花了4 000欧元买了一副“Varible助听眼镜” [2] ，这是荷兰代尔夫特理工大学开发的产品。这个装备提高了他的听力，也明显减少了耳鸣的症状。

显然，大脑一旦获得新输入（刺激），就不再产生旧信息。这与这些输入是真实的信息（来自助听眼镜的声音）还是不带有信息（来自电磁刺激）无关。

一种类似的现象，即因大脑缺乏信息输入从而自己生产信息的情况也发生在邦纳综合征患者的身上。患有诸如白内障、青光眼或者视网膜下出血等视力障碍的老年人常会患有这种综合征。这些病人可以在周围变得昏暗而宁静时突然看见色彩绚丽的画面。他们经常能看见穿着美丽衣服的熟人。病人知道这些画面并不真实，只要自己闭上眼睛它们就会消失。当大脑皮层不能通过眼睛而获取充足的信息时，它就会自己创作画面。记忆力缺损的患者也会出现这种情况，例如，由于酗酒而导致痴呆的科萨科夫综合征患者会产生错误的记忆，诉说一些从来没有发生过的事件，这被称为虚构症。截肢手术后的“幻肢感”可能也是基于这个原理。由于缺少了来自那条肢体的常规信息，大脑会“创作出”那条失去的胳膊或者大腿仍然存在的概念。神经退行性疾病也会出现幻觉，例如常伴有视觉受损的路易体痴呆症、阿尔茨海默病以及帕金森氏病等都是如此。

大脑皮层区域的输入减低也是精神分裂症的一个特征。因此，精神分裂症患者的幻觉可能也是通过相同的机制产生的。根据大脑皮层被激活的部位的不同，精神分裂症患者会出现幻听或幻视。的确，荷兰乌特勒支大学的精神病学专家蕾妮·卡恩（René Kahn）教授所领导的研究组在预实验中发现，电磁刺激精神分裂症患者的大脑能够减少病人的幻觉。相反，如果把这些病人隔离在单独的病房里，就像对急性期病人常做的那样，那么大脑所获得的外界信息的输入将减少，病人的病情也会因此而严重恶化。

登山者，尤其是在孤独的环境中，有时会出现一些强烈的体验（例如感到出现了一个人），或是出现幻觉（例如听见声音、看见人或是看到自己的身体，就像濒死体验中那样），抑或是感到极度焦虑。有趣的是，你可以发现世界三大宗教的领袖们在“获得启示”之前都有过一段孤独地在山中生活的经历。

摩西是在西奈山上先后两次接受上帝授予的《十诫》的。在第二次时，根据《圣经》的记载，摩西在山中“孤独地待了40天40夜，滴水未沾，滴食未进”。

当耶稣与他的门徒彼得、约翰和詹姆斯爬上他泊山祈祷时，他们的眼前出现了摩西和以利亚 [3] 。

穆罕默德在希拉山上独自思考时看见了天使加布里埃尔。

他们都感受到了光、声音和恐惧，这与登山者所描述的体验是一致的。在极度孤独之中，大脑会产生其先前已经储存好的思考，思考所得的结果可以成为一部新的宗教方针。

其他幻觉

如果我们记住我们都是疯子，那么神秘感就会完全消失了，生活也可以理喻了。

——马克·吐温

谵妄

精神分裂症绝不是出现幻觉症状的唯一疾病。事实上，谵妄患者最常出现幻觉。荷兰每年大约有10万的谵妄病例。谵妄通常发生在老年人的手术麻醉之后。这没什么值得奇怪的，因为麻醉剂对于老年人的大脑来说几乎就是毒药。在重症监护病房的病人中，谵妄的发生率达到80%。看来，“每个人都可以精神错乱”的说法不是没有道理的。肺炎、脱水、某些药物、毒品或者营养不良造成的脑功能损伤都可以导致出现谵妄。对于老年人来说，连膀胱炎都可以引发谵妄。震颤性谵妄不仅可以由酒精中毒引起，也可以因突然戒酒所致。此外，缺氧、低血糖和脑梗死所引起的脑损伤也会引发谵妄。

患有谵妄的患者处于急性精神混乱状态，会出现诸如焦躁不安、记忆紊乱、愤怒、喧闹、极度活跃等情况。极度活跃的患者可能会从床上滚跌在地，造成骨折而使生活更为痛苦。不过，谵妄也有一种安静的阶段或者类型，病人平静地躺在床上，凝视前方。病人的意识受损，定向力出现障碍，有时甚至都不知道自己是谁。他们无法进行清晰的思考，也无法集中注意力。因此，谵妄看上去很像痴呆症，但是谵妄是突发的、短期的，而痴呆症则是渐进性发展的。

谵妄患者经常会产生幻觉，例如看见很多小生物出现在眼前。有时，谵妄患者拒绝进食和饮水，因为他们感觉那些食品上面布满了蚂蚁。有一位病人看到天花板上冒出许多甲虫。发烧的小孩可能会看到床底下有妖怪。这些幻觉和妄想经常带有可怕的记忆色彩。有一位谵妄病人确信自己又要被送回到纳粹集中营去，而眼前的医生和护士就是来接他去集中营的人，于是，他试图逃离医院，他把输液管从手臂上拔出，把胃管也拔出来了，结果食物进入肺部，他差点儿因为肺炎而痛苦地死去。一名女患者确信，自己被绑在病床上并被人强奸了。

我的一位患了谵妄的老朋友不相信自己已经动过手术了，当他半夜看到一位外科医生进行夜查房时，他要求这位医生给他一个解释。后来，当他再见到这位医生时，他责备医生说，那天晚上他向医生询问自己的血象如何时，医生没有给他一个满意的答复。我的朋友相信，当晚他曾下床亲自去化验室拿过结果。后来他又发现，那位进行夜查房的医生仅仅是他的幻觉，而且，我的朋友那天夜里其实并没有下床去化验室拿结果。

一位患谵妄的老太太与护士大吵一架，后来她说那是因为她将病床当成坟墓了。当她试图爬出坟墓时，护士总是把她推回去，因此她要和护士大吵一顿。

人们越来越能理解为什么有些人比其他人更容易患上谵妄。患上谵妄的最根本原因是脑内化学信使多巴胺过剩。神经元的多巴胺受体的DNA中有很多微小变异（也叫基因多态性），这些微小的变异使患者倾向于患上谵妄。谵妄发病时会造成脑部损伤，而患上谵妄之后，将来可能发展成痴呆症的概率则更大。谵妄的影响可以持续很长时间。许多患者都会持续出现阅读、书写、行走以及记忆障碍，许多谵妄患者从来没有完全恢复过。大约有1/3的65岁以上的谵妄患者在几个月内就会死亡。因此，谵妄是一种严重的疾病，一个人罹患谵妄的风险在其母亲怀孕的那一刹那间就已经形成了。

声音幻觉

孩子们通常是在很久之后才发现别人并没有听见那些声音，结果他们也不敢谈论它了。

的确，有些人并没有精神错乱但仍会出现幻听。大约有7%～15%的人有过这样的体验，但是只有很少一部分人有精神问题。幻听这种现象很普遍，从正常人到精神分裂症患者都可能存在幻听。处于这两者之间的幻听者可能是曾经有过精神错乱，目前已经恢复，但是还有一些残留效应的人，也可能是即将发生精神错乱，而幻听是其首发症状的人。

健康人的幻听可以在很年轻时产生。孩子们通常是在很久之后才发现别人并没有听见那些声音，结果他们也不敢谈论它了。有些人非常喜欢听那些和蔼的声音，例如，有一位女性从11岁起就一直能听到告诉她不要害怕的声音。

不过，精神病患者听到的声音往往是具有威胁性的、令人沮丧的，例如，“为什么你今天没有卧轨”或者“你应该去死！你是一个坏人，坏人就应该死”。毫无疑问的是，经常听到这种声音的人自然会变成偏执狂或者精神错乱。与精神错乱者所听到的声音不同的是，健康人的幻听内容往往是在提供帮助和建议，而且健康人可以控制自己的幻听。他们能够对那种声音说“现在别出声”，也可以召唤这些声音出来。大脑功能性扫描检查显示，健康幻听者与精神错乱幻听者的脑区的激活并没有很大差别。在两种情况下，负责语言产生的布洛卡区以及负责收听、处理和理解语言的威尔尼克区都处在被激活的状态。在这两种情况下，初级听觉皮层也处于被激活的状态。有迹象表明，在幻听现象中这些脑区之间的连接出现了紊乱。这很符合这样一种概念，即当脑区缺乏外部信息输入时，它就会自己产生一些信息（见第11章第5节）。经常听到那些恼人的声音的人，其右侧大脑半球被激活的程度比没有幻听的人更高。通过经颅磁刺激这些过度被激活的脑区，可以消除幻听。

嗅觉幻觉

乔治·格什温于38岁时去世，就在其大脑沟回肿瘤被部分切除后不久。

大脑沟回位于杏仁核上方以及颞叶前端，参与嗅觉的形成。“沟回发作”是指癫痫发作过程中产生的嗅觉幻觉。乔治·格什温是一位著名的作曲家，代表作有《蓝色狂想曲》以及歌剧《波吉与贝丝》。1937年，38岁的他在一次指挥时突然闻到一股烧焦的橡胶气味，然后他不省人事长达10～20秒。之后，尽管他咨询了很多医生，但是直到半年后才查出真正的病因——他的颞叶内的沟回内部长了一个肿瘤。同年，格什温接受了部分切除该肿瘤的手术，不久就去世了。

注解：

[1] 　荷兰处理急性精神病患者的方法。——译者注

[2] 　一种看上去像一副眼镜的助听器，由荷兰Varible公司推出，可以捕捉声音并将之传入耳内。麦克风、信号处理和微型喇叭等都被放置在眼镜腿内。眼镜腿内的多个扬声器系统可以提高听力并降低背景噪声。——译者注

[3] 　希伯来先知。——译者注

第12章
修复大脑和电刺激

我坚信许多脑部疾病与神经胞质内的特殊化学变化有联系。在化学的帮助下，目前还很晦涩难懂的脑部疾病、精神错乱可能都将得到准确的定义并获得精确的治疗，现阶段令人焦虑的经验主义的工作也会变为严密科学体系中一门令人骄傲的实践。

——约翰·杜迪生 [1]

老年性失明：黄斑变性

1011，不，我不是在想写书的问题，而是在想关于读书的问题。哦，知识分子无止境的努力就是通过虹膜上的那个直径只有三毫米的小孔而将知识灌输到大脑中的啊！

——欧文·雅洛姆 [2]

我父亲在89岁时失明了。13年前，我每周都会陪父亲前往莱顿接受激光治疗，以防止他的视网膜进一步退化。在发育过程中，视网膜发展成为脑中的一个结点，光线在视网膜上转化为电信号并通过视神经传输到大脑后部，从而使我们能看见物体。

当我第一次带着失明的父亲走进莱顿大学附属医院的时候，我说：“我们在这儿往右转。”“你是怎么知道的？你以前来过这里吗？”父亲问道。我回答说：“没来过，但是那里有一块巨大的指示牌，上面画着一只眼睛还有一个向右的箭头。”“哦？那么我倒是很好奇他们是如何指示妇产科的。”父亲机智地回答。

经诊断，父亲患的是老年人最常见的失明症——黄斑变性。黄斑是视网膜中决定最佳视觉的一个黄色的点状部位，黄斑变性意味着在黄斑的下方长出了新的血管。这些新生血管破坏了视网膜，使得视力从视野中央开始逐渐消失。最初的症状是看到的景物扭曲变形，然后是视野中央出现一个黑点并逐渐扩大。渗出性（湿性）黄斑变性的情况更糟糕，新生血管会出现渗漏改变。病人的读写能力会很快丧失，渐渐地，连大的物体都很难分辨。

在带着父亲接受完第一次激光治疗后，我走到自动停车付费机前缴停车费。付费机里传来格外亲切的录音女声：“请别忘记取走零钱。”显然，这声音具有某种特别的味道，因为我父亲问我“你认识那位女士吗？”。

在开车回阿姆斯特丹的路上，父亲又问我：“现在是几月了？”“1月。”我回答。“那太奇怪了，”父亲说，“怎么这么早花就结苞了呢？”原来，医生给父亲注射了荧光物质以便在激光手术中看清楚视网膜上疯狂地生长的血管，这些荧光物质将父亲的视野染成了黄色。事实上，他几乎什么都看不见了，而且激光治疗没能阻止他病情的恶化，同年他就去世了。直到父亲去世以后，才出现了一种疗效更好的激光疗法，而最近也发展出了针对渗出性黄斑变性新发病例的治疗方法。

在2008年的国际暑期学校里，阿姆斯特丹医学中心的眼科医生雷尼尔·施灵曼（Reinier Schilingmann）对该病的治疗方法做了一场精彩的综述性报告。那些毁坏视网膜的新生血管是在一种被称为“血管内皮生长因子”（VEGF）的分子作用下生长的。目前，抑制VEGF的抗体已经被研发出来并有助于阻止新生血管的形成。其中一个抗体名叫阿瓦斯汀（Avastin），可以通过每月采用一种极细的针而注射到眼部，以阻止病情恶化。最近，科研人员又研发出了一种类似的新药——兰尼单抗注射剂（Lucentis），专门用于眼部治疗。这种药物可以使90%的病人的病情稳定，并使1/3的病人的视力有切实的改善。兰尼单抗是一种较小的分子，因此它对眼睛的副作用比阿瓦斯汀小，但是它比阿瓦斯汀贵30倍。不过，阿瓦斯汀也是有效的，而且比较研究还从未能证明兰尼单抗的疗效更好。眼科难以承担更高的花费，因此还一直使用着阿瓦斯汀。

2007年，一名律师代表一位病人要求医学纪律委员会同意让这位病人接受兰尼单抗治疗。接着，最高法院进行了一项催告，强制去做关于这两种药物的疗效和副作用的独立对比实验。该研究由施灵曼博士牵头在荷兰进行。在研究期限的一年时间里，300名黄斑变性患者接受了每月一次阿瓦斯汀或者是兰尼单抗注射。同时，关于黄斑变性的其他治疗方法的研发工作也在进行中。在很短的时间内渗出性黄斑变性已经由不治之症变为有药可医了。阿瓦斯汀，这个原来被用于治疗结肠癌的药物，是治疗这种特殊眼部疾病的突破。这在医学界是经常发生的事情。无论你多么集中精力地开发针对某个疾病的治疗方法，突破也往往是以一种令人惊讶的方式出现的，而且来自一个完全没能预料到的源头。

有些治疗方法来自医疗事故

在医学领域，通常都是在不经意间就有了一个重大发现，但你必须有开放的心态和扎实的专业知识。

在帕金森氏病的许多病例中，如果药物治疗已经没有效果了，医生就会采用深部植入脑电极的方法进行治疗。这些电极是通过电流来刺激大脑的，因此可以让一小部分脑区的功能暂时丧失。在开启刺激器后，帕金森氏病患者剧烈的身体震颤立即就消失了。深部电极的应用是一次意外的发现。在医学研究领域中，人们在探索某个事物的过程中歪打正着地有了完全不同的新发现也是屡见不鲜的。

1952年，为了消除一位帕金森氏病患者异常剧烈的震颤，医生要对他进行一场彻底的手术以损毁其脑内运动通路，这很可能会导致病人瘫痪。然而在手术期间，一位名叫库博的医生不小心弄破了病人的一根血管，随后他围绕着这根血管做了一个结扎以止血，并为了稳妥而暂时停止了手术。让所有人惊讶的是，这场“失败”的手术让病人的身体震颤消失了，而且也没有发生预期的瘫痪。这次手术让库博医生意识到，可以通过烧灼相关的血管并损毁一个特定的脑区来治疗帕金森氏病。结果，这种方法减轻了65%的帕金森氏病患者的震颤症状，也缓解了75%的病人的肌肉僵硬症状。

在这之后的一段时间内，医生们根据这一理论基础发展出损毁不同脑区的方法。结果显示，在这个方面，损毁位于丘脑下方的底丘脑核最为有效，这也是如今植入大多数帕金森氏病患者脑部的电极所摆放的位置。这种颅内电极治疗的好处是，它对于脑区活性的灭活作用是可逆的，可以确定对哪个位置的刺激最有效，而且刺激方式也可以调整。因此，它改善了帕金森氏病患者的迟钝、肌肉僵硬、四肢震颤和行走困难等症状，但是却并没有减慢他们的疾病发展速度。

目前，全世界大约有35 000名帕金森氏病患者接受了颅内深部电极治疗。像其他所有的主动疗法一样，接下来的副作用也会逐渐显现：接受过深部电极治疗的病人与自己的伴侣相处以及与同事交往方面会出现问题。虽然大多数病人对自己现在的生活质量表示满意，但是他们的家属有时还是会报告说，这些病人的脾气会变得很暴躁，情绪波动也比较大。有9%的患者会产生精神病的并发症，例如极易做出鲁莽的决定或是大哭。电极的刺激可以使抑郁症的病情加重，甚至会导致病人自杀。我们就见过这样的患者，电极被正确地植入底丘脑核，但是病人却自杀了。

2000年，神经病学对于这种关联研究还不感兴趣。放置电极有时还会由于脑损伤或者脑出血而造成痴呆症的症状。不过，如果在某些病例中放置刺激器，就会让痴呆症的症状消失。此外，放置电极还会造成精神异常、性错乱以及赌博成瘾等症状。曾经有一位病人在手术之前是一个很节俭的人，但在接受完颅内电极植入手术之后却变成了看到老虎机要是不去赌一把就迈不开步子的人。许多年后，直到严重的债务逼迫他卖掉房子，他的伴侣提出离婚而他也试图自杀时，这个问题才引起了医生们的关注。不过，赌博成瘾也可以出现在经典的抗帕金森氏病疗法——服用左旋多巴期间。

多巴胺系统在成瘾问题中起了很关键的作用。有一位接受深部电极疗法的患者出现了非常离奇的副作用，表现为躁狂行为，他在没有足够经济实力的条件下，在西班牙和土耳其都买了房子。他还直截了当地拒绝了医生关于关闭电极的建议。颅内深部电极刺激还可以引起思维紊乱、记忆模糊以及口齿不清的症状，但是大多数的精神疾病的副作用都是可以治疗的，有时甚至是完全可以预防的。颅内深部电极刺激治疗还让我们认识到精神疾病症状中的脑结构和神经回路的功能，例如多巴胺系统在成瘾问题中的作用。因此，深部电极治疗在帕金森氏病中获得的成功使它被运用于许多其他神经和精神疾病的治疗中（见图12-1），例如对疼痛、丛集性头痛、抑郁症、焦虑症、肌肉痉挛、自残以及强迫症的治疗。此外，深部电极刺激还被用于治疗肥胖症和成瘾。就目前来看，其可能性似乎是无限的。我愿意打个赌：这种结果是库博医生在1952年不小心弄破一根血管造成脑出血时一点儿都没有想到的！

图12-1　位于帕金森氏病患者底丘脑核的深部电极（E）。

大脑电刺激，就像打开了“惊喜盒”

对大脑进行深层次电流刺激不仅在临床中是一种有效的疗法，而且也向我们提供了大脑工作的基本信息。

一名39岁的男性患者在6年前因为一场事故而陷入微意识状态，对他进行的脑深部电极刺激治疗获得了惊人的效果。他在过去的6年中所有能做的，但也仅仅是偶尔做的，就是通过眼球或者手指的运动和别人接触。一般来说，发生这种情况后，即使是过了12个月，病人也难以恢复。然而，在这位患者的脑部中央双侧的丘脑位置（这里是人感觉信息到达的脑区）植入电极之后，奇迹发生了。在经过为期两天的深部电刺激之后，他苏醒了过来，睁开了眼睛。当有人呼喊他的时候，他还能转过头来表示回应。又经过了4个月的持续电刺激治疗，他开始说话、进食、饮水，还能自己梳头了。

对强迫症病人的治疗是颅内深部电刺激手术的新应用。强迫症病人会每天洗手几百遍，或是一根一根地拔自己的头发，以致变秃。如果他们不这么做就会感觉害怕，而这样的行为又使他们将自己排除在社会生活之外。由于完成这些强迫性的举动显然能让患者感觉良好，因此人们认为向这些“需求”屈服是因为在脑内伏隔核中释放了奖赏性化学信使多巴胺。

达米安·丹尼斯（Damiaan Denys）教授的研究发现，如果强迫症病人在接受传统治疗后未见好转，那么可以使用在双侧伏隔核植入电极的方法为其进行治疗。这一治疗方法的构想是，通过颅内电极刺激伏隔核内多巴胺释放，产生和完成强迫性行为所引起的相同的快感。这种治疗的结果使病人的强迫性洗手习惯从每天10小时减少为每天15分钟，让病人重新过上了正常的生活。使用了深部电极疗法后，一位患者不再受强迫症的折磨，但是他在治疗后总是有性需求。研究者发现，其颅内电极植入的位置非常靠近终纹床核，这是否就是病人接受治疗后有性需求的原因还需做进一步的研究。

在深部电极刺激的新疗效被不断报道的同时，也有很多关于它的新的副作用的报道。例如，有听力障碍的病人在治疗后会出现耳鸣，当大脑无法从耳朵接收到正常的听觉信息时就会自己产生声音的感觉，导致患者总是听到音乐。因此，一个似乎符合逻辑的步骤就是，通过刺激大脑中的一个不再接收到声音信息的特别区域，从而去除那些幻听到的音乐。然而，在对一位耳鸣的病人采用深部电极刺激其颞叶皮层后，他不但仍会听到恼人的噪声，而且还出现了离体感觉的副作用了，即他感觉自己站在距离自己身体半米以外的地方。由于颞叶对缺氧也十分敏感，因此，这就可以解释为什么心跳骤停的病人的这个特殊的脑区会被激活，并引发离体的感觉，这种感觉被视为濒死感觉的一部分。

还有一种意想不到的效应出现在一位想要通过下丘脑的深部电极刺激而抑制食欲的病人身上。

这位患者的身体过于肥胖，以至于人们都无法将他送进扫描仪内进行检查。在他这个特殊的病例中，电极并没有起到降低体重的作用，因为他在夜晚会关闭自己的电极并进食。不过，当电极启动的时候，一件发生在30年前的事情却闪回在他的眼前，他看到自己和朋友在森林中漫步。接着，越来越多的关于那件事的细节浮现在他眼前。

这种副作用似乎也是以大脑颞叶的激活为基础的。这种情景记忆也发生在濒死体验中，人们会看见自己过去的生活闪回在自己眼前。大脑颞叶对于记忆功能起着非常重要的作用，由于电极刺激颞叶看上去是改善了记忆力，因此研究者们目前正在研究该技术对于记忆问题的可能疗效。

颅内深部电极刺激不仅具有良好的临床应用价值，而且如果电极没有植入到预期的位置，那么随之产生的意想不到的效果也会极大地帮助研究者们了解大脑的工作机制。

人造幸福感还是不靠谱

幸福不仅仅只是身体健康，有时记性不好也不失为一种另类的幸福。

——阿尔伯特·史怀哲 [3]

阿里扬·哈林（Arjan Haring）曾经提出过一个很有意思的问题：在哪里以及如何我们才会感受到幸福？他还专门为此组织了一场研讨会。根据来自鹿特丹的幸福学教授鲁德·范侯文的观点，人能感到幸福并不取决于在生活中是否拥有一个目标。我对他的说法并不感到惊奇，因为在我看来，生命始于一个随机的机会，然后发生演变，没有目的性。然而，享受生活则是有用的，因为它与食物以及繁衍密切相关，对于生存至关重要。这种“享乐主义”的感觉甚至会导致人口膨胀和肥胖症。恋爱、母爱以及社会交往中的快乐也是正面的情感，有利于我们种群的生存。

人类认知能力的发展使得快乐的感觉被提升到艺术和科学、助人为乐、金融等更高的级别的活动上，并上升为“幸福感”。幸福感是可以传染的。在一个人感到幸福的时候，他的朋友、伴侣和家人也会感到幸福。我们从精神病学中了解到这些情感的紊乱会导致什么样的结果。躁狂症可以伴随着强烈的幸福感，而所有快乐感情的消失，也叫“快感缺乏”，可见于抑郁症、精神分裂症、自闭症和成瘾中。腹侧苍白球/伏隔核对于解释快感缺乏症状有着极为重要的作用。帕金森氏病患者这个脑区的损伤有时会伴随情感贫乏或者快感缺乏，而刺激这个脑区则可以缓解病人的抑郁症状，可能是由于抑郁症病人的肾上腺皮质激素水平的升高抑制了多巴胺的释放，才消除了快乐的感受。

喜悦和幸福感都伴随着大量脑区的活性改变。当人们体验来自食物或者物质报酬的快感时，大脑前额叶皮层的活性会增加。这一脑区决定着你是否会向潜在的快感屈服或者是抵制其诱惑。不过，前额叶皮层并不是人们幸福感产生的中枢。接受过额叶白质切除术的病人依然可以体验来自食物和性爱的快感，因为快感起源于位置较低的大脑奖赏系统。

成瘾物质正是利用了这一大脑系统才使人们产生了快感的。精神病学家弗洛伊德也曾长期使用可卡因，并在1895年描述说，由可卡因引起的快感和通过正常方式获取的良好感觉并没有明显的差别。给实验动物的“快感敏感区”注射小剂量的鸦片类物质就能激发其快感。然而，要想确定一个脑区对于产生快乐的感觉是否必不可少，就要看破坏这些脑区之后快感是否会消失。

大脑底部有一个“快感敏感区”，它对于人们享受甜品是至关重要的，这个脑区的损毁会导致人们对甜食从享受转变成厌恶。下丘脑对于浪漫爱情、母爱和配对行为是必不可少的。还有一些脑区虽然在产生幸福感或是快感时会发生活性改变，但是对于这些情感的产生却并非必不可少，它们参与了诸如学习、记忆、决定和行为的关联过程。

许多化学信使都参与了不同快感的形成过程。多巴胺奖赏系统参与了与快乐相关的希望、激励和注意的过程，应激激素皮质醇则在抑郁症中抑制这个系统，导致病人无法感受到任何快乐。可卡因使得脑细胞获得更多的多巴胺化学信使。大脑自身产生的鸦片类化学信使也参与了幸福感的生成。催产素和抗利尿激素则参与了恋爱、性高潮及母爱中的快乐感受。自闭症患者缺乏后两种化学信使。有些人能自行引发幸福感。在对痴迷和热爱上帝的修女们进行的脑扫描检查中发现，其大脑的奖赏结构出现了活性改变。大脑颞叶的肿瘤也可以引起这种奇妙的幸福感，就如同与耶稣进行了直接接触。在肿瘤被切除之后，这样的幸福感就完全消失了。

目前还不能够将刺激电极植入某个脑区而产生强烈的幸福感，但是脑中还是存在着“自我刺激快感区”的。在将刺激电极植入大鼠的某些脑区后，大鼠会在一分钟内自我刺激好几次，而且还能激发进食、饮水和性行为。不过，这到底是不是令人享受的感觉就是另外一个问题了，正如在对人类进行的研究中所观察到的那样。用电极刺激一名年轻男子的伏隔核/中膈，则会导致其进行强烈的自我刺激。当把这些刺激器从他脑部移除时，他还大声表示抗议。这些电极使他产生了快感、机敏、温暖、性兴奋、强迫性手淫，但是没有性高潮。一位持续性自我刺激的年轻女性在电极刺激阶段会产生性爱的感受，但是同样没有达到过性高潮。持续性的电刺激使她忽略了自我，她似乎并没有体验到真正的快乐。就目前来说，我们还是应该坚持采用老式的方法来体验快乐和幸福。这样肯定没有错。

你的大脑修好了

车间打来电话，你的大脑修好了。

——图特洛特 [4]

外部世界的信息通过我们的感觉到达大脑，大脑对这些信息做出反应的方式是激发运动系统采取行动。

2008年，在由荷兰神经科学研究所组织的阿姆斯特丹荷兰脑科学研究所国际夏季学习班 [5] 中，研究人员展示了他们的许多新的研究进展，诸如通过大脑–电脑接口（或称“神经假体”）而让盲人重见光明，让瘫痪的病人重新行走。目前，听觉领域的研究进展尤为显著，自1980年以来就可以在仿生耳中同时植入22个以上的电极，超过10万人接受了人工耳蜗移植手术，术后的效果都非常好。如果耳聋是由于双侧听神经受损而造成的，那么植入人工耳蜗是不起作用的。在这样的病例中，医生需要将12根电极放置在患者的脑干，从而使听觉信息到达大脑，提高病人的交流能力。

全世界有几千万人是由于视网膜的光敏感细胞（即光感受器）受损而失明的。在那次夏季学习班上，来自洛杉矶的眼科医生杰拉德·柴德（Gerald Chader）介绍了一个对三位由于这种原因而完全失明的患者做的实验。他在患者的眼镜上安装了小型摄影机，摄影机接受到的信息会被发送到安装在视网膜上的微型接收器上。一个微型处理器将这些图像信号转化为电信号，并通过16根电极与未受损的视网膜上的神经细胞层相连接，进而通过视神经将这些信息分程传递到大脑。经过训练之后，病人能够看见较大的物体（例如一个茶杯和一个盘子）。目前，电极的数量正逐步增加到1 000根，按照这样的进度，5～10年之后患者就应该能分辨出人的面孔了。在另外一个研究组中，则是将摄影机获得的信息发送到患者裤子口袋里的一个仪器内，然后再传送到与其相连的、被植入大脑视觉皮层的大量电极里。

如今，通过神经元的电活性预测即将发生的大脑皮层神经元的活动，来指导诸如机械手臂的运动的可能性越来越大，这就为未来治疗瘫痪患者带来了极大的希望。动物实验显示了这种可能性：电刺激受损的脊髓加上三个月的康复训练，以及药物辅助治疗，可以使动物产生不受大脑控制的行走模式。来自苏黎世的格雷瓜尔·库尔蒂纳（Gregoire Courtine）医生预计，他将在5年后把这一技术应用到临床治疗中去。

研究者从25岁的马修·纳格勒（Matthew Nagle）这一病例身上获得的结果十分惊人。

纳格勒曾因颈部被刺伤而导致全身瘫痪，医生在他的大脑运动皮层植入了一块4毫米×4毫米的含有96根电极的薄片。指导运动功能的脑细胞的电活动使他能够操作一台电脑。他只花了几分钟的时间就学会了这项技能，要做的只是要求自己去“想”移动自己的手，跟踪电脑屏幕上移动的光标。他还成功地仅仅通过“想”就在电脑屏幕上画了一个圈，他还能阅读电子邮件、玩电脑游戏，甚至张开、合拢假手的拳头。然而，虽然这项实验显示了神经假体装置的潜力，但也同时清楚地显示了我们目前所面临的局限性，因为纳格勒在手术之前就已经可以通过自己的声音操控电脑了。这个手术意味着，他必须与身边的一台大电脑以及一位助手永远地“连接”在一起，这使得植入脑内的电极没有什么增值价值。因此，术后9个月，在纳格勒脑中的电信号减弱后，医生移除了这些电极。

在这个领域中，我们仍然有大量的工作要做，但进展是令人鼓舞的。

用胎儿的脑组织修理病人的脑子

如果胎儿大脑细胞移植成功，那么你会从捐献者那儿获得哪些特点呢？

帕金森氏病的特征之一，是位于脑干黑质的多巴胺神经元死亡。将那些死亡的细胞替换掉，应该是最符合逻辑的治疗方法了吧？1987年，墨西哥医生马德拉佐（Madrazo）在著名的《新英格兰医学杂志》（The New England Journal of Medicine ）上刊登了一篇论文，描述了当他们将含有自体多巴胺的肾上腺组织移植到帕金森氏病患者的尾状核后（见图12-2），患者的病情有了奇迹般的好转。

图12-2　患有帕金森氏病的病人因黑质中产生多巴胺的黑色素细胞死亡，而丧失对于脑的运动区域——纹状体（壳核、尾状核）的控制作用。

在随后的两年时间里，这项发现掀起了一场200多例类似移植手术的浪潮。然而，这种手术并非有效，有20%的病人在接受手术后的两年内就死去了。针对死者脑部的研究显示，被移植的肾上腺组织并没有在大脑内存活，而在纹状体中只发现了疤痕组织。马德拉佐医生所获得的如此有前途的发现也许只是不准确的研究方法与安慰剂效应相结合的结果。

自1988年以来，医生们不再采用病人自身的少量肾上腺组织，而是将含有多巴胺神经元的胎儿脑组织移植到帕金森氏病患者的纹状体中。为了具有疗效，必须从6～8周胎龄的胎儿脑中提取组织。大约有85%的患者在手术后可以通过正电子发射断层扫描（PET-scan）观察到脑移植物。事实上，甚至在术后16年，我们都可以在死亡后的病人脑部观察到纹状体中的多巴胺细胞与供体脑细胞之间有联系。有时候，这些新的多巴胺细胞也会呈现出帕金森氏病中细胞的特征。这种可以将疾病传递到移植体的事实，可能可以解释病人一开始能从移植手术中受益，而将来疾病又会恶化的现象。在一台这样的手术中，需要4个胚胎的脑材料构成移植体。这样的材料当然是难以获得的，因为它们来自对这种移植手术知情同意的流产的女性。因此，人们对于使用胚胎干细胞进行移植抱有很高的期望，从培养的胚胎干细胞中分化出的多巴胺神经元可以作为移植物的替代来源。然而，这种疗法仍然存在着许多缺陷和风险。一项病例个案报道显示，患者小脑在接受干细胞注射术4年之后出现了脑瘤。原则上讲，干细胞可以发展成包括肿瘤细胞在内的任何一种细胞类型。

胎儿多巴胺细胞的脑部移植手术的确对帕金森氏病患者起到了一些疗效，使病人的左旋多巴药物剂量减少，运动障碍减轻。不过，完全康复是根本谈不上的，而且治疗结果的变异性也很大。此外，这种疗法的疗效和副作用都与左旋多巴一致。移植手术的并发症之一是异常运动（运动困难），这不仅发生在15%的移植术后患者身上，也发生在左旋多巴药物治疗患者身上。研究者还进行了安慰剂对照实验，在实验中，有一半病人（随机分组）只接受手术，不接受移植物。两年后，两组病人在运动障碍的疗效方面没有差别。因此，目前还缺乏具有说服力的结果。

用胎儿脑组织进行移植的实验性治疗还被运用于亨廷顿氏病中。亨廷顿氏病是一种以运动障碍为特征的遗传性疾病，这种病会使纹状体内的细胞死亡并最终导致痴呆。首次的胎儿纹状体组织移植手术就是对患有亨廷顿氏病的病人做的，患者在术后症状得到了改善。如今，移植手术都由中心研究进行着随访。对死亡后脑组织标本进行的研究显示，移植物中含有存活的细胞，它们与亨廷顿氏病患者的脑细胞形成的神经网络整合在一起。研究者同时还发现，一个移植物在患者脑内生长着，这导致了神经性疾病。因此，目前的研究结果还不足以令我们对此持乐观的态度。

此外，胎儿角膜移植在治疗因神经细胞变性（例如视网膜色素变性和视网膜黄斑部变性）的眼病而导致的失明方面也显示了令人鼓舞的结果。

如果胎儿脑组织移植在不远的将来能被证明是成功的技术，那么我们可以更有效地修复脑部缺陷。不过，一个重要的问题也会出现。我们的许多特征，包括我们的性格，都是在胎儿发育过程中被固定在我们的脑结构中的。因此，当来自供体的胎儿脑组织被移植到接受者的脑中时，供体的哪些特征会伴随着一起到来？这些特征取决于被移植的胎儿脑组织以及移植物将被放置在接受者的脑区的什么位置，很难预测哪些特征将被移植。如果这项技术被证明是有效的，并被应用于更高级的脑结构，例如大脑皮层的移植，那么人们就会为在什么程度上说，一个新人被创造出来了而困惑。当采用其他物种的脑组织进行移植时，这个问题就会变得更让人着迷。由于胎儿脑组织的来源的确非常稀少，因此人们已经应用胎猪的脑组织对帕金森氏病患者做移植手术。不幸的是，目前的药物还不能预防这类手术中的移植排异现象。只有很少的猪脑细胞能在帕金森氏病患者的脑中存活。一旦这类异种移植手术被证明是有效的，那么猪的友善和智力也许就会被一同移植到人类中来呢！

将一段DNA作为一种药物

把DNA作为一种治疗手段……

基因疗法就是将一段有特定蛋白质编码的DNA带到一个细胞内，这个细胞接着开始产生新的基因产物，即蛋白质。我们总是认为，这种还处于实验阶段并仅仅应用于培养的组织的新疗法距离临床应用还遥遥无期，但基因疗法目前已经被应用于治疗眼科疾病和阿尔茨海默病。

在过去的几年中，美国圣迭戈的马克·图芩斯基（Marc Tuszynski）领导的研究组在对阿尔茨海默病进行治疗时首次运用基因疗法。他的研究团队成功地诱导细胞产生神经生长因子作为可行性药物，对一个对于记忆功能至关重要的脑区，即梅纳德氏基底核（NBM）（见图12-3）进行治疗。随着年龄的增长，NBM细胞的活性会降低，阿尔茨海默病患者的这些细胞的活性会迅速衰退。图芩斯基等人首次证明了采用神经生长因子基因疗法可以修复NBM神经元的活性。在对老年猕猴进行的实验中，他们分离了一些皮肤细胞、纤维母细胞，并在体外进行培养。随后，将含有神经生长因子的基因注射到这些细胞内，再将这些细胞移植到老年猕猴大脑内靠近NBM的位置。结果显示，这些皮肤细胞至少在一年时间内能够生产神经生长因子，并可以修复NBM细胞的活性。

图12-3　基底核（梅纳德氏基底核、布洛卡对角带和隔膜）是大脑皮层和海马体的化学信使乙酰胆碱的来源。

同样的程序被应用于阿尔茨海默病病人身上。在实施这种新疗法的第一阶段，研究人员挑选了8位早期发病的阿尔茨海默病患者，他们有能力审查这项实验并给出正式的知情同意书。在一期临床研究阶段，即以观察患者对于新疗法的承受能力为目的的阶段，在体外培养来自患者的皮肤细胞。利用一种病毒作为载体，将神经生长因子基因装配到纤维母细胞中去。这种病毒被制作成无害的，它仍然可以携带神经生长因子基因穿透细胞，但是不能再进行繁殖。因此，它不会再导致疾病。通过脑外科手术，采用一种能非常精确地指示针尖位于脑部位置的装置，并将这些生产神经生长因子的皮肤细胞注射到NBM附近。这一装置被称为立体定向设施，或者用疗养院的伯特·凯瑟医生的话来说就是“大脑中的TomTom [6] ”。

最初两位病人的手术很失败。在脑立体定向手术中，通常并不对病人实施麻醉，而且，虽然他们被给予镇静剂，但在进行细胞注射的过程中，他们还是会因有动作而导致脑出血以及偏瘫。有一位患者从瘫痪中恢复过来，而另一位患者在术后5个月死于与手术以及基因疗法本身没有关系的并发症——肺栓塞和心脏骤停。此后的细胞注射都是在全身麻醉的条件下进行的，因病人术中活动而造成的并发症也不再发生。PET扫描结果显示，在术后患者的大脑皮层活性升高。据推测，与未接受基因治疗的阿尔茨海默病患者相比，基因治疗可以减缓阿尔茨海默病患者的记忆力衰退的速度。虽然这只是一期临床研究，也缺乏对照组实验，但是在对那位5个月之后去世的病人的大脑进行检查时发现，基因疗法对于NBM神经元具有强烈的刺激效应，这意味着这种疗法可能终究还是有效的。

我们还必须了解基因疗法的效果及其副作用。在瑞典，已经有三位阿尔茨海默病患者接受过神经生长因子的治疗，医生们采用一种小泵将这些神经生长因子注入病人脑室，然而，这些实验后来不得不终止，因为神经生长因子对记忆功能的效果很小，却带来包括慢性疼痛和体重下降等在内的副作用。图芩斯基研究组注射到脑组织的细胞所产生的神经生长因子有希望停留在脑中的原位，因此可以避免上述那些并发症。我们发现，阿尔茨海默病患者NBM中的神经生长因子的敏感性显著降低，目前还不清楚这种现象能否造成不良影响。图芩斯基的下一步目标是，利用另一种病毒直接将神经生长因子注射入大脑，因为这种技术被证明更为有效。

2009年年底，有这样的一条爆炸性新闻：两个患有肾上腺脑白质营养不良症（ALD）的小男孩通过基因疗法而治愈。当基因突变而导致ALD蛋白缺失时，脂肪酸就不会被排除，而是在脑内围绕神经纤维的髓鞘中积聚，结果会导致脑功能严重受损。这种疾病因电影《罗伦佐的油》（Lorenzo’s oil ）而被人们了解。电影中的那个患病孩子的父亲徒劳地用一种混合油来治疗孩子的病。对上面提到的那两个男孩，医生们借助一种慢病毒将完整的ALD基因送入从他们骨髓中分离出的干细胞里，再将这些修正过的干细胞重新植回到他们的骨髓中。目前，人们还不清楚这些修正过的干细胞是如何预防大脑中的缺陷的，但是这两个小男孩在术后至今都生活得很好。

基因疗法在治疗神经系统疾病方面的最先进的进展出现在眼科学领域。出生时患有莱伯氏病（先天性失明）的儿童视力很差，而成年患者则完全失明。这种疾病是由于基因变异而引起的，对患有莱伯氏病的狗进行的基因治疗已被证明确实有效。随后，研究者对3名视网膜受到严重损坏的青少年患者做了一期临床实验，为了了解采用一段编码缺失的DNA实施的基因疗法是不是安全的。事实证明，这种疗法是安全的，也没有带来严重的副作用。令人惊讶的是，和手术前相比，其中一位病人的视力还得到了显著好转，他可以在昏暗的光线中避免碰撞到物体了。目前，研究人员的目标是将同样的疗法应用到那些视网膜仍然相当完好的莱伯氏先天性失明儿童身上。患有红绿色盲症的猴子也可以通过基因疗法而得到治愈。18个月后，这些猴子就能分辨所有的颜色了。

这些对痴呆症以及失明患者进行的检验基因疗法疗效的实验标志着人脑疾病治疗的新纪元。过去，基因疗法造成了一个年轻病人的去世，并使一些儿童患上白血病，但如今这项技术的前景的确非常光明。

不是你努力，大脑就能自我修复的

有时候，如果有一些脑损伤疾病，让其自发恢复是有可能的。不过，千万不要因为某些病人的病情没有得到好转就责怪他们没有努力地克服疾病！

以前，人们有这样的想法：一旦脑组织丢失就永远也不会再生了。中风后，脑功能的恢复仅仅是因为脑水肿减轻，而且这部分脑组织的功能在一定程度上被其他脑区接管了。因大脑受到创伤而昏迷的病人可能会在几天或者几周之内苏醒过来，或是发展到植物人状态（也被称作醒状昏迷）。在这种状态下，人虽然是醒着的，却没有意识。虽然这种状态可以得到进一步的好转，但是一些病人将永远保持这种状态，没有任何进步。在这种状态持续三个月之后，人们通常会认为患者没有恢复的机会了，但是在一些病例记录里，病人还是可以从很长时间的植物人状态中苏醒的。特里·瓦利斯（Terry Wallis）就是个例子。

特里·瓦利斯在一次车祸后昏迷，之后陷入最小意识状态。处于最小意识状态中时，他对外界刺激的反应是偶尔的点头和呻吟，无法表达自己的思想和情感。然而9年后，他开始能偶尔说出个别词来。19年后，他恢复了说话的能力，还能数数并活动四肢。不过，他还是落下了严重的残疾，无法独立行走和进食，也记不起过去19年中发生的任何事情。他的妻子和别的男人生了3个孩子，他的女儿成了脱衣舞女郎，而瓦利斯对此一无所知。你可能会怀疑这样的生活是否有意义，以及他是否会对这种奇迹般的“治愈”感到满意。从医学的角度来看，他的病例确实非常特别。他的恢复归因于他的脑部生成了新的大脑轴突。

在一项长达18个月的核磁共振成像扫描检查中发现，他的大脑皮层后方的神经纤维数量以及不同皮层区域之间的纤维连接增加。同时，顶叶的一个名为楔前叶的脑区出现活性增强，这个脑区对于我们感知外部环境和感知自身起着重要作用。在植物人状态、昏迷、痴呆症或者睡眠中，这个脑区停止工作，但是它在最小意识状态中保持着一定的活性。正是在这些变化被记录之后，瓦利斯重新获得了意识。接下来，在他的运动功能有了显著改善时，医生测量到他的小脑纤维含量增加。

我们不知道是什么因素让病人从那么久的植物人状态或者最小意识状态中苏醒过来。不过，这些病例的存在的确推翻了之前关于这些病人再也无法恢复的观点。

吉尔·博托·泰勒（Jill Bolte Taylor）的故事曾经引起了极大的轰动。她曾经是哈佛大学的一位脑研究人员，37岁那年，她在睡觉时出现了严重的脑出血。醒来之后，她感觉左眼后方有搏动性疼痛。当她的左臂开始瘫痪时，她意识到出事了，于是急忙给同事打电话求助。那时她已经口齿不清、说话含糊了。她的同事意识到情况很不妙，于是立即报警寻求急救。在那样的情境下进行交流一定像是一场梦魇。

我的一位医生朋友有一次意识到自己中风了之后，就立即打电话给他的家庭医生。电话另一端的家庭医生简短地听了一会儿这样令人费解的声音后就觉得是什么人在拿他寻开心，于是挂断了电话。

当我朋友的妻子买完东西回到家时，我的朋友向她大声喊叫着，但是他的妻子却恼怒地叫着回答他：“跟你说了多少次了，等我进了你的房间再开始和我说话嘛！你现在在说什么我一点儿都听不清楚！”然后就去整理她买回的东西了。幸运的是，我的朋友从中风所造成的损害中自发地恢复了，并完全恢复了说话的能力。

吉尔·博托·泰勒当年发现自己所处的情境则完全不同。脑出血两周半之后，外科医生从她的脑部取出了一个和高尔夫球差不多大小的血块。她无法走路、说话、读或写了，也忘记了从前的所有事情。在她母亲的帮助下，她逐渐学会了一些基本技能。从她发病到完全康复，花了8年时间。在她之后写的一本畅销书中，她描述了在那段岁月里，她是如何运用自己的意志力以及对于大脑解剖学的知识来有意识地刺激自己受损的大脑回路，并让它重新工作起来的。不过，这些描述是伪科学的哗众取宠的说法，却在群众中广为流传。泰勒坚定地声称：“我真诚地相信，作为一位病人，你要对自己的康复负责。”

这种充满激情但是不科学的宣告的危险性在于，它们可能被人们用来责备那些不幸的、没有从脑出血或者中风中恢复的病人，人们会认为他们在康复过程中没有付出足够的努力。然而问题在于，正如我父亲在我决定学医时对我说过的那样：“在这个世界上只有两种疾病，一种是自己会自然而然地康复的，另一种是你无论怎么治疗都无法康复的。”

注解：

[1] 　Johann L.W. Thudichum，医生、学者。——编者注

[2] 　Irvin D. Yalom，斯坦福大学医学院精神病学系终身教授。——编者注

[3] 　Albert Schweitzer，德国哲学家、医学博士。——编者注

[4] 　W.W. Tourtellotte，作家。——编者注

[5] 　属于国际学术会议。——译者注

[6] 　荷兰著名的全球定位导航软件。——译者注

第13章
大脑与体育

拳击：神经的色情文学，让大脑受伤的运动

在一些文明的国家，这种相互故意损伤神经的形式已被取缔几十年了。

观看攻击性行为会引起攻击性行为，因此采取必要的措施去禁止那些极端暴力的电脑游戏的做法是相当正确的。不过，不合逻辑的是，我们仍然允许保留那些原始暴力行为，例如拳击比赛。一名拳击手将另一名拳击手的脑袋打开花，造成终身残疾，却没有观众对此流露出关心。更恶劣的是，在欢欣鼓舞的画面中，神经性损伤的画面还要被不断地重播，显示细节和特写：蹒跚的步履、语无伦次、眼球左右震颤，甚至癫痫症状、被击倒后的意识模糊、意识丧失、临时性昏迷，以及死亡的画面也不放过。这真是一堂活生生的神经学课程。自第二次世界大战以来，在不同的拳击者联盟的监管下，已经有大约400名拳击手被对手打死。古怪的是，这么令人恶心的“神经色情作品”却被堂而皇之地放在大众电视频道中播放，而且有时还在小孩子们没去上床睡觉时。

与造成的急性伤害相比，这项体育运动所造成的更常见的结果是，由于头部受到反复打击而导致大脑功能的慢性进行性衰竭。1928年，人们引入了“拳击醉态”（punch-drunk）一词，用来描述那些步态摇晃、行动迟缓、行为异常以及具有不同程度痴呆症或者帕金森氏病的拳击手。后来，人们用“拳击痴呆性脑病”（dementiapugilistica）代替了“拳击醉态”。如今，人们则采用了比较中性的说法——“慢性创伤性脑损害”（chronic traumatic brain damage），有40%～80%的职业拳击手都患有此病，而帕金森氏病出现的概率则为17%左右。昔日以头脑敏捷、言语犀利、出拳“快准狠”而闻名的前世界拳王阿里如今也患上了帕金森氏病，他行走缓慢、表情木讷，说话时难以将两个词连在一起。

有人说拳击塑造性格，这意味着这种性格是不会在大脑里存在的，因为拳击损伤了拳击手的大脑。细胞丢失导致许多脑区萎缩、纤维通路断裂、保护纤维的髓鞘层被剥离，而在显微镜下，你可以看到典型的阿尔茨海默病和帕金森氏病的特征。拳击手猝死的原因通常是脑内或周围出血。“被重拳击倒”意味着大脑被猛烈打击，伤害直达头颅的枕骨大孔内，这可能对脑干的生命机能，例如呼吸、体温调节或者心率造成致命性打击。此外，拳击手的下丘脑和垂体一旦受到损害，就很有可能会导致他们出现激素缺乏，嗅觉能力下降。尽管有12.5%的业余拳击手的头部戴有护具，但这还是会让他们患上脑震荡。令人匪夷所思的是，目前有一种讨论，关于我们是否应该通过心理智能测验对那些从遗传学角度来看更容易受到脑创伤的拳击手进行监督。这实在是一个过分的问题，因为等你发现诸如基因等的改变时，一切都已经太晚了。

在过去的几十年中，瑞典、挪威、冰岛、韩国和古巴都已经禁止了职业拳击比赛。自2001年起，挪威已经全面禁止任何形式的涉及“击倒”的搏斗型体育，例如很受欢迎的K1自由搏击大赛（一种变体的泰拳搏击）。在其他一些国家，职业医务人员也在请求禁止拳击比赛。然而当人们在荷兰提出这个建议时，得到的答复是“拳击手们都是自愿参加比赛的”。这可能是事实，但是我们不应该忘记荷兰早在几百年前就已经禁止决斗和故意杀戮了。当然你可能会想，那些选择这种野蛮体育运动的人当时是不是已经患有一定程度的痴呆症了？

分辨运动员的性别是件棘手的事

针对奥运会而进行的集体性测试造成了许多不必要的麻烦。

1912年，国际奥林匹克委员会创始人顾拜旦曾说过，女性参加奥运会是“不正确的、不切实际的、没有趣味的以及缺乏美感的”。

当女性后来被允许参加奥运会时，人们意识到男性在身高和肌肉力量方面由于睾酮激素的作用而具有生物学的优势，因此区分男性和女性比赛就很有必要了。对于古希腊人来说这很简单：比赛要裸体进行，没有阴茎就没有参赛的资格。然而不幸的是，染色体性别、内部和外部性器官以及性别认同（感觉自己是男性还是女性）并不总是相匹配的，而不相匹配的状况可能会伴有睾酮水平的变化。具有过高睾酮水平的女选手相对其他女运动员来说，有一种不公平的取胜优势。20世纪曾发生过这样的一些事：

1930年，一个名叫朵拉（赫尔曼）·朗杰恩〔Dora（Hermann）Ratjen〕的男人被纳粹劝说以女性身份参加跳高比赛，并赢得了许多奖牌。

在1936年的奥运会上，百米比赛金牌获得者、美国运动员海伦·史蒂芬斯（Helen Stephens）被指责为是男性。经过检查之后发现，她确实是一个女人。

具有讽刺意味的是，1932年奥运会百米金牌获得者斯特拉·沃尔什（Stella Walsh）在一次持械抢劫中被杀害，而尸检时分不清其到底是男是女。

1967年，一批苏联女运动员被召集到妇科医生委员会接受脱衣检查，她们被怀疑体内具有过高水平的睾酮。医生们怀疑这可能是由于患有某种疾病或者是长期注射睾丸激素而造成的。

为了防止比赛中的不公平竞争，人们试图采用检查染色体的方法来分辨性别。然而，这种方法并不能对性别做出准确的排查，反而只会造成意想不到的个人痛苦。在用显微镜观察口腔涂片时，如果看到细胞核中的巴尔小体就证明有第二条X染色体存在，那么被检查者就是一位女性（XX性染色体）。这种检查使得波兰短跑选手埃瓦·克洛布克瓦斯嘉（Ewa Klobukowska）被排查出性别造假，她被迫交还了于1964年东京奥运会获得的奖牌。然而后来的结果证明，她具有一种异常的染色体模式，而她对此一无所知，这样的遭遇使她患上了抑郁症。

同样，患有完全性雄激素不敏感综合征的运动员，例如玛利亚·帕提诺（Maria Patino），也被很不公平地取消了参赛资格。患有这种综合征的病人，遗传学意义上的男性（XY性染色体）会发育为异性恋女性，虽然其具有睾丸，但是他们不会造成体育运动中的不公平竞争，因为他们分泌的睾酮不起作用。恰恰相反的是，这些个体还缺乏正常女性从卵巢和肾上腺分泌的睾酮的效应。当时存在这样一种自相矛盾的现象，患有轻度先天性肾上腺皮质增生症的女性反倒不会在这种检查中被取消比赛资格，而她们体内较高水平的睾酮完全可以显著增加她们的肌肉组织。20世纪90年代，比赛引入了一种新的测试方法——SRY，即Y染色体性别决定法，但是这也没使情况有多少改善。帕提诺起初退出了所有的社交生活，但是后来她还是决定进行反击。1988年，她成为首位被恢复名誉的女性运动员。

1950年，跑步女选手芙切·德利玛（Foekje Dillema）被取消比赛资格，其研究基础是什么至今还不清楚。安东·格鲁特胡茨（Anton Grootegoeds）教授的最新研究发现，芙切·德利玛的确是一位女性，由于患有极其罕见的染色体疾病，她的身体具有一些睾丸组织。有一种传言是，芬妮·布兰科–库恩（Fanny Blankers-Koen）或者她丈夫当年做了一些工作，使得荷兰皇家运动联合会（KNAU）对芙切·德利玛进行了性别检查。无论这消息是否属实，那场检查的确确保了芬妮·布兰科–库恩的一位真正竞争对手被清除出局。芙切·德利玛后来也恢复了名誉，但那是在她去世之后了。

最大的争议还是关于男变女异性癖者作为女运动员去参加竞技比赛。这看上去似乎是，你之所以会选择承受变性手术的巨大痛苦，是因为想获得一块奖牌。然而，蕾妮·理查兹（Renee Richards）却在美国赢了一场官司，获得了参加女子网球锦标赛的资格。根据变性学荣誉教授路易斯·高伦（Louis Gooren）的研究，从2004年起，接受男变女变性手术满两年之后的运动员可以参加女性竞技体育比赛，前提是激素水平达到正常值，而且性别身份也被正式登记改变过来。加拿大的变性自行车手克里斯滕·沃里（Kristen Worley）就曾试图正式报名参加2008年北京奥运会，遗憾的是，最终她没有获得参赛资格。

1999年，国际奥委会决定取消集体性别检查，但是一直保留着一支由专家组成的队伍，以在必要时进行调查。这的确比原来的那种对于这类复杂问题的简单且不适当的测试要好。

观看比赛比亲自参加比赛更健康

为什么现在还有很多人认为其他运动比动脑这个“运动”更健康呢？

在过去的100年里，人类对寿命预期的平均值已经从45岁升高到将近80岁，与此同时，人们的体力活动在明显减少。这似乎可以使人得出快乐的结论：懒惰是有好处的。然而事实并非如此。在这个世界上，人们能达成一致的观点很少，但人们普遍相信我们缺乏运动，而想要保持健康的唯一方法就是进行体育运动。许多公司都会赞助运动员，马拉松比赛也被组织成“为了患有癌症的儿童而进行的赛跑”。阿姆斯特丹医学科学中心本应该对这方面有更深刻的见解，但是它也在组织着每年一次的慈善长跑运动。清晨6点45分，针对荷兰老年市民的《MAX》健康栏目就开始用爆炸性的音乐以及穿着紧身衣跳跃的老年人的画面来惊醒沉睡中的人们了。

人们是从哪里获得“体育有益于人体健康”这种错误的观念的呢？肯定不像我那样，是从周末清晨在医院急诊室的工作经历中获得的。2009年1月上旬的工作经历就是一个很好的例子。当时天气异常寒冷，运河结冰，两周的时间里，一半的荷兰人都去河上溜冰，并摔倒在冰面上。各大医院的急诊室都在全力应付一万名额外的因骨折、冻伤等需要治疗的病人。这对公众健康没有任何贡献啊！而且，每年冬季从体育运动区将受伤的荷兰滑雪运动员空运回来的“石膏航班”也证明了体育运动并非健康的生活方式。

在荷兰，每年大约有150万起体育受伤事件，有一半以上都需要接受医学治疗。要是体育被取消，我们的候诊名单就会在一夜间消失。我们已经知道拳击会造成脑部的永久性伤害，而跆拳道运动员脑部受伤的风险则是拳击员的10倍。此外，足球运动员用头顶球，被其他运动员撞击头部都会导致脑细胞丢失。自希腊的第一届马拉松比赛以来，长跑比赛中一直有运动员丧命。15%的截瘫患者都是在体育运动中受伤的。美国电影明星克里斯托弗·里夫曾因出演《超人》而闻名，但是他因在一次骑马比赛中摔断了脖子而导致后半生瘫痪在床。

强迫性运动行为还可能是疾病的象征，例如，它是神经性厌食症的典型症状。神经性厌食症患者经常遭受着强迫进行消耗性运动的折磨。

几十年前，在慢跑成为时尚运动很久以前，神经病学和神经病理学家弗朗斯·斯塔姆（Frans Stam）教授从他在阿姆斯特丹法勒利斯广场的房间窗口望出去，非常惊讶地发现从对面大楼里冒出一个人，绕着广场以飞快的速度跑上好几圈然后又回到楼里。这个过程有时会在一天之内重复好几遍。几个月后这个人被送进了医院，经检查，他患有皮克氏病，这是一种大脑前额叶萎缩性痴呆症，首发症状通常是行为紊乱。

自从斯塔姆教授告诉我这件事之后，我一直都对慢跑者抱有一点儿提防。顺带说一下，似乎没有人在为运动员罹患肌萎缩侧索硬化症（ALS）这种运动神经元疾病的风险增高而担忧，也没有人在为荷兰每年大约有100名猝死在运动场或者健身房的人而忧虑。健美运动员们很愉悦地为自己注射着合成类固醇（过去他们还使用生长素），有时还会被感染克–雅氏病——一种病情进展非常迅速的痴呆症。《自由荷兰》杂志曾经调侃我们，一半的荷兰人在参加体育活动，而另一半荷兰人在开车送他们去医院治疗。看上去似乎就是如此。

有人可能会为此而争辩，说这只是帮助荷兰人延年益寿所付出的极其微不足道的代价，但这种观点似乎站不住脚。雷蒙德·珀尔（Raymond Pearl）早在1924年就曾经根据研究得出结论：剧烈的身体运动会减短寿命，这一规律似乎适用于整个动物世界。荷兰脑研究所的米歇尔·霍夫曼所做的比较生物学研究显示，两个因素决定了我们寿命的长短：新陈代谢和大脑的体积。新陈代谢率越高，人的寿命就越短，这与哈佛大学发现顶尖运动员的寿命都较短是一致的，因为体育运动所需要的巨大的身体做功能减短人的寿命。同样，美国的研究员拉金德·索哈尔（Rajinder Sohal）也发现，果蝇的飞行活动越多，死得就越早。如果你为了防止果蝇浪费能量而将它们限制在两块塑料板之间，那么它们的寿命将延长三倍。大脑也影响着寿命的长短：大脑容量越大，思维越活跃，我们的寿命也越长。

刺激大脑能推迟阿尔茨海默病的发病，并缓解疾病症状。相反，在小脑畸形症和唐氏综合征这些患者大脑体积很小的疾病中，患者的寿命都较短。此外，杰出科学家的大脑都比较大，因此寿命也更长一些。你可以通过给大脑提供新信息来刺激大脑容量的扩大，正如给儿童提供丰富环境刺激的实验那样。因此，如果你非常喜欢体育，那么观看比赛比亲自参加比赛更健康。要是你非要参加体育运动不可，那么下象棋可能是一种最好的运动。

第14章
道德的大脑，大脑的道德

失去前额叶皮层，我们将失去很多

前额叶皮层的功能主要是由损伤和疾病的进程决定的。

像许多大脑结构一样，前额叶皮层的功能是在一些事故、手术或者神经疾病的处理过程中被曝光的。

1884年，美国一名铁路建筑工头菲尼亚斯·盖奇（Phineas Gage）在引爆岩石时遇到了一场事故。他的工作是用一根铁棍在岩石上钻洞，将炸药、保险丝和沙子放进去。那一天他似乎是忘记放沙子了，结果爆炸的气流使那根大铁棍正好刺穿他的脑部，导致他左半脑前额叶皮层受到了严重损伤。令人惊奇的是，盖奇不仅活了下来，而且还能完全保持清醒，但是他的人格发生了巨大的改变。以前他是一个勤奋而负责任的人，现在他变得脾气暴躁、任性善变、具有攻击性，而且满嘴脏话，最终他被公司解雇。正如他的朋友们所说的，“盖奇再也不是从前那位盖奇了”。

的确，前额叶皮层的功能之一就是保证我们遵守社会规范。不久后，人们发现了前额叶皮层的另一个功能。

1861年，巴黎的保罗·布洛卡医生在医院里为一位昵称为“唐”的病人做尸体解剖。“唐”是那位患者唯一能发出的声音。该患者之所以不能言语，是因为其左半球前额叶皮层受到了梅毒性损害。这个负责产生语法正确的语句的脑区现在被称为“布洛卡区”。中风后，这个脑区将会使病人患上失语症，即说话障碍。

在盖奇发生事故的100年之后，精神外科科学达到全盛时期，医生们在额叶切除术的手术中会故意损毁前额叶皮层。对于动物实验发现的错误理解，导致医生们对精神分裂症患者或是具有暴力攻击行为的个体施行了这种手术。电影《飞越疯人院》生动地展示了这种手术如何将一个叛逆的、难以相处的病人转变成毫无情感的“行尸走肉”，他只能坐在椅子上神情茫然地看着前方。当然，在医生们看来他现在已经很好管理了，而且这也是他们认为额叶切除术很有必要的原因。这种手术使得病人明显丧失了主动性，但是对于它是否能有效地治疗攻击性行为的质疑声仍在不断地提高。

诺贝尔奖得主、这项手术的发明者安东尼奥·埃加斯·莫尼斯（António Egas Moniz）被一位愤愤不平的术后精神病患者从背后枪击，后半生只能坐在轮椅上度过，这个事件可能是对医学界的警告。从文献来看，还不清楚这个凶手是不是莫尼斯医生亲自进行手术的。

1951年，美国进行了18 608例额叶切除术，主要针对精神分裂症患者。这种手术的流行始于有“大脑切断机杰克”之称的沃尔特·杰克逊·弗里曼（Walter Jackson Freeman）医生，他激情澎湃地在各州巡回演示手术，甚至在门诊进行。他通过电击让病人昏迷，然后将一支冰锥从病人眼窝后方敲入到达前额叶，由此损毁前额叶与其他脑区的连接。在那个年代，没有人能理解这种手术对病人造成的影响。教皇庇护十二世宣称，教会不反对这种手术，“只要自由意志得以保留就可以，哪怕会失去一些人格”。另一位级别很高的天主教人物则补充说：“如果人死后灵魂可以存在，就可以假定接受额叶切除术后灵魂仍在那里。”这种手术后来被正确地描述为具有“部分性安乐死”的特征，因为病人的人格被磨灭而且变得毫无主动性。手术最终被叫停了，这不是出于伦理学的考虑，而是由于1955年左右出现了新的药物——抗精神病类药物。那么多接受过额叶切除术的病人所受到的伤害从来没有被正确地记录说明过，但是已经很清楚的是，前额叶皮层对于人格以及人的主动性具有至关重要的作用。

威廉·卡尔文（William Calvin）在其《向上流淌的河》一书中提到以下一段逸闻，表明前额叶皮层对于制订计划的重要性。

蒙特利尔著名的神经外科医生怀尔德·彭菲尔德（Wilder Penfield）有一个妹妹。她是那种能花4小时去准备有5道菜肴的正餐而不出一点儿纰漏的厨师。她做食物从来不会变冷或者煮得过头，因为它们总是在需要时就被主人刚好从炉子上或者锅里取出，她的烹调程序已经成为精准定时的方案了。不过，彭菲尔德的妹妹发现自己的天赋开始丢失。在几年的时间里，她越来越抵触周末家庭聚餐，因为她无法再像从前那样准确地做安排。准备平常的晚餐，她还是一位好手。大多数医生可能都不会注意到这些微小的线索，但是彭菲尔德医生的临床直觉告诉他，妹妹的前额叶处可能长了一个肿瘤。事实的确如此，他为妹妹做了手术，他妹妹也痊愈了。

然而，这个将大部分右侧前额叶皮层和肿瘤一起切除的手术并没有使他妹妹的组织能力得到恢复。术后15个月，她准备过一次给4位客人的晚餐，她失败得一塌糊涂，因为她不再具有主动性和做选择的能力，而这些都是前额叶皮层的典型功能。

前额叶皮层还确保我们遵守社会规则。在皮克氏病及其他类型的额颞叶痴呆中，前额叶皮层都会受到严重的损害，并在最终收缩得像一个核桃。在皮克氏病早期，记忆力减退并不像行为紊乱那么明显，全面的痴呆症症状要在许多年之后才会出现。

一位患有皮克氏病的教授最早出现的是丧失礼仪行为，他因为对着沙龙里的钢琴撒尿而出名。有趣的是，多年来对于荷兰人脑库中的脑标本的研究显示，绝大部分在生前经过临床诊断被确诊为皮克氏病的患者的脑内没有出现显微镜下典型的“皮克氏体”病理改变——这种病理改变的特征是脑细胞内出现一种球形包涵体。然而，在过去的10年中对这些标本的研究发现，它们中的一些具有帕金森氏病特征的运动障碍患者罹患的其实是“第17号染色体上基因变异性额颞叶痴呆”。处于这种疾病早期的患者，也会表现出行为异常，例如社会行为紊乱、性欲过剩或者冷漠、酗酒，有攻击性行为、抑郁症以及精神分裂症倾向等。目前，人们还在努力识别新的痴呆类型。

就这样，通过前额叶皮层的损害、疾病以及逆向推理，人们逐渐了解了前额叶皮层的功能。

道德行为：兽性中的人性

我写这章的目的是想向人们展示，人类和高级哺乳类动物之间在智力方面没有根本的差别。

——查尔斯·达尔文

“智能设计”的拥护者们相信，道德没有生物学基础，它是上帝赐予人类的恩典，忠实于上帝的人可以站在前排领到它。因此，分子生物学家和新加尔文主义学说教授汉克·尤金森（Henk Jochemsen）在凯斯·德克（Cees Dekker）2005年编辑出版的关于智能设计的书中宣称：“根据社会生物学和进化伦理学的观点，真正的利他行为从生物学角度来看是违反常情的、病态的，因为它违背了人类的天性。然而，大多数文化以及伟大的宗教都将真正的利他行为视为高级的理想。”

熟知达尔文理论或者荷兰灵长类动物学家弗朗斯·德·瓦尔的理论的人都知道，这种说法根本站不住脚。达尔文曾非常详细地描述了人类的道德意识是如何从对种群的生存起重要作用的社会本能中发展出来的。这类行为可以在所有的需要一起合作的动物物种中发现，例如灵长类动物、大象以及狼。

拥有共情（empathy），即识别和分享他人感觉的能力，是道德行为的基础。我曾被我家的狗对于它的玩伴——我女儿家的狗所表现出来的“共情”而感动。

当时，我女儿家的狗的腿部做了一个手术。这两只小狗通常会撒野似的嬉戏，但是手术之后，我家的狗小心翼翼地靠近它的同伴，嗅探它，长时间一动不动地守在它身旁，在凝视它的同时还不时地轻声发出一些呜咽来表达自己的同情。它还会走到近处，小心地舔着同伴接受过手术的腿。

如果在象群中有一头大象中了子弹或者中了麻醉飞镖，其他的大象就会大声悲鸣并帮助它重新站起来。它们会用鼻子拖它，或者用身体推它，往往还会连续几小时地坚持这种救援。不仅是大象，白嘴鸦在群体内部发生冲突之后会寻求伴侣的安慰。这些终生为伴的鸟儿会表露感情、分享食物、相互梳理对方的羽毛、充满爱意地将喙靠在一起，似乎是在接吻。

动物界中的感人事件真是举不胜举。在一个动物园里，一只生病的老猴子被放到一个新群体中，由于它不明白动物园管理员的意图，因此它表现得很无助。当它因迷路而大声惊叫时，其他的猴子就会来到它身边安慰它，让它镇静下来，并把它带回猴群。要是阿姆斯特丹的居民们也能有如此的文明程度该多好！黑猩猩之间的友情以及它们照看受伤同伴的行为也证明了灵长类动物的确拥有道德意识。倭黑猩猩抚慰一只受伤的小鸟只能归因于纯粹的同情心。1966年，美国芝加哥动物园里的一只大猩猩拯救了一名从6米高失足掉落的3岁男童。

其他动物也有牺牲自己救助人类的例子。在加利福尼亚，曾有一条拉布拉多犬跳到主人前面，以免主人被响尾蛇咬伤，给“人类最好的朋友”这一称号注入了新的含义。海豚不仅是游泳者的救生员，它还会想办法营救被困于渔网的同伴。

同情心和助人为乐是人类道德的核心，但是它有着漫长的进化历史，肯定不是人类独有。上述这些例子已经足以显示激进的基督徒、荷兰智能设计运动的支持者凯斯·德克所谓的“道德是基督徒所独有的特征”的宣言是完全错误的。2006年，凯斯·德克在一次荷兰《人民报》（Volkskrant ）的采访中称：“耶稣说过，‘用你的整个心灵热爱上帝，像爱你自己一样地热爱邻居’这是一句道德箴言，是一种难以被探索的法规，也是一种无法接受科学方法考证的研究。不过，人们能够区分善良和邪恶。”“智能设计”的追随者们看上去不会阅读他们所批评的对象的文章。结果是，他们也不会明白宗教根本没有创造过任何道德戒律，只不过是在这些道德行为在社会性动物（包括人类）中进化出来之后，宗教直接接收了它们。

无意识的道德行为

人类历史上最大的悲剧可能是通过宗教掠夺了人类的道德。

——阿瑟·克拉克 [1]

道德准则的作用是促进社会群体内部相互合作和支持，而且它们像社会契约一样约束着个人行为以使整个群体受益。达尔文的道德心理学理论追踪出伦理行为的进化并非是以个体之间的自私竞争为基础的，而是以群体内部的团结为基础的。在进化过程中，利他性的行为是以模仿父母对于后代所表现出来的呵护关爱行为而发展出来的。然后，利他行为将根据“己所欲施于人”的原则而扩展到同类的其他人身上。这种在几千万年的进化中所产生的行为最后成为人类道德的基石，并在最近的几千年中被宗教合并到自己的教义中去。具有讽刺意味的是，在所有可以将群体联合在一起的刺激中，树立一个共同的敌人是最强大的刺激，但是许多世界级领导人都在滥用这种机制。

道德的生物学目标——促进合作，就是为了让自己群体中的成员获得优惠待遇。将对核心家庭以及大家庭的忠诚摆在第一位，然后是对群体的忠诚。一旦你自己的生存以及与你关系最密切的人的健康得到保障，你就可以扩展你的忠诚圈子，就像德国戏剧家贝尔托·布莱希特（Bertolt Brecht）所写的那样：“先啃饱，再道德。”

目前，我们已经做得非常好了，把这种忠诚圈子延伸到了西方世界、第三世界以及动物福利中，自1949年日内瓦公约签订以来，这个圈子甚至延伸到我们的敌人中。然而，人类其实早在远古时期就已感觉到这种道德延伸进程的必要性了。公元前3世纪，中国哲学家墨子看到战争给人们带来的毁灭时曾发出过这样的感叹：

用人们全都相爱、交互得利的方法去改变它。 [2]

看待别人的国家就像自己的国家，看待别人的家族就像自己的家族，看待别人之身就像自己之身。 [3]

在《智慧设计》（Intelligent Design ）一书中，吉策·范·德·梅尔（Jitse van der Meer）博士写道：“人类是唯一能够进行道德思考的灵长类动物。”然而，灵长类动物学家弗朗斯·德·瓦尔已经指出，人类经常是毫不考虑道德行为，而是根据生物性冲动快速且本能地采取行动。我们仅仅是在事后才想出一些理由来解释那些在瞬间已经无意识地做过的事。

我们的道德价值观是经过千百万年的进化而形成的，而且是根据普世的价值在潜移默化中形成的。在社会发展早期，道德行为已经呈现出来了。动物们也能表现出这些道德行为的事实更加说明了道德是具有固定化的发展线路的。小孩子在学会说话或者思考道德问题之前，就具有安慰感到痛苦的家庭成员的本能，这与灵长类动物之间互相安慰是一样的。在一个实验中，成年人假装出很悲伤的样子，那些一两岁的婴儿便做出试着安慰他们的反应了。这种行为并不仅限于儿童。在同样的实验中，宠物也表现出安慰他人的强烈本能。大猩猩也可以像一个一岁半的婴儿那样表现出与奖励刺激无关的利他性行为。它会把手上的棒子递给另一只大猩猩，或者把一支铅笔递给一个孩子，仅仅是因为对方够不到它们。此外，它们还会反复做这些事，并不期待有任何报酬。因此，我们的利他主义精神以及助人为乐的行为能得以传承。智慧设计论者吉策·范·德·梅尔博士所宣称的“良好行为并没有生物学的原因而且必须通过教育习得，因为它不是先天固有的”，是缺乏依据的。智慧设计论的拥趸们，要是将你们毫无科学根据的概念放到一个全景中去，将声调放得柔和一些，应该不会令你们感到受伤吧！

什么样的大脑是“不道德脑”

不仅是前额叶皮质，还有很多脑区也参与了我们的道德决定。

我们的大脑里有一个由神经生物学建筑模块组成的，经过了漫长进化过程的“道德神经网络”。首先，当我们观察他人的动作时，我们脑内被称为镜像神经元的细胞开始活动。当你看到某人做了一个手势时，你的镜像神经元会像当你自己做那个手势时那样放电（即激活）。镜像神经元能帮助我们通过模仿而学习，而且在大多数情况下这是一种无意识的过程，新生儿在出生一小时后就可以模仿成年人的嘴部运动。这些镜像神经元还能对他人所表现出的情感做出反应，使我们感受到其他人的经历，为共情提供基础。镜像神经元存在于大脑最前端的前额叶皮层以及其他一些大脑皮层中。

前额叶皮层包含了道德神经网络的重要组成成分，它确保了我们感受到的情感与我们的道德观念相连，它对社交信号做出反应并抑制冲动和自私的反应。前额叶皮层还在判断某种“交易”是否公平时起着至关重要的作用。在对前额叶皮层受损（例如肿瘤、枪伤或是其他伤害）的研究中，人们清楚地了解到它对道德意识形成的作用：这个脑区的损伤会导致行为不良、精神变态以及不道德行为的产生。在美国，曾有一位法官因前额叶皮层受到手雷弹片的损害而丧失了对案件的判决能力，从而不得不告别自己的职业生涯。如果一个人在小时候前额叶皮层就受过损伤，他掌握道德观念的能力就会受到破坏并出现精神变态行为。在被指控犯有谋杀罪的犯人的脑中，的确发现了其前额叶皮层功能出现了障碍。始于前额叶皮层的脑部疾病——额颞叶痴呆的首发症状通常是反社会和流氓行为，包括性骚扰、动武、抢劫、偷盗、打架和恋童癖。人们通常都是在后来才鉴定出这些异常行为是发病的开始。在面临道德困境需要做出选择时，例如面对是否应该牺牲一个人的性命而挽救许多人的命题，前额叶皮层发挥着核心作用。大多数人都觉得，做出这些决定是极其困难的，但是前额叶皮层受损的个体可以很冷静地完成决定，在他们的推理过程中，他们更不会带有感情，也更为客观。

除了前额叶皮层外，其他皮层和皮层下脑区在道德功能中也扮演重要角色，包括颞叶最前部区域及其内部的一个杏仁状的结构（杏仁核）、隔膜（脑室之间的薄膜）、奖赏回路（腹侧被盖区/伏隔核），以及位于脑干之上的下丘脑。所有这些脑区对于作为道德行为基础的动机和情感都起着至关重要的调控作用。杏仁核还参与了估算面部表情的社交含义并给予适当回应的过程。谋杀犯和精神病患者具有伴随着颞叶异常的杏仁核功能紊乱，这就解释了后者为什么对受害人的悲伤和恐惧表情没有什么反应。人类本能地不喜欢那些由邪恶的动机而激发的行为。这样的行为会受到谴责，在刑法的背景下会受到严厉的判决。不过，如果你通过经颅磁刺激技术破坏右侧颞叶、顶叶之间的连接，从而破坏某人的道德神经网络，那么他将不再在意动机是否是道德的，因为他再也不能理解某个行为背后的动机了。

因此，我们的道德神经网络并不仅限于新皮层（即大脑最近进化出的脑区），在进化过程中的许多古老的脑区对于我们的道德功能都起着同样关键的作用，诸如负罪感、怜悯、同理心、羞耻感、自豪感、蔑视和感激、厌恶、尊敬、愤慨和发怒等典型的道德情感都取决于上述脑区之间的相互作用。功能性脑扫描研究发现，人们在面临可怕的道德困境的测试中，例如面临需要捂死一个哭泣的婴儿以拯救更多人的“任务”时，脑区活动将会发生改变，而这些脑区早在与脑损伤和肿瘤相关的研究中就被发现与道德功能有关了。

当我们思考美好的道德冲动时绝不应该忘记，思考共情能使我们理解他人并分享他人的情感，同时它也让我们可以想象如果我们故意伤害或者折磨他人，他人的感受将是什么，而这些情感也有可能令人沉湎于其中。

大自然教给我们什么是更好的社会

人类就是高傲的黑猩猩。

弗朗斯·德·瓦尔从1981年起在美国工作，前不久他出版了他的第9本书。这是一部精彩的著作，充满了乐观主义精神，书名叫《共情时代》（Age of Empathy ）。在书中，他再一次刻画了动物和人类的行为之间的相似性，预示着人类共情的时代即将来临。

在撒切尔夫人和里根总统时代，人们错误地认为自由市场经济是一种自我调节系统（即不适应者会自我消亡），在这一信念达到顶峰之后，到布什时代导致了噩梦一般的金融危机。是时候叫停公司老板们、CEO们和银行家们的贪婪文化了。弗朗斯·德·瓦尔写道：“贪婪出，则共情入。”人类并不仅仅是最具攻击性的灵长类动物，人类也是最具同情心的，例如人们在2005年卡特里娜飓风以及2008年中国汶川大地震后的援助中所表现的那样。这些都涉及心理平衡的问题，也是近些年来明显缺乏的。

根据弗朗斯·德·瓦尔的观点，共情，这种能和他人的感情产生共鸣的能力，应该重新占据社会的上风。共情有着漫长的进化历史，可以追溯到哺乳动物发展的两亿年前。2009年的G20峰会决定限制银行业的奖金发放，这样看来，弗朗斯·德·瓦尔的理念可能是正确的。弗朗斯·德·瓦尔是一位坚定的达尔文主义者，他证明了就情感而言，人类的全部行为在动物中早已存在。

共情最初是由模仿雌性动物照看其幼崽的行为而引发的，这是一种自动的反应，不仅涉及在近期才进化的脑区——前额叶皮层，还涉及在进化中更为古老的脑区。除精神病患者以外的几乎所有的人都能产生共情。群体间的相互竞争无论是在猴子世界还是在人类社会中都具有重要地位，但是，合作、公平分配以及帮助他人的美好感觉也同样非常重要。如果你给两只完成同样任务的猴子各一片黄瓜，它们就都能很听话。不过，要是你给其中一只猴子一串葡萄，给另一只猴子一片黄瓜，那么第二只猴子就会又吵又闹，甚至将黄瓜扔出笼外。

弗朗斯·德·瓦尔在这本书中引用了大量神经科学的例子来解释行为背后的机制。他不但提到了镜像神经元，还提到了性别差异。结果显示，女性在面对一个骗子被惩罚的场景时会持续表现出同情心，而男性在这种情形下将不会产生同情——事实上，男性脑内的奖赏回路在此刻对于这种惩罚的反应被激活，这种惩罚行为给他们带来了真实的快感。然而，我还不能完全相信弗朗斯·德·瓦尔所称的“Von Economo神经元”（又称“VEN细胞”或“纺锤形细胞”）是自我意识，即我们站在镜子前面能认出自己的能力的基础。

要拥有共情，就需要将自己与外部世界区分开。这一能力是通过使用镜子进行标记实验而研究得出的。在实验中，人们给动物的前额用颜料做标记，然后让动物站在镜子前面观看自己。它如果能意识到是在看自己，就会触摸这个标记或者设法把这个标记给抹去。两岁的婴儿、灵长类动物、海豚以及大象都通过了这个测试，显示出他（它）们都具有共情。

在西方社会，人们也只是在最近才接受了“动物也具有情感”这一观点。1835年，当第一只黑猩猩和红毛猩猩在伦敦动物园被展览的时候，英国女王维多利亚称它们是“可怕的，痛苦而难以相处的人类”。然而年轻的达尔文却发现，任何认为人类比猩猩优越的人都应该去动物园好好地看一看。

弗朗斯·德·瓦尔在接受一位宗教杂志记者的采访时被问到，如果他是上帝，他希望对人类做出哪些改变。弗朗斯·德·瓦尔说，他不希望上帝以激进的方式改变人类，只希望上帝能通过给予人类更多的共情，从而增进人类“四海之内皆兄弟”的感觉。我个人对于这种愿望是否能去除世界所面临的种种问题持怀疑态度。的确，弗朗斯·德·瓦尔在书中给出了恰恰是反对他自己观点的论点。如果你对所有人都敞开心扉、加以信任（这是威廉姆斯综合征的特征），别人就会觉得你不正常并将你排斥在外。此外，共情也有阴暗面。人类之所以善于折磨别人，恰恰是因为他们善于想象别人的感受。事实上，共情能力越强的人越残忍。弗朗斯·德·瓦尔列举了纳粹卫兵的例子：他们在集中营里进行着令人难以想象的残忍行动，但是下班后回到家里，他们是充满爱心的好丈夫、好父亲。人们可以富有共情力，也可以有选择地加以应用。

注解：

[1] 　Arthur Clarke，英国著名科幻作家、著名科学家、国际通信卫星的奠基人。——编者注

[2] 　原文为：“以兼相爱交相利之法易之。”——编者注

[3] 　原文为：“视人之国若视其国，视人之家若视其家，视人之身若视其身。”——编者注

第15章
记忆

记忆是怎么回事

智力活动能刺激它会利用到的脑区内的神经元和轴突发育。以这样的方式组成神经元之间的连接，能通过神经末梢分支数目的增加而加强。

——拉蒙·伊·卡哈尔

1929年，埃里克·坎德尔（原名埃里奇·坎德尔）出生于维也纳一个犹太家庭，9岁生日那天，他得到了一件生日礼物——一辆漂亮的蓝色遥控19汽车。两天之后的“水晶之夜” [1] ，两位纳粹警察勒令坎德尔一家离开。他的父亲也被迫拿着刷子去街上清洗那些鼓励市民为奥地利的自由而投票的标语。几天之后他们被允许回家时，发现家中已被洗劫一空，那辆蓝色的遥控汽车也不见了。经过1年的等待，他们一家终于获得签证，移民到美国，随后埃里奇改名为埃里克。

他接受了精神科医生的培训，毫无疑问，这是受到他的第一任女友父母的影响，他们是与弗洛伊德共事的著名的心理分析学家。心理分析学的确令坎德尔深深着迷。1955年，他在哥伦比亚大学满怀热情地告诉著名的电生理学家哈利·格伦特菲斯特（Harry Grundfest）教授，他想找寻弗洛伊德关于心智理论的生物学依据。

当时，弗洛伊德将人格分为三个组成部分：“本我”（Id），即无意识的、原始的成分，受快乐原则的驱使；“自我”（Ego），该部分试图将本我的欲望和现实相均衡；“超我”（Superego），作为良心和道德指南的一部分。弗洛伊德本人从来没有考虑过这些假说性的元素在大脑中的具体位置。

格伦特菲斯特，这位将坎德尔引荐到神经科学领域中的教授，在耐心听取了坎德尔的难以实施的研究计划之后，给了他一条对于他的学术生涯来说最重要的建议：“如果你想理解人类的心智，你就必须一个细胞一个细胞地研究大脑。”坎德尔正是采纳了这条建议，先研究记忆的细胞生物学，再研究记忆的分子生物学，最终他获得了2000年的诺贝尔生理学或医学奖。这一扣人心弦的探索过程后来被他记述在自传《探索记忆》一书中。

记忆被定义为储存和提取信息的能力，它给我们提供了清醒地了解自己的过去的能力。坎德尔最初聚焦于研究海马体，这部分脑组织对记忆起着至关重要的作用。不过，这个结构实在是太复杂了，于是坎德尔就去寻找一种更简单的有机体来作为研究模型，最终他选择了大型海蜗牛。他说自己是根据直觉来选择海蜗牛的，这与选择丹尼斯作为妻子类似，即相信自己的直觉。在这种原始有机体身上，记忆的不同方面都由简单的神经反射表现出来，这些神经反射由少数的神经元引起，而这些神经元之间具有清楚的突触联系。这种简单的神经回路使得研究神经元的学习过程变得简单。坎德尔通过实验证明，神经元之间的联系并不是一成不变的，在对电刺激有所反应时它们可以减弱或是增强。换句话说，神经系统并不是像一个老式的电话中转站一样包含着固定不变的联结，而是正如被证明的那样，这些联结具有可塑性。有一些在发育过程中形成的神经回路，不但包含了一些与生俱来的行为，还包含了可以通过后天的学习来改进的成分。

有研究证实，学习的过程是以突触联系强度的变化为转移的。重复性刺激的学习过程可以加强神经元的联结，这为“熟能生巧”提供了证据，而且这也是记忆的基础。学习、记忆、遗忘的不同过程都是由神经元所产生的许多不同的化学信使而引起的。海蜗牛同时具有短时记忆和长时记忆，与人类一样，它也需要重复训练，而且在训练期间需要休息。在短时记忆中，例如记住一个电话号码后拨号，那么仅仅只是神经元的现有突触的强度会有改变。这种改变是纯功能性的。短期记忆的能力非常有限，而且如果这些记忆不加以巩固，那么就只能保存几分钟。长时记忆则需要神经元新合成的蛋白质去形成新突触，因此它涉及形成新的神经元联结。这相当于结构性的改变。长时记忆有时被比喻为可以永久性地储存信息的电脑硬盘，而短时记忆则可以看成是电脑的工作记忆或者随机存取存储器（RAM），其中的信息每秒钟都在改变，而且还取决于正在应用的任务和程序。

在记忆的早期阶段，脑震荡、心脏病发作后的缺氧、治疗抑郁症的电休克治疗等都会导致记忆障碍，使人对发生在这类创伤之前的事件失去记忆，这种状况被称为“逆行性遗忘”。由于这些病例的记忆今后还可以逐渐恢复，因此问题似乎出在“访问”（读取）这些记忆中，而不是存储这些记忆的过程中。已经存储的记忆在若干年之后就不大会受到那些扰乱的影响了。最终，长时记忆存储的是个体对世界和自身的整体认识与经历。

学习的过程可以导致大脑结构发生改变，就像拉蒙·伊·卡哈尔在1894年所观察到的那样（见本节前引言）。例如，专业小提琴手的大脑皮层负责左手四根参与演奏的手指的部分要比不演奏弦乐的人大5倍。当我看到那些年轻人飞快地用手机发文字短信时，就觉得他们大脑皮层的拇指区一定比我的大很多。

坎德尔还揭示了突触强度的改变以及新的突触形成时的分子过程，在此过程中建立了一个全新的研究领域——认知分子神经生物学。他发现了信息通过巩固的过程从短时记忆转变为长时记忆的分子机制，海马体在这个过程中起到了重要作用。同时，坎德尔还揭示了承载着强烈情感负荷的事件是如何一起绕开短时记忆的途径而直接将自己刻到了长时记忆中去的。在这一过程中，杏仁核起到了至关重要的作用。在发现了衰老过程中的正常的记忆衰退的可能性分子基础之后，坎德尔建立了一家名为“记忆制药业”（Memory Pharmaceuticals）的公司。可惜到目前为止，他还没有制造出理想的记忆药丸。

在获得诺贝尔奖之前不久，78岁的埃里克·坎德尔在荷兰阿姆斯特丹获得了“喜力医学奖” [2] 。在去瑞典斯德哥尔摩领取诺贝尔奖之后，他回到了奥地利维也纳，他在那儿举办了一场研讨会，主题是关于奥地利当年对“国家社会主义” [3] 的热烈回应问题。通过这种方式，他谴责了他的祖国对于政府在纳粹时期所扮演的角色的集体否定。这位因为对记忆的研究而闻名于世的科学家非常震惊地发现，奥地利的小学生竟然对希特勒以及大屠杀事件一无所知。在维也纳之行中，他获赠了一辆与他孩提时代被纳粹偷去的那辆蓝色遥控汽车一模一样的玩具车。他以自己典型的简明风格对此做了评论，说自己没有为那辆小车留在维也纳而感到遗憾，他说：“我到了美国，我在那儿的生活很精彩，现在我有了一辆奔驰。”

大脑的哪些部位与记忆有关

如果记忆是存在的，它就是无所不在的。

神经元之间的联系会根据神经系统的活性而发生改变。记忆就是这样进行编码的，这也是所有神经元的特征。从这个意义上来说，你可以认为记忆广泛地分布于神经系统中。不过，某些脑结构明显与记忆力相关。功能性脑扫描检查可以显示一个脑区是否参与了某些功能，但是对患有局部脑损伤的病人的临床检查所得到的信息，对于我们了解某些脑区是否真正为大脑的某项特殊功能所必需也至关重要。通过对那些患有脑部疾病、脑部受子弹和其他损伤以及接受脑部手术的病人的系统性研究，人们已经获得了诸如大脑皮层的不同部位在记忆中的作用的有价值的信息。在美国出生的加拿大脑外科医生怀尔德·彭菲尔德在给患者做手术之前，在患者意识仍然清醒的状态下，采用电极刺激病人的颞叶，因此他可以更精确地进行手术定位。这使病人恢复了特别明晰的记忆，一些患者躺在手术台上就可以唱出完整的歌曲。

直到1953年，人们才发现颞叶对记忆的重要作用。当时，美国神经外科医生威廉·斯科威乐（William Scoville）切除了一名在自行车事故中患上了严重癫痫症的病人（著名的H.M. [4] ）的大部分颞叶。手术治好了他的癫痫症，但是导致他患上了严重的健忘症。他无法学习和接受信息，尽管他的短时记忆还保持完好。例如，他可以通过持续复述数字7而在短期内记住这个数字，但是一旦这个过程被打断，他就根本不知道自己刚才在试图记忆的是什么。换句话说，从短时记忆到长时记忆的通路被切断了。神经心理学家布伦达·米尔纳（Brenda Millner）是H.M.的治疗医生，她与H.M.交谈后过了几分钟再次踏入其病房时，H.M.总是会说：“好久没见到你了啊！”H.M.的个人历史在手术之后就彻底停止了。在他的意识中，他一直停留在30岁。年老后，他无法认出自己最近照片中的形象。直到2008年他去世时，他还在坚定地认为哈里·杜鲁门是当时的美国总统。搬家之后，他总是回到自己的老房子，因此当他外出时家人总是不得不陪着他。

大脑前额叶皮层拥有许多功能，也负责协调各个脑区以建立工作记忆或短时记忆。这种记忆能使你在短时间内记住某些信息，例如你想拨打的电话号码、你制订的计划或者你需要解决的问题。工作记忆对于处理语言也具有极其重要的作用。目前人们认为，那些具有诵读困难症的儿童就存在着工作记忆发育不充分的问题。前额叶皮层通过集中注意力和选择刺激与海马体密切合作形成工作记忆（见图15-1）。在记忆实验中，那些能同时激活这两个脑区的词语是被记得最牢的词语。如果你仅仅是为了打个电话而记住一个电话号码，那么你只需要应用你的工作记忆。不过，如果你经常重复这个号码，那么你就能将它储存到长时记忆中。工作记忆是为了一般用途而存在的短时记忆的空间，它对人们完成复杂任务和表现功能至关重要。它使H.M.记住了一些数字或词语，但是接下来他无法以正常的方式重复这些信息，从而将它们从短时记忆转化为长时记忆。

图15-1　信息通往长时记忆所采用的路径始于内嗅皮层，它位于深部脑区的海马旁回

颞叶中的海马体对记忆起到了至关重要的作用。H.M.的癫痫症病灶位于海马体，因此医生在手术中切除了他2/3的海马体。海马体，顾名思义就是这个脑结构外形像是海马的尾部，卷曲并呈现出齿状的背鳍。H.M.在术后（大部分海马体丧失的状态下）还可以完好地回忆起近3年的时间内所发生的事情，这证明了海马体不是遥远记忆的储存位点。H.M.在术后完全不能形成新的记忆的现象为人们了解海马体的功能提供了线索。从那之后，对神经性疾病患者的研究表明，即使海马体只受到小部分损伤，也可以导致病人形成记忆的能力受到相当大的、长期的损伤，或者是出现顺行性遗忘，正如H.M.在手术后的极端表现。

海马体专门负责整合来自感官的信息。你安排与人见面的餐厅的位置、你将要看到的人的长相、厨房里的声音和气味以及铺设好的餐桌的位置，这一切全都融合成“自传式记忆”（autobiographical memory）中独立而连贯的项目，这种记忆也被称为“生命的编年史”。接下来，在这次晚宴值得被记住时，这些信息就会被储存到长时记忆中。这一系列步骤的完成都是海马体和一个位于颞叶皮层下方附近的脑区——内嗅皮层或者海马旁回密切合作的结果。不过，H.M.的海马旁回也被斯科威乐医生切除了。

那么，信息是先到达这两个脑区中的哪一个的？对在癫痫症患者脑部置放电极的研究为这个问题提供了答案，患者接受了记忆测试，他们不同的脑区都接受电流干扰并达到选择性的失活。研究证实，内嗅皮层首先被激活，接下来是海马体。内嗅皮层是阿尔茨海默病的首发症状出现的部位，该疾病的典型的记忆问题也的确是近期信息的遗忘。阿尔茨海默病患者会忘记1小时之前发生的事情，但是却能告诉你他小学时代一位同学的详细的故事。海马体不仅对记忆起着至关重要的作用，而且还能展望未来，这些能力在双侧海马体受损的病例里得到了说明。

幸运的是，并不是所有的近期信息都会被储存在长时记忆中。有谁会想着保存他一生中所经历的每件事情的每一个细节，例如每一顿饭、每一次谈话以及每一本书中的每一个字呢？那样只会让我们确定和获取真正重要的信息变得极其困难。的确有人能够记住并复述巨大量的琐碎的信息，例如数字系列、整本电话号码或者火车时刻表，但是获得这种能力的代价是大脑其他功能的衰退。这些“学者”通常都患有自闭症，在诸如社会交往或者抽象思维方面具有严重缺陷（见第10章第3节）。那么，什么样的信息才会被筛选出来存储到长时记忆中呢？这取决于信息的重要程度以及在特定的时刻信息所承载的情感负荷。每个人可能都会记得当听到2001年9月11日纽约世贸中心遭受袭击时自己当时在哪里以及正在做什么事。

杏仁核位于海马体的正前方，它通过应激激素皮质醇记忆那些携带着强烈情感负荷的信息。结果是，创伤性的经历立即能被长久地存储到长时记忆中。这也解释了为什么我们80%的早期记忆都有一些负面的联想。与生存相比，记住那些令人恐惧、震惊和悲哀的经历比记住那些愉快的经历更为重要。不过，这种机制也造成了一些问题。一个患有颞叶癫痫症的女人，其病灶位于杏仁核上，因此当癫痫发作的时候总是产生相同的幻觉，重新经历年轻时的一段创伤性时刻，这让她感到无比悲哀。记住危险是具有显著的进化优势的，例如在战争期间，这样一来，当类似的情形发生时，你就能立即警觉起来。这样一种天然的倾向性也会以病态的形式呈现出来，例如，一位荷兰士兵从国外战场返回家乡，但他却没有意识到他已经脱离危险。在他回到阿姆斯特丹之后仍然感到恐惧并处于威胁之中，他的脑海中一直回放着战争的场面，在街上听到一声巨响就要寻找一个掩体躲藏——他患上了“创伤后应激障碍”（post-traumatic stress disorder，PTSD）。在第一次世界大战期间，这种症状被称为“炮弹休克”（shell shock），有306名患有此病的英国士兵因拒绝重返前线而被处决。患有创伤后应激障碍的老兵的杏仁核工作得“太好”了，以至于屏蔽了前额叶皮层向他们发出的“危险已经结束”的信号。杏仁核对危险的反应受到化学信使去甲肾上腺素的调节。因此，患有创伤后应激障碍症的老兵可以通过接受β受体阻滞剂（具有对抗上述反应的效果）的治疗，防止杏仁核对这些激烈的经历做过强的标记，并防止个体被应激性的记忆击倒。边缘型人格障碍患者的症状包括情绪不稳和冲动，其基础也是由于杏仁核夸大了负性刺激的反应。在这种疾病中，患者的负性情绪与强烈的应激反应相连，导致病人罹患逆行性或者顺行性遗忘症的风险升高。H.M.的杏仁核和其他对记忆至关重要的颞叶结构都被切除了。

H.M.的大脑目前被存放在美国圣迭戈，已经被切成极薄的大脑切片，这个过程可以在线阅览。接下来，研究人员会进行一项史无前例的广泛的显微镜下检查，以精确地了解在几十年前的那场手术中，到底他的哪些脑结构被切除或者被损伤了。

信息是如何到达长时记忆的

脑损伤见于所有会产生身体接触的体育项目，从拳击、跆拳道到橄榄球和足球。

在睡眠期间，海马体持续地激活记忆，并将它们传输到大脑皮层。不过，人们尚不清楚这个过程主要发生在做梦睡眠（快动眼睡眠）期间还是在脑活动较为不活跃的睡眠阶段。信息通往长时记忆所采用的路径始于内嗅皮层。在前额叶皮层的指导下，信息在海马体内被短期储存。从海马体开始，信息沿着两条通路传递：一条是回到颞叶皮层被长时记忆储存，另一条更长的路径则是沿着穹窿的巨大弓型，悬浮在隔膜之上，向下丘脑方向传递。之后，一些纤维传递到乳头体，还有一些则传递到下丘脑内部。

职业拳击手脑内的这些连接经受了那么多次的击打，无可避免地会遭受损伤，从而造成痴呆、震颤、步态不稳以及极端的行为的改变，这就是职业拳击手的职业病——“拳击醉态综合征”，或称“拳击痴呆性脑病”（dementia pugilistica）。患有这种综合征的退役的拳击手在接受检查时，我们经常可以看到他们的隔膜断裂、穹窿萎缩、穹窿内纤维的绝缘材料髓鞘缺乏、乳头体体积过小且布满疤痕，以及由于脑组织的丢失而导致的第三脑室扩大。其他的发现还包括，阿尔茨海默病的改变，大脑皮层萎缩和细胞丢失，主要发生于颞叶和海马体（见第19章第1节）。换句话说，有大量证据表明，这些拳击手会出现严重的记忆损伤和其他脑部功能障碍。这一类型的大脑损伤并非局限于拳击运动，在其他所有的会产生身体接触的体育项目中都会发生，从跆拳道到橄榄球和足球。上述脑区和通路中发生的脑梗死或脑出血也能造成记忆损伤，甚至是痴呆症。在因酗酒和饮食不良而造成的维生素B1 缺乏，进而导致的科萨科夫综合征患者案例中，他们的乳头体会出现小的出血灶和疤痕。科萨科夫综合征患者会出现与颞叶损伤的患者类似的记忆衰退。患者会编造一些故事来填补记忆中的空白。乳头体对记忆的重要性不仅是通过与拳击、肿瘤或者手术（见第6章第2节）等相关的问题体现出来，也能通过一场离奇的台球比赛而得以阐明。一名选手被对手的母球击中了鼻子，他的乳头体因此被损坏，这个可怜人最终出现了严重的记忆障碍。

信息从乳头体向丘脑转移。丘脑的梗塞会造成严重的记忆障碍甚至是痴呆症。接着，信息从丘脑传递到大脑皮层区，那些对事实和事件的记忆在皮层被有意识地记录下来，这种记忆被称为“陈述记忆”或者“外显记忆”。

错把妻子当帽子

那名患者认识自己的轿车，但是他不认识自己的妻子。

对一个事件的不同方面的记忆被储存在脑内的不同部位，之后，当你试图回忆那个事件时，需要把关于它的不同的部分重新拼接到一起。任何一点点信息的缺失都会让大脑去填补相关的内容，这个过程完全是无意识地进行的。在这一点上，如果将大脑的记忆能力比喻为可以完美重现任何信息的计算机硬盘就显然不是那么准确了。更为恰当的比喻应该是，像考古学家利用少量的骨头去重建一整副骨架一样，在这个过程中是经常会出错的。众所周知，记忆是不可靠的，正如在法庭的案例中常见的那样。

患有特殊记忆障碍的病例显示了不同类型的信息（例如音乐的、图像的和人脸等）储存在大脑皮层的不同区域这一事实。例如，一些大脑右侧中后部受损的病人即使在视力没有任何问题的情况下也无法再辨认出人脸，即使是自己的妻子。不过，他们能够认出物体，例如自己的轿车，因为物体的信息储存在另外的脑区。认识自己的车却不认识自己的老婆，你应该能想象得到这在家庭里会掀起怎样的轩然大波！这种疾病被称为“人面失认症”（prosopagnosia）或是“脸盲症”（face blindness）。奥利弗·萨克斯在《错把妻子当帽子》一书中描写了这种疾病。

严重罹患此病的P博士想把妻子的头——而不是自己的帽子，“戴”到自己头上。令人难以置信的是，他还是一位在事业上卓有成就的音乐教师。在这种疾病的极端病例里，人们甚至难以辨认镜子中的自己。

还有一个著名的病例是一位士兵，他在回家休假的街道上与母亲偶然相遇，但是没有认出自己的母亲。

幸运的是，我的情况没有那么糟糕，但是我在辨识人脸方面一直存在着困难，经常会造成尴尬。有时，我刚向别人介绍自己，那个人就会惊讶地盯着我说：“我认识你，我和你在同一个委员会中共事三年了。”或者是：“我认识您啊，您是我的博士论文指导委员会的成员啊。”

我父亲也遇到过这样的问题，因此这其中似乎有点儿家族遗传性，他的基因突变传给我了。不过，这种“模式识别”缺陷显然具有特别的选择性，因为我对显微镜下的样本记得很清楚。有很多次，当我再看到那些好久不见的显微镜下的样本时会想“噢，这是甲先生”或者“这是乙女士”，之后我的想法被证明是正确的。然而，如果是我和一些人见过一面，那么过几年我肯定是认不出他们来的。

有一项研究是在癫痫患者的颞叶植入电极，并给患者观看数百张人脸的相片，结果发现，他们的脑中存在着只有观看一张名人（例如比尔·克林顿总统）的照片才放电的神经元。因此，导致我识别面部有困难的原因可能就是那个脑区出问题了吧。对猴子的测试表明，给猴子看一张由电脑创作的人脸图片时，其位于颞叶底部的神经元将被激活并放电。当猴子看到一张它熟悉的脸时，神经元的放电会更为强烈。那些神经元对将脸部最典型的特征画成漫画的图像反应最为强烈。联系到我的人面失认症，可能就可以解释我为什么那么热爱卡通漫画了。顺便提一下一种与人面失认症完全不同的识别问题——卡普格拉综合征，也称替身综合征。患者能够认出朋友、伴侣或者亲戚，但是对这些人产生不了任何情感，因此坚信这些人都是冒名顶替者。他们认为所爱的人被其他什么东西（例如机器人或者是外星人）替代了，这种妄想会导致患者做出类偏狂行为。卡普格拉综合征有时会发生在脑损伤之后，或者是阿尔茨海默病的一个症状。

由于视觉信息的不同成分在不同脑区中进行处理，因此这会导致非特异性的视觉损伤。心理学家艾德·德·汉恩（Ed de Haan）曾经描述过一个病例：病人看不见运动中的汽车，但是当汽车停下来时，她却突然能看见了。有一些人可以看见但是却无法分辨颜色，或者看得见颜色但是看不见形状，抑或是没有亮度感，因此不知道自己是开灯还是关灯了。

长时记忆所处是最安全的信息储存位置，人们将音乐和语言的知识都存储在那里。阿尔茨海默病患者的长时记忆最终也会受到影响。在巴里·瑞斯伯格（Barry Reisberg）所设计的阿尔茨海默病进展列表中（见第19章第2节），病人语言能力的丧失要到该体系的第7阶段才会出现。与其他能力相比，阿尔茨海默病患者的音乐能力保持时间最长久。一位专业钢琴家在58岁时开始出现记忆问题，到了63岁，她的痴呆症已经非常严重以至于她不再能记住说过和写过的东西。不过，她还能记起多年前第一次听到的音乐片段，并根据乐感演奏出来。虽然她的认知能力在之后的日子里急剧衰退，但她依然能够弹奏她所熟悉的美妙音乐，这给她带来了巨大的快乐。音乐记忆似乎是由位于大脑外侧（顶叶）的长时记忆的一个子系统调节并保持相对完好的。艺术才能保持完好的、患有阿尔茨海默病的视觉艺术家们的子系统则可能位于大脑后部（视觉皮层），这个脑区较少（同时也是在后期）受到阿尔茨海默病进程的影响（见第19章第2节）。

小脑是适于学习复杂知识和动作的脑结构

摇晃着走来走去的人不一定是喝醉了。

小脑位于颅后窝，大脑的后下方。这个相对较小的脑结构包含了80%的神经元并确保运动和语言的流畅和协调。例如，在你拼命摇头的过程中，小脑确保了你的眼睛可以聚焦在同一点。小脑包含了如何做事情的记忆，记录了你在发育期间相继学会的动作，从爬行到站立到走路，接着是骑车、游泳、弹钢琴和开车，小脑不断地掌控着这些动作的表现。这些复杂动作的程序（即内隐记忆），在这个卓越的小型电脑中储存，并允许你可以完全自动地完成动作。

熟能生巧，即使是在小脑中也是如此。当你学习开车的时候，最初要仔细考虑每个动作：“我需要变速了，这意味着要使用离合器，第三挡又在哪里呢？”这些过程涉及使用外显性记忆或是陈述性记忆，它们是关于事实和事件的记忆，是一种耗费时间也极为低效率的过程。通过一再地练习这些相同的任务，其中的动作逐渐由主动变为完全自动，并转存到小脑的内隐性或程序性记忆中。如果你经常开车，那么你就会不假思索地开，事实上（按照你的陈述或者外显记忆）你将难以说出你到底做了哪些精确而流畅的动作。H.M.的内隐记忆还是完好的，因为他还能学习新的动作技能。通过日复一日的训练，他去追踪在镜子里看到的一个星星的能力提高了，但是他却完全记不住这些练习的内容。他再也不能先记住这个技巧——这是大脑有意识训练的外显性记忆阶段，但是他的小脑在不知不觉中练习并完善着这些新任务。

小脑还可以抑制你自己的动作对其他脑区所产生的影响，这就是你不能将自己胳肢笑的原因。你的大脑希望给予那些意外的感觉输入以优先反应的权力，因为那些输入可能需要紧急应答。由于你试图将自己胳肢笑（你自己的其他行为也一样）的感受是可以被预知的，因此它会受到抑制。有些小脑受损的病人丧失了这种机制，他们在胳肢自己的时候就会笑个不停。

小脑的损伤并不会导致瘫痪，但是的确可以令人变得十分地笨拙。通常情况下，就算你闭上眼睛也能轻而易举地用手指触碰你的鼻尖。如果由于梗死或者出血而造成小脑受损，你的手指可能就会在面部胡乱地摸一通。这种小脑损伤还会造成行走困难：你两腿会远远地分开以免跌倒，然后摇晃着走来走去。有一次，我的一位同事就是以这种方式走出飞机的，因为在长途飞行中有一个血凝块冲进了他的小脑，造成了小脑梗死。酗酒和吸食大麻也会破坏小脑的功能，对行走能力造成类似的影响。

小脑中的大型神经元——浦肯野细胞，是当你还在母亲子宫内时就已经形成了的。大量的小神经元——颗粒细胞，则是在出生之后才形成的。因此，包括自闭症和恋童癖在内的所有的大脑发育障碍都会在小脑留下记号。在自闭症病例中所发现的小脑所有细胞类型和化学信使的异常情况都可以解释患者某些运动功能受损的原因，例如运动协调和速度方面问题、难以学会系鞋带或者骑自行车。然而，除了在运动功能中扮演至关重要的角色外，越来越多的证据还清楚地表明小脑参与了更高级的、认知的功能。如果小脑发育不全、局部损伤、脑梗死或者长出肿瘤，那么就会出现心理问题、诵读困难、多动症、言语智能受损以及学习障碍。

因此，小脑是最适于学习复杂知识和动作的脑结构，但是它也负责协调那些学起来没什么困难的动作，例如在性高潮期间的肌肉的自然而然的运动。荷兰格罗宁根大学的神经解剖学教授盖特·霍施泰格对体验性高潮的个体做过脑部功能性磁共振成像研究（见第5章第4节），发现在性高潮来临之际，男性和女性的小脑区域都被激活了。你可以想象，如果你能花费像学弹钢琴一样的时间、耐心和努力来训练参与性高潮的肌肉运动，那么这世界会是怎样？

注解：

[1] 　或称“碎玻璃之夜”，指发生在1938年11月9日至次日凌晨，纳粹党员与党卫队袭击德国全境的犹太人的事件，这被认为是对犹太人有组织的屠杀的开始。——译者注

[2] 　“喜力”是荷兰著名的啤酒品牌。——译者注

[3] 　即德国纳粹主义。——译者注

[4] 　患者名字首字母缩写。——译者注

第16章
大脑与宗教

我们无法得知那些荒谬的行为准则以及荒谬的宗教信仰从何而来，不过值得一提的是，这种信仰总是在生命的早期，在大脑还很容易受到外界影响的时候被灌输的，以至于这种烙印几乎具有本能的特征。所谓的本能的实质就是，置理性于不顾。

——达尔文

有没有信仰，完全是天生的吗

凡是我们无法理解的，我们都将其称为上帝，这样就可以避免大脑组织耗神了。

——爱德华·艾比 [1]

鉴于每种宗教信仰不可能都是有道理的，因此可以得出这样的结论：它们都是没有道理的。

——克里斯托弗·希钦斯 [2]

在我看来，关于宗教信仰方面最有意义的问题并非上帝是否存在，而是为什么会有这么多人信仰宗教。目前世界上有一万多种不同的宗教，每一种宗教派别的人都确信世上只存在一种根本的真理，而他们信仰的也正是这个真理，这或许就是使他们仇视其他宗教派别的根源。

1500年左右，新教的宗教改革先驱马丁·路德称犹太教为“毒蛇”。几个世纪以来，基督教徒对犹太教徒的仇恨演变为杀戮，并最终引发了纳粹大屠杀；英国对印度的统治使得印度分裂为信仰印度教的印度联邦和信仰伊斯兰教的巴基斯坦，使得100万人在这场印巴分治中丧生。自2000年以来，43%的内战都是由宗教问题引起的。

天主教徒、新教徒、穆斯林、印度教徒约占世界人口的64%。大约有95%的美国人信仰上帝，其中90%的人做祷告，82%的人认为上帝可以创造奇迹，70%的人相信有来生，而只有50%的人相信有地狱——这显然不太符合逻辑。在世俗化了的荷兰，这些比例都要低一些。2007年4月，一项关于“上帝在荷兰”的调查研究表明，在过去的40年当中，荷兰人还俗的比例从33%上升到61%，超过半数的荷兰人对宗教信仰持怀疑态度，仅有14%的荷兰人是无神论者。

2006年，在伊斯坦布尔举行的一次研讨会上，生物精神病学荣誉退休教授赫尔曼·范·普拉格（Herman van Praag）指出我的无神论观点属于异端学说，因为95%的美国人都是宗教信徒。我的回答是，这完全取决于你调查的是哪些美国人。1996年，一份对美国科学家的问卷调查表明，他们中有39%的人有宗教信仰，远远低于上述数据。在美国国家科学院的顶尖科学家当中，信仰上帝的人数比例更低，仅为7%，而在诺贝尔奖得主当中，这个比例几乎为零。在对英国皇家科学院所做的调查中，信仰上帝的人数仅为3%。

一项综合分析研究显示，无神论者的认知与受教育程度和智商高低相关。由此可见，即使在同一个国家里，人们的宗教信仰的情况也大相径庭，而且一个民族的无神论倾向与其智力、教育、科技实力和对自然科学的积极态度密切相关。对于科学家而言，这种差异还与学科有关：生物学家比物理学家更加不相信上帝和来世。因此，有78%的杰出的进化生物学家把自己称为“纯粹的自然主义者”（即唯物主义者）也不足为奇。其中，有72%的人把宗教看成是一种社会现象，是伴随人类自身的进化而发展的。也就是说，它是进化的一部分，而并非与进化论相矛盾。

宗教似乎的确拥有一种进化的优势。可以将对宗教的感受性称为“灵性”，一项对双胞胎个体进行的研究表明，这种灵性有50%是由基因决定的。每个人都拥有程度不同的灵性，这与是否存在通用神学无关。宗教是人们对自己灵性感知的阐述，具有地方性特征。是否信仰宗教并不是你的“自由”选择。在你所处的成长环境中，你父母的宗教信仰在你发育的早期就已经庄严地灌输到你的大脑回路里了，这个过程与你习得母语的过程是类似的。血清素可以决定人们灵性的程度，而且大脑中血清素受体的数目还与灵性的程度相关。那些作用于血清素的物质，例如从仙人掌种子和花粉中提取出来的致幻剂类毒品等，可以引发神秘的灵性体验。作用于脑内鸦片受体的物质也可以引发灵性体验。

迪恩·汉默尔（Dean Hamer）在他的著作《信仰基因》（The God Gene ）中写道，他发现了一种基因，其微小的变异可以决定不同程度的灵性。然而，这种基因可能仅仅是大量的相关基因中的一种，因此他的书名若是采用“一种信仰基因”就更为恰当了。

孩子出生以后，宗教意识的编程开始在其大脑中进行。英国进化生物学家理查德·道金斯 [3] 对于“基督教的、伊斯兰教的或者犹太教的孩子”的说法感到非常气愤，因为他认为小孩是没有宗教信仰的，所谓的信仰不过是这些孩子的信仰基督教的、伊斯兰教的或者犹太教的父母们在孩子发育的早期阶段灌输给他们的，在这个时期儿童的大脑对于“铭记作用”十分敏感。道金斯指出，我们应该教育孩子们如何思考，而不是教他们应该思考什么。在他看来，这种宗教信仰的编程过程是儿童大脑另一种特质的副产品，该特质具有巨大的进化优势。如果孩子们想获得安全感，他们就会毫不犹豫地甘心服从父母或者其他权威的命令。此外，儿童倾向于相信人们告诉他们的所有事情，因此幼年时期的教化很容易取得成功，这也就是为什么父母的宗教信仰的影响会无所不在的原因。模仿功能是我们进行社会学习的基础，也是一种非常有效的机制，我们的大脑甚至有一套独立的镜像神经元系统来运作它。通过这种机制，诸如来世、殉道者将升入天堂、不信教的人会受到追究以及应当相信上帝是至善之举等宗教观念，就一代一代地传下来了，并记录在人们的大脑回路当中。身边已经有很多的例子可以说明，人们付出巨大的努力去摆脱其在早期发育阶段形成的观念。

宗教让我们享有很多世俗的好处

宗教是一种让普通民众保持安静的极佳方法。

——拿破仑

现代人类的进化过程伴随着5种特征性行为，它们存在于所有文化当中，即语言、制造工具、音乐、艺术和宗教。除宗教以外，这些特征行为都可以在动物世界中找到前身。宗教的进化优势对于人类来说是非常清晰的。

一、宗教让一个群体团结在一起。例如，尽管犹太人经历过大流散、宗教裁判以及纳粹大屠杀，但是他们还是通过宗教信仰而维持成了一个团体。对于领导者来说，宗教是最佳的工具。正如塞内卡（Seneca）所说的：“普通人认为宗教是真实的，智者认为宗教是虚假的，而统治者认为宗教是有用的。”宗教采用不同的手段把一个群体维持在一起。

1.要想将一群人维持在一起，通常采用的一个机制就是宣布这样一条信息：与不信教者（这里指具有不同信仰的人）结婚是一种罪恶。“枕上若有两种信仰，之间便有恶魔横躺。”这种大家耳熟能详的俗语能很好地表现出民众的智慧。无论是在哪种宗教中你都可以发现这条原则，还能发现威胁和惩罚措施。很不幸的是，根据宗教信仰划分的分离教育促进了对于异己的仇视，使得不相知者不可能相爱。

2.为了将人群维系在一起，宗教以上帝的名义将许多社会条例强加给个体执行，通常附加着对于冒犯者的毫不含糊的惩罚条例——正如《摩西十诫》中的一条所强调的那样，带有威胁的诅咒将延续四代。《旧约全书》中提到，亵渎神明将受到严厉的惩罚。同时，这些恐吓还能帮助教堂积累财富、增强势力。在中世纪，人们只有从教堂购买巨额的“赎罪券”才能保证减少其待在炼狱中的时间。正如荷兰宗教改革时期流行的一句话所描述的那样：“将钱放进教会的钱箱，购买你的灵魂在天堂中的席位。”20世纪初，许多天主教僧侣还可以根据他们在教会中级别的高低而在不同程度上减免炼狱之苦。时至今日，威胁与恐吓依然存在。在美国科罗拉多州，一位牧师建造了“地狱之屋”，基督教学校会把孩子送到那里，让他们在惊吓中知道如果不遵守宗教条例，那么死后等待他们的将是什么。

3.每一种宗教都要求自己的成员通过佩戴一些东西而易于被辨认出来，例如黑色的外衣、圆顶小帽、十字架、头巾或罩袍等服饰特征，或是割去包皮的身体特征，抑或是对经文、祷告和仪式的了解。辨认自己的成员非常重要，这样才能获得庇护。因此，试图取缔这些标记（例如取缔头巾）是没有意义的。如今，一个群体内部的社会交往包含着巨大的优势，这对美国的教会来说是一个重要的因素。几百年来，所有宗教团体的“我群意识”都被那些被虔诚地供奉着的圣物强化了。关键不在于寺庙中珍藏的舍利子多到足够装几卡车，也不在于像伊拉斯谟（Erasmus）所说的，“耶稣基督用过的十字架的碎片都够建一支舰队了”，而在于所有这些物品都是用来将群体维持在一起的。同样的情形见于那20座都声称自己保存有耶稣的包皮的教堂。按照犹太教的传统，耶稣在出生后第8天要接受割礼。按照某些神学家的观点，耶稣的包皮可能在他复活的时候就已经在他的身体里复原了，而17世纪的神学家里奥·阿拉丢斯（Leo Allatius）认为，圣包皮已经在耶稣基督去世之后独自升天，并化为土星的光环。

4.大多数宗教条例都致力于促进生育，而这主要是通过禁止使用避孕药来实现的。通过孩子来传递信仰，并再将信息灌输给孩子，从而让群体越来越强大。

二、以前，宗教的命令和禁令通常都是具有明显的进化优势的，即它们是可以用来保护这个群体中的人的。社会交往以及犹太洁食等规定对健康也是有益的。即使在今天，一系列的研究也表明，宗教有助于心理健康，它让人们对生活感到满足、愉悦，减少抑郁等悲观情绪，也降低了自杀和物质成瘾的可能。然而，这些关联之间的因果关系尚未被证明，而且它们之间的关系也相当含糊。此外，宗教的抗抑郁效应仅仅对女性有效果，而那些定期去教堂的男性却更易患抑郁症。以色列的一项研究发现，一个信仰宗教35年后的人罹患痴呆症的概率将翻倍，这与研究者事先的研究假说恰恰相反。此外，还有研究显示，祈祷和精神疾病之间呈正相关。

三、宗教信仰会在信教者们处于困难时给予安慰和帮助，而无神论者是得不到上天的帮助的，只能自己解决问题。信教者还认为，上帝让他们经历苦难是有原因的，这原因可以是一场考验、一场惩罚，上帝之所以会这么做是因为他试图让他们明白一些东西。斯宾诺莎曾说过：“人类做事都是带有目的性的，因此人们认为上帝也一定有其目的。”斯宾诺莎认为，人们之所以会信仰一位人格化的上帝，是因为人们认为大自然中一切有用的事物都是某位大自然的主宰为了供应人们而制造的。那么，所有的灾难，例如地震、意外事故、火山喷发、传染病和洪水灾害，也是同一位主宰用来惩罚人们的。根据斯宾诺莎的观点，宗教就是人类为了避免上帝发怒而采取的一种孤注一掷的行为。

四、上帝可以为一切人们所不知道或者无法理解的问题给出答案，信教能带给人一种乐观的感觉（“拍拍手，齐欢呼，耶稣是我的好朋友。”）。信仰宗教也意味着人们知道无论目前的生活有多么艰难，来世一切都会变得更好。一直有人宣称宗教的一个优势是令人们感到生活有意义，但是我的疑惑是，为什么要说一个人没有上帝的帮助就无法了解生命的意义了呢？

五、宗教还通过承诺有来世来减轻人们对死亡的恐惧。早在10万年前，人们就已经相信死后会有来世了。从墓地里发现的陪葬品就可以看出，那一些都是人们为了死者的来世而准备的，诸如食物、水、工具、狩猎用具，还有儿童的玩具。显然，在来世看上去很好看也是重要的。然而，信仰宗教并不是简单地降低了人们对于死亡的恐惧，适度信教的教徒比那些极度虔诚的教徒或者几乎不信教的人更害怕死亡。这是可以理解的，因为我们明白宗教是如何利用恐惧作为一种黏合剂而将信教的群体维持在一起的。有不少人对死后有来世的承诺还是持怀疑态度的。道金斯问得好：“如果我们真诚地相信有来世，那么为何我们每个人都做不到像安普尔福思（Ampleforth）修道院院长那样，当巴兹尔·休姆（Basil Hume）主教告诉他自己就要去世的时候，以‘先生，恭喜你！这是个好消息。我希望能与你一起去’来作为回答？”

六、事实上，以你所信仰的上帝的名义去杀死另外群体中的民众的权力一直以来都是宗教的显著特征。“上帝是一位战士。”（《出埃及记》）通过宗教而区分的群体的侵略性与对于异族的歧视性相结合，其进化优势显然是存在的。数百万年以来，人类都是在一个食物仅仅够自己所属群体食用的环境中寻求发展的，因此，在大草原上遇见的异族将是对自己生命的威胁，必须毁灭他。如今，进化到了拥有中央供暖系统的人们是无法消除那数百万年以来将宗教和对异族的攻击性相结合的进化优势的。仇外情结至今仍然困扰着许多民族，全世界都存在着动荡不安的宗教的温床。自古以来，“上帝的和平”都是用暴力的手段强加给异族的，而这种情形在短期内似乎并不会终止。

你需要做出一些牺牲，但是一旦你被某个群体接纳，你将享有许多特权。该群体将保护你不受异族的伤害，因此会增加你的生存概率。然而，宗教对于自己群体内的成员，尤其是对于那些有着其他宗教想法的人所造成的伤害也是巨大的。英国政治学家埃文·卢亚德（Evan Luard）指出，自中世纪以来，战争的性质已经发生了转变，战争的数目和持续时间也在逐渐减少。因此，有理由抱有一些乐观的态度。由于无论是作为把人们凝聚在一起的手段，还是拥有以消除异己为目的的侵略性，宗教在我们全球化经济和信息化社会中都无法保持其进化方面的优势，因此数十万年以后，它的这两方面的重要性都将随时间而流逝殆尽。“自由”和“人道主义”最终会真正实现，人们将摆脱过时的宗教规定的枷锁，平等对待那些持不同意见者和不信教者。

信教的大脑

人类从茶叶、烟草、鸦片、威士忌以及宗教里寻求情感刺激。

——乔治·萧伯纳

在灵性体验中当然可以看到大脑活动的改变，这与我们去做、思考和经历任何一件事的情况是一样的，它不能作为支持或者否定上帝存在的证据。这种关于大脑的研究只不过是清楚地表明了在“正常的”宗教体验以及一些与神经和精神疾病相关的宗教体验中，不同的大脑结构和系统所扮演的角色。

人们对日本和尚的脑功能性扫描检查发现，当他们以不同的方式冥想时，大脑的不同脑区就会被激活，这关系到前额叶皮层和大脑后外侧方的顶叶皮层。此外，宗教信仰还伴随着扣带皮层（ACC）的反应性降低，政治保守派人士也出现了类似的情况。虽然这些关联之间的因果关系还未阐明，但是有趣的巧合是，采取主动性正是伴随着扣带皮层的活性增加。

图16-1　大脑解剖示意图

①扣带皮层，大脑警觉区；②岛叶皮层，积极参与情感体验，协调身体性和自主神经性反应；③尾状核，运动技能和情感；④苍白球，运动技能；⑤腹侧苍白球/伏隔核，奖赏；⑥壳核，运动技能；⑦视交叉，视神经交叉处；⑧杏仁核，产生恐惧、攻击和性行为。框中是下丘脑。

对加尔默罗修会的修女的脑电图检查表明，主要的脑电改变发生在神秘体验期间。所谓的神秘体验就是，感觉与上帝合为一体，或认为找到了终极真理、失去了空间和时间感、成为具有大爱和宇宙感的人，并感受到和平、快乐和无条件的爱。神经药理学研究证明，大脑奖赏系统（即中脑的多巴胺系统）的激活对于产生这些经历起到了重要作用。脑部疾病也为此提供了相关的证据。例如，阿尔茨海默病会伴随着对宗教兴趣的提高而出现进行性减退。阿尔茨海默病的进展越缓慢，宗教性和灵性受影响的程度就越低。相反，额颞叶痴呆、躁狂症、强迫症、精神分裂症和颞叶癫痫等疾病都可以产生超级宗教感受。这些疾病中的一部分已经被证实伴随着多巴胺奖赏系统活性的增强增加。

研究者让加尔默罗修会的修士们在进行大脑功能性扫描检查的过程中回忆一下在基督教意义上他们最神秘的体验。当这些体验进入他们的意识时，脑区的激活呈现出一种复杂的类型。被激活的部分包括：颞叶中部，和“与上帝合为一体”的感觉有关，这个脑区在颞叶癫痫中也被激活，出现强烈的宗教体验；尾状核，处理感情的脑区，它和快乐及无条件的爱有关；脑干、岛叶皮层和前额叶皮层，它们与针对这些情感的身体性和自主性反应有关，也与皮层对于这些情感的意识有关；大脑外侧皮层，即顶叶皮层，它和感受身体图式变化相关，这也出现在濒死体验中。

有时候，在灵性体验和精神疾病之间画一条界线是很困难的。灵性体验可以因失去控制而进入精神病理范畴。强烈的宗教体验有时还会导致短暂的精神病发作。同时，有时也难以区分强烈的灵性体验和精神病理状态。因此，荷兰莱茵河口电台的记者保罗·福斯贝克（Paul Verspeek）在2005年的节礼日 [4] 向精神病学家们提出了这样的问题：当基督回到地球时，我如何才能辨认出此人是真正的基督？如何才能把真正的基督和那些我刚刚采访过的，自称是基督的病人区分开？精神病学家们无法对此给出一个好的答案。在20世纪60年代，冥想、超自然现象以及物质滥用很流行，许多人都出现了精神问题。他们难以控制自己的灵性体验，完全扰乱了自己的心理、社会交往以及工作能力。然而，在有些文化和宗教中，自愿地接受冥想训练、出神或入迷、去人性化以及去现实感等状态都被视为常态，不应被判断为精神病。一些在我们的文化中被认为是具有欺骗性的或者是无意义的事物，例如魔法、伏都教 [5] 、巫术等，在其他文化中却被视为正常。此外，含有宗教意义的幻视或幻听，例如看见圣母玛利亚或是听见上帝的声音，对于一些人来说也是宗教体验的正常部分。不过，精神病患者中信教的比率很高。病人的精神错乱往往更能激起患者对灵性的兴趣，此外，他们还常常借助宗教来处理自己的疾病，因此在遇到有关宗教的问题时（例如有人带着奇异的宗教体验来咨询医生），医生都应该把这些问题与这个人当前的宗教处境的文化、时期以及环境做比较，以便将纯粹的宗教或灵性问题与神经或者精神问题区分开。

没有宗教，世界会更美好吗

我将在背离者心中投入恐惧，只因他们把没有被赋予权力之物与安拉并列。他们的归宿是火狱，背离者的居所多么悲凄！

——《古兰经》

今天，如果一个人要遵守《旧约全书》的教义，他可能就是一个罪犯。如果他要严格遵守《新约全书》的教义，那么他就是精神错乱了。

——罗伯特·英格索尔 [6]

哦，我的确相信确实有人一直在上面盯着我们大家。不过不幸的是，那其实就是政府啊！

——伍迪·艾伦

和每种宗教一样，基督教也总会将自己表达为一种具有自由和人道主义的宗教。这是事实，基督教加尔文主义的信徒和其他教徒在第二次世界大战期间做的工作很优秀，不但帮助犹太人躲藏，还领养了很多孤儿。不过，人道主义行为、坚毅和勇气肯定不是宗教信仰者的专属特征，社会主义者、共产主义者和无神论者也有这样的特征。此外，宗教的良好意愿总是很不幸地采用着和人们所期待的完全不同的方式进行表达。

如果没有宗教，人类是不是会生活得更好些呢？我想是吧。让我举几个例子。基督教和其他宗教一样，曾采用过非人道的手段剥夺了许多人的自由，甚至以实现“上帝的和平”的名义夺取了很多人的性命。《旧约全书》中充斥着谋杀，而且还起着刺激性作用。实验心理学的研究表明，诵读《圣经》中的那些上帝制裁性杀戮的章节明显能提升阅读者攻击性，但是这种作用仅仅发生在信教者身上。《新约全书》里也有“上好”的表现。在彼拉多做出在十字架上钉死基督的决定而洗手之后，《马太福音》中写道：“（犹太人高呼）让他的血溅在我们和我们孩子的头上。”这成为基督教反犹太人的理由，继而给犹太人施加无尽的歧视、迫害，甚至是杀戮。同样，这一段经文听上去也让人不舒服：“我到这里不是带着和平而是带着刀剑。”（《马太福音》）罗马教皇约翰·保罗二世很不情愿地为十字军东征以及对犹太人的迫害道歉。天主教会对于教皇庇护七世在第二次世界大战期间，尽管清楚地知道纳粹对于犹太人的大屠杀却仍保持沉默的行为进行了公开谴责，但是他们的谴责来得太迟了。

此外，还有歧视女性、同性恋、变性者以及禁止避孕的措施，后者导致了南美成千上万人口的生活贫困，以及非洲成千上万人感染艾滋病。2005年，有300万人死于艾滋病，500万人感染艾滋病病毒。天主教会做了些什么呢？它宣称它将继续反对使用避孕套。“避孕套在对抗艾滋病的战役中有15%～20%的不可靠性，同时还怂恿了伤风败俗的行为。”2004年天主教家庭委员会主席洛佩兹·特鲁希略（Lopez Trujillo）枢机主教如是说，但是我们不得不假定他并不是一位具有亲身实践经验的专家。2009年，教皇本笃十六世罔顾所有相反的事实并宣称，使用避孕套将加重非洲大陆的艾滋病感染。最近几年间还暴露了天主教牧师猥亵儿童的案例，但教堂却假装好像根本不知道这些事件。“我们不知道这件事。”这就是枢机主教西蒙尼斯（Kardinaal Simonis）乏味的评论，但他们其实早就了解这一情况。有一次，导演希区柯克在瑞士某地开车时，看到一位牧师把手放在一个男孩的肩上与其交谈，希区柯克向车窗外大喊：“快跑，小男孩！为活命快跑！”剧作家乔治·萧伯纳早就说过：“为什么我们要从教皇那里获得关于性行为的建议？他要是明白性行为，就不可能当上教皇了啊！”

不过，这些谴责并不仅仅是针对某一个宗教。几乎每种宗教都有自己对于当代庄严真理的原教旨主义的过时的观点，并且以多种代价将这些观点强加给别人。在历史长河中，一直存在着向上帝祭献孩子的事例。墨西哥出现过很多恐怖的案例。2007年，人们在墨西哥城发现了24具5～15岁孩童的遗骨，这些遗骨全部整齐地排列着，面向东方。他们是在公元950—1150年，被托尔特克人切断喉咙而祭献给雨神的。这种事情不仅在以前有，在当今的荷兰，那些手持《圣经》的严格的加尔文主义信徒还在使不少的孩子因脊髓灰质炎、风疹、流行性腮腺炎和脑膜炎而丧生。《圣经》中并没有关于免疫接种的记载，免疫接种被视为违背了上帝的旨意。耶和华见证人在教堂和宗教的强力制约下，不允许自己生命垂危的孩子接受输血治疗。如果孩子患上可怕的疾病，那也是上帝的旨意。法官阿妮塔·雷斯–贾桑在退休后透露，遇到这样的案例，当她与医生商量后判决让孩子接受输血治疗时，孩子的父母会非常感激她。耶和华见证人用《新约全书》中的《使徒行传》表明他们的观点：“为了圣灵和我们自己的利益，除了必需品之外的负担都应该去除；你们应该戒除血，戒除通奸……”他们为何会认为两千年以前，“血”这个字的含义就是“输血”呢？这就是耶和华见证人中的妇女在分娩时的死亡率比其他妇女高6倍的原因。就因为这么一句充满了疑团性的解释的话而禁止了那么重要的一项救命措施，这难道不是令人发指的吗？

关于伊斯兰教，我们应该提到“荣誉处决”（伊斯兰私刑）、夺取无辜者性命的自杀性人肉炸弹、砍断右手、对人质和那些转而信仰其他宗教的人进行斩首却被认为是受到宗教祝福的一些行动。2007年在伊朗，一位男子因为通奸罪被处以石刑，第一块石头是由当地法官砸向他的。此外，虐待妇女——例如对女性施行割礼，这项残害女性身体的程序至今仍然存在，并使无数妇女生活在悲惨之中。在苏丹，有将近90%的10岁以下少女都接受了割礼，据世界卫生组织于2006年公布的一份报告可知，全世界有1亿妇女和女孩受过割礼的摧残。严格说来，割礼并不是《古兰经》所宣扬的手术，在埃及，有许多基督教妇女也接受了割礼。不过，女性割礼倾向于仅仅发生在伊斯兰世界，那些极端保守的神职人员是这种手术的强力提倡者，这就解释了这种现象出现的原因。开罗的埃及学者尤瑟夫·艾尔·巴德利（Yusuf El Badry）认为：“女性割礼可以解决西方世界的很多问题，西方女性没有进行过割礼，所以看看后果吧——造就了一个荒淫的社会。女人们总是想着做爱。70%以上的孩子都是私生子。大部分埃及女性的阴蒂都超过3厘米，她们需要接受割礼，这样才能够控制感情和性欲，否则她们将因为性欲得不到满足而始终处在兴奋和心烦意乱状态。”女性割礼的后果是令人惊骇的，它导致月经和排尿困难，也让性交变成一种折磨。在非洲，有近半数的孩子因母亲接受过割礼而在母亲分娩时或在分娩后的短时间内就夭折了。这些母亲也会在分娩的过程中伴随大出血。

很不幸的是，虔诚的宗教常常缺乏关联性艺术，也没有任何幽默感。整部《圣经》中没有一个笑话，哪怕是最轻微的挑衅行为也会引起伊斯兰政府发动全民族抗议。2005年9月，丹麦《日德兰邮报》（Jyllands-Posten ）上刊登了12幅诙谐的漫画，嘲笑了一些伊斯兰教极端主义分子的表现。其中一幅是，一个人肉炸弹在天堂的门口被拦住了，还被告知答应分给他的天堂里的处女人数不够了。这些漫画激起了丹麦穆斯林的狂怒，并且在他们上诉之后，中东地区的穆斯林也开始上街抗议。在约旦以及中东其他一些国家，商店货架上的丹麦产品被撤下。穆斯林兄弟会、叙利亚、伊斯兰圣战组织、阿拉伯国家外交部部长们以及伊斯兰会议组织全部行动起来，要求该报道歉。《日德兰邮报》的主编向感觉受到这些漫画冒犯的穆斯林表示歉意。然而，这并没有平息人们的愤怒，到处仍是涌上街道示威的人群，示威活动最终还出现了人员伤亡。

极端主义组织，例如阿富汗的塔利班、巴勒斯坦地区的哈马斯以及黎巴嫩的真主党正在迅速发展壮大。不过，这并不是穆斯林世界专有的问题。美国的基督教原教旨主义者在布什执政期间引起过很多混乱，以色列极端右翼的犹太人派系也是如此。如今，各个宗教还是会继续去要求那些无意义的牺牲，这真是令人非常遗憾的事实，因为人们其实没有必要向孩子们灌输宗教。孩子们可以把他们的灵性投入艺术、科学环境中，也可以直接给予其他人——那些没有获得特别恩典的人 [7] ，一份快乐的生活。

别碰经期的女人，也许有道理

有些宗教教义是有理性依据的，只是我们不知道是哪一种。

一些乍看上去令人感觉奇怪的宗教条例可能具有理性的基础。例如，犹太教和伊斯兰教禁止吃猪肉，这在肉类检疫制度建立以前可能是一个明智的决定。不过令人难以理解的是，根据《圣经》和《古兰经》中所述，行经期的女性是“不洁净”的。《利未记》（《旧约全书》中的一卷）里将这一点描写得很清楚：“……而且每一个碰过她的人一直到夜晚前都是不洁净的，一切被她坐过的东西都是不洁净的……碰过她的床的人一直到夜晚前都是不洁净的……如果一个男人和她睡觉了，他将有7天的时间都不洁净。”每次经期过后，女性都必须去祭祀，通过圣水沐浴来“净化”自己。

从卫生学的角度来讲，我无法理解这项条例，但是它对于生殖确实是有益的。女性进入月经期后，通常会持续5天左右，经期结束后她必须再等7天，也就是在第8天的时候“净化”自己——这意味着是距离经期开始的第13天，这也是最容易受孕的时间。在经过一段时间的禁欲之后，在围排卵期受孕自然是最佳的机会。因此，这项条例是有益于群体持续存在的。这是不是就是认为经期女性不洁净的这条无情的条例背后的真正用意呢？无论如何，自从《利未记》记载的年代以来，有关月经血需要小心处理的观点就从未减弱过。文森·德·博维（Vincent de Beauvais） [8] 于1478年宣称，月经血会阻碍玉米发芽，使葡萄变酸，使草木枯萎，使树木不结果实，使铁生锈，使青铜变黑，还会引发狂犬病。

然而，这样的说法并不仅存在于中世纪。我岳母在年轻的时候，如果她家摘果子时她正好来月经，她的祖母就会禁止她进厨房。苏里南的女性至今也不能在月经期进出厨房。根据流行的迷信说法，一个处在月经期的女性哪怕是触碰一下或者仅仅是看一眼食物都会使它们变质。

有一些条例还是拥有较为充分的依据的。水生贝壳类动物，例如淡菜，不仅根据犹太教的食物法是“不洁净的”，而且北美印第安人也严禁食用淡菜。这条指令似乎有一个正当的理由。1987年，大约有100人在食用了来自加拿大的淡菜以后出现了严重的病症，他们不仅出现恶心、呕吐等症状，还表现出意识模糊、头痛和瘫痪等神经疾病症状。有7名受害者陷入昏迷，还有些受害者在一年后还有很严重的记忆障碍，他们甚至无法回忆起一些对于正常人来说不应该忘记的事件，例如女儿的婚礼。科学家在对因这次淡菜中毒事件死亡的4名受害者的大脑进行解剖后发现，他们的对记忆很重要的两个结构——海马体和杏仁核，都受到了损害。特殊的气象环境导致了加拿大那年夏天水藻类的疯长。人们发现，这些被称为“尖刺菱形藻”的硅藻中含有一种针对神经系统的毒素——软骨藻酸，它会过度刺激并伤害大脑细胞。

这样的事情不仅仅发生在人类身上。1961年，加利福尼亚里奥·德·马尔（Rio del Mar）的海鹦鹉群出现了奇异的行为。鸟儿们全速撞向玻璃窗或者路灯柱，还会啄人并吐得人们全身脏污。导演希区柯克向当地报社索要了关于这种奇怪的鸟类行为的相关报道，并于两年后制作了电影《群鸟》，灵感可能源自这次事件以及达芙妮·杜·穆里埃（Daphne du Maurier）的小说《鸟》。类似的疫情在加利福尼亚圣克鲁斯也发生过。1991年，鸬鹚和鹈鹕突然表现出怪异的行为，后来人们发现，它们的脑中也出现了大量的软骨藻酸。

我们应该考虑《圣经》中某些指令的意义，但是我们并不知道它们具体是哪些。可以肯定的是，在这个时代还遵守《利未记》中的所有条例绝非合乎时宜。阅读《圣经》中的刑法，感受一下什么叫战栗吧！

为他人祈祷，宽慰自己

于是我看见，关于神的作品人类什么都发现不了。阳光下发生的一切，人们再怎么急着去寻找，他们还是发现不了，即使有时一个智者说他知道时，他也还是无法发现。

——《传道书》

我总会对神做短暂的祷告，内容是这样的：“啊！神啊！请赐予我极度愚蠢的敌人吧！”然后，神听取了我的祈祷。

——伏尔泰

弗朗西斯·高尔顿爵士，也就是达尔文的表弟，是第一位运用统计学研究祈祷的作用的人。他发现，虽然许多英国人每天口中祈祷“上帝拯救国王/女王”，但并没有让国王的寿命延长。此外，尽管许多祈祷者为传教士和朝圣者们的远航而祈祷，但是那些船只的沉没概率并不比其他船只小。

许多近期的研究也表明，为患有白血病、风湿病或接受透析治疗的患者祈祷也是起不到什么作用的。而且，让处于麻醉状态下的接受开胸心脏手术的病人头戴耳机，聆听对他们的祈祷也没有显示出任何效果。的确有一些论文宣称，祈祷是有作用的，但是这些论文中的实验设计充满了原则性的错误。例如，在一间冠心病监护病房内让患者接受祈祷实验的研究者不仅给病人分组，还给病人进行结果评分，这就属于非盲性研究。此外，接受祈祷的那一组病人有可能在实验开始阶段就比对照组更健康了，这就使实验存在选择性偏差。

2006年的14项可靠的研究联合得出结论，为别人的康复而进行的祈祷是没有作用的。一项研究还发现，为冠心病患者祈祷其实是有害的。在这项研究中，研究者将604位接受冠状动脉搭桥手术的患者分为三组。第一组患者接受祈祷，第二组患者不接受祈祷，但是所有患者并不知道自己是在第一组还是在第二组。结果发现，两组病人在出现并发症的数量方面没有差异。第三组患者明确知道有人为他们祈祷。不过令所有人都惊讶的是，这组患者中出现并发症的概率是最高的。这可能是因为当患者明确得知自己将获得祈祷时，他会推断自己的病情可能非常严重。

还有一项研究表明，精神病症状越多的患者，祈祷的次数也越多。不过，你不能就此认为，祈祷导致了精神疾病。有可能是那些祈祷的人极度渴望寻求帮助，以缓解他们的精神病问题。

你可能会从精神病症状与祈祷的关系中看到二者之间的相关，但是从来还没有一个令所有人都信服的事例能证明为他人祈祷将会对那些“他人”起作用，就如同被截肢过的人的肢体显然从来没有在被祈祷之后又重新生长出来一样。

尽管文献对祈祷作用的评价大多都是负面的，但是大多数人对祈祷的效应都深信不疑：82%的美国人相信祈祷可以治疗严重疾病，73%的人相信为他人祈祷能使对方恢复健康，64%的人会请求医生为他们祈祷。

为什么在研究已经表明祈祷没有任何道理的时候，还有这么多人相信祈祷的功效呢？我认为是由于经常祈祷的人在祈祷时能感觉心情舒畅。在相信祈祷效应的人群中，祈祷能导致一种放松反应，还会伴随着血液内应激激素皮质醇水平的降低，因此，为他人祈祷主要是一种自我放松练习。这并不是一个新观点。哲学家斯宾诺莎早就质疑过通过祈祷而要求上帝来解决问题的用处，因为他不相信存在着一个能对祈祷者做出回应的上帝。不过他认为，祈祷是集中精力和冥想的一种方式。事实上，做瑜伽、做冥想练习或是聆听你最喜爱的音乐，也会起到同样的效果。瑜伽练习可以降低应激激素皮质醇水平，在进行瑜伽练习或冥想练习后的夜晚，人体内的睡眠激素松果体素水平上升，交感神经系统活性减弱，从而起到了减压的作用。

宗教就是许多人同时患有一种妄想症

当一个人患有妄想症时，就可以成为精神错乱。当一群人同时患有妄想症时，就成了宗教。

——理查德·道金斯

如果宗教在年轻时被编程进入大脑，那么宗教妄想就会出现在一些神经和精神疾病中。癫痫发作之后，病人可能与现实世界失去联系，有1/4的患者会在这种精神疾病状态下产生宗教体验。宗教妄想也会出现在其他精神疾病中，例如躁狂症、抑郁症、额颞叶痴呆以及精神分裂症。2003年，25岁的精神分裂症患者米亚伊洛·米亚伊洛维奇“在耶稣的命令下”刺杀了瑞典外交部长安娜·林德。米亚伊洛维奇在事后声称，他当时没有服药，而是感觉受到了耶稣的挑选，无法抵御耶稣命令他去进行谋杀的声音。诺贝尔经济学奖获得者约翰·纳什，在29岁时被诊断为妄想型精神分裂症。他具有宗教色彩的妄想，认为自己是秘密的弥赛亚（救世主）以及《圣经》人物以扫。此外，濒死体验还会伴随着宗教体验。一位肺栓塞的女性患者声称，耶稣亲自将她从天堂送回到地球，以便照顾她的孩子。

吉尔·克莱恩对他自己的宗教妄想的描述令人印象深刻。1975年夏天，我初识吉尔·克莱恩先生，他当时担任约普·登厄伊尔总理内阁的教育、文化和科学部副部长，并被迫在一周之内从他的财政预算中削减两亿荷兰盾。于是他大笔一挥，取消了荷兰脑研究所（当时所里正处在寻找新所长的过程）、由娄·德·荣（Lou de Jong）教授领导的荷兰战争文献研究所（NIOD，后来的简称是RIOD）、ANS太空计划以及其他的一些研究计划。我当时31岁，是一位没有任何管理经验的年轻科研人员，但是被赋予与脑研究所的其他科研人员一起设法让内阁改变他们的决定的任务。在与所有议会政党交谈后，我们终于在最后获得了成功。在之后的多次谈判过程中，我和克莱恩建立了良好的私人关系，尽管我们的兴趣、背景和性格截然不同。

1978年11月6日，在一次记者招待会上，娄·德·荣教授言辞激烈地揭露了议员威廉姆·昂杰斯在第二次世界大战期间的德国纳粹党员的背景。昂杰斯因此下台了，而克莱恩在那时已返回荷兰议会一年，并在此前担任副部长期间负责过荷兰战争文献研究所的工作，他对娄·德·荣的行为感到困惑，认为娄·德·荣的行为和所有的协议相违背，感觉像是采取了一种“即刻判决”的方式。克莱恩的观点是，以前他在担任副部长期间和娄·德·荣有过很多争论，因此娄·德·荣应该将那份材料交给政府调查处理。克莱恩非常愤怒，他发疯似的工作，准备回答议会成员的质疑，也为议会辩论材料做准备。在清晨4个小时的工作中，他可以喝掉3升浓咖啡。工党最终选择他作为发言人参加关于昂杰斯一案的辩论，而在辩论过程中，他又被教育部长阿瑞·派斯无情地“砍倒”。1978年11月17日，在那场辩论之后开车回家的路上，他感觉到前额“砰”的一声巨响——这是他躁狂阶段的开始。

1994年，他在《关于红色》 [9] 一书中描述了这段经历。他认为，他的大脑被实施了手术，因此他被某种外部力量控制了。他听到一个洪亮的声音对他说：“你并不仅仅是上帝，不，你是所有神的上帝。”他站在一家超市的外面，表达着对于所有路人的人道主义的祝福。在他看到行人们并没有停下来听他宣讲，反而加快步伐走开后，他也不感觉惊奇，因为在他看来，人们都是加速执行去了。他还曾在严寒中跑到屋外裸奔了几圈。这种躁狂阶段之后，他陷入可怕的抑郁症之中。

读完克莱恩这本非常吸引人的书后，我给他写了一封短信。我问他是否还记得我，并告诉他，19年之后，我们再次拥有了一个共同的兴趣点：双相情感障碍。我在短信中还狡猾地附上一些我们对于躁郁症患者死亡后大脑标本研究的论文。1994年10月20日，我收到了他非常友好的长信，我把这封信夹在他的书中至今保存着。

他在信中写道：“我当然记得您，几乎每个细节，那些有关您的代表团和政府部门就关闭你们研究所而进行的讨论……当时的强制性财政削减政策几乎导致我——按照您的专业术语来说就是——政治头脑完结。不过我确信，也因为我听到的消息，您可以对你们所取得的成就感到满意……对双相情感障碍的研究当然令我非常感兴趣。也许在不久的将来我们可以见次面，我，一个门外汉，可以被你们任何的关于躁郁症研究的科学进展而启迪。您觉得有兴趣吗……”

后来，我邀请他来脑研究所参观，但是他于1998年12月去世了，没能接受我的邀请。

颞叶癫痫：来自上帝的信息

我不需要去天堂，我确信在那里我谁都不认识。

——哈姆·埃登斯 [10]

切勿去做那些异族风俗的事，那些占卜的、算命的、施法术的、行邪术的，那些问鬼的、招魂的、过阴的。因为行这些事，都是上帝厌恶的。

——《申命记》

大脑颞叶癫痫患者可以经历欣喜若狂的深刻体验，在那种体验中，他们有时会觉得是在与上帝直接接触，而且接受了来自上帝的旨意。有一名男子看见了亮光，随后看见了一位容貌像耶稣的人。后来发现，这名男子的颞叶里长了一个肿瘤，导致他出现了癫痫。在肿瘤被完全切除之后，这种欣喜若狂的癫痫发作随之消失。

虽然这种“上帝来访”的癫痫发作通常只持续大约30秒到几分钟的时间，但是有时会对患者的人格造成永久性的影响。他们常常会出现情感变化，许多人会变得极为信仰宗教。在癫痫发作间期，患者还经常会表现出格施温德综合征的症状，主要表现为多写症（即无法克制的书写冲动）、对性行为不感兴趣以及强烈的宗教感等。很多历史人物可能都患过这种类型的癫痫。

当耶稣的使徒圣保罗还没有改名，即还用着自己希伯来的名字索尔时 [11] ，他奉命前往大马士革追捕早期基督徒，他曾有过一次这种狂喜的经历。《使徒行传》是这样记载的：“当他来到大马士革附近时……突然，来自天堂的光芒照射在他身旁。他跌倒在地，听见一个声音对他说：‘索尔，索尔，你为什么要迫害我？’索尔问：‘你是谁？是上帝吗？’主说：‘我是你迫害的耶稣……’在接下来的三天里，索尔什么都看不见。”癫痫发作之后的颞叶皮质盲，以及圣保罗和基督宗教的对话通常被描述在有关颞叶癫痫的文献和教材里。这种推测性诊断也是基于《哥林多前书》 [12] 中的描述，而视觉幻觉是由研究圣保罗生平的史学家路加 [13] 描述的。在一次幻觉中，他听到耶稣对他说话，并给了他极大的鼓舞。还有一次幻觉发生在他在耶路撒冷祈祷时，他陷入恍惚状态并见到了耶稣。

伊斯兰教的创立者穆罕默德在6岁时有过类似经历。公元610年，穆罕默德第一次感受到了宗教体验。当他睡在麦加附近山上的一个偏僻之处时，他听到了一个声音。后来，他说那是天使长加百列的声音，加百列对他说：“读出来。”穆罕默德回答道：“我不会读。”那个声音重复道：“读出来，以创造万物的上帝的名义。”穆罕默德想，自己是不是疯了？于是他迅速逃离了那座山，但是在狂跑中他听到来自天堂的声音：“噢！穆罕默德，你是上帝派往人间的先知，我是天使长加百列啊！”穆罕默德自从在希拉山的山洞里第一次接受启示后，一直都在接受着这种启示，直至去世。这些来自加百列的启示在穆罕默德去世之后被记录下来，并成为《古兰经》中的诗篇。

圣女贞德于1412年出生在法国东雷米的一个村庄，是一个农民的女儿。1431年5月30日，年仅19岁的贞德在法国鲁昂被火刑烧死。她也有过类似经历，这被详细地记录在教会和宗教裁判所的文件中。贞德在13岁那年第一次听到来自上帝的声音。她先是在右侧看到一道明亮的光，然后有声音从右侧传来，接下来她看到许多圣徒，他们给予贞德之后的每日战役 [14] 的建议。贞德的癫痫发作有时会由教堂的钟声而引发，那钟声能对她产生强烈的情感作用，即使当她身处战役最激烈的时候，那钟声也能使她立即跪倒在地。那种发作伴随着强烈的幸福感，以至于发作结束后会让贞德痛哭。在发作的间期，贞德表现出了格施温德综合征的全部18种人格特性，例如情绪化、欣快感、负有使命意识、缺乏幽默感、娴静、强烈的道德感、性欲缺乏、急躁、攻击性、抑郁、自杀倾向以及极强的宗教意识等。

1889年，凡·高因为癫痫而被送入医院治疗，但是他还有许多其他的健康问题。在精神病发作时，他经历了幻视和幻听，还伴有古怪的宗教偏执妄想。有一次发作时，他割掉自己的一只耳朵并把它当作礼物送给当地一位名叫瑞秋的妓女。在发作期间，他表现出了格施温德综合征的特征。他的多写症不仅使他给兄长写了600多封信，还使他每隔一天就能创作出一幅油画。20岁之后，他变得越来越痴迷于宗教，反复地读《圣经》。他想成为神职人员，但是由于个性的原因而遭到了拒绝。1887年，他曾将《圣经》分别翻译为英语、法语和德语。每个周日他会去4个不同的教堂做礼拜，而且他还在家里的墙上写着：“我就是圣灵……”

1849年，俄国作家陀思妥耶夫斯基由于身为激进的政治讨论团体的一员被捕并被判处死刑。行刑前，他被减刑并被送往西伯利亚服4年苦役。他曾经历过数百次的癫痫发作，在其著作《白痴》中，他用抒情的笔法描写了那些发生于癫痫发作之前的宗教体验，那些是他最不愿意错过的美好经历：“你们所有人，你们健康人，是猜想不到幸福是什么的，你们猜想不到我们癫痫患者就在癫痫发作之前所体验到的幸福。穆罕默德在他的《古兰经》中向我们承诺，说他看见了天堂并身处其间。所有自作聪明的傻瓜都确信他是在说谎，是骗子。然而，错了！穆罕默德没有说谎！在癫痫发作的时候，他真的身处天堂，他经历的与我经历的一样。我不知道那种幸福持续了多久——几秒、几小时或者几个月，但是请相信我说的话，就是拿生活能赠与我的所有快乐来与我交换这种体验我都不会答应。”那种狂喜感受的时间似乎比真实情况长，因为那种癫痫发作时间大约为30秒到几分钟。

陀思妥耶夫斯基还写下了这些经历中的宗教内容：“我感到……天与地正在慢慢合拢，它吞没了我。我真实地感受到上帝的存在，他走进了我的身体。是的，上帝是存在的。我哭了起来。这就是我所有能记起的事情。”这段描述意味着，他很有可能在后来陷入了癫痫发作的状态。

陀思妥耶夫斯基的癫痫发作有时是每三天一次，有时是一周一次，他在著作《群魔》中这样写道：“……有几秒钟时间——每次五六秒，你突然感觉到永恒的和谐完美地实现了。它已经超脱俗世……噢，这其中有比爱更伟大的内容——最令人敬畏之处在于，它是如此的明晰和快乐。如果这种感受能持续超过5秒，灵魂就会因耐受不住而消亡！我在那5秒内仿佛已经活了一生，我宁愿用我的一生去换取那5秒的精彩，因为那值得我去做。”

令人遗憾的是，从来还没有任何记录表明在非西方国家中患有这种疾病的病人在癫痫发作时也会看见基督或者西方人形象的上帝。很显然，在大脑早期发育阶段被刻画的上帝的形象在颞叶癫痫发作时外显，这个形象还会伴随着艺术、文学、政治或者宗教的创作以及大脑自身产生的想法和信念同时显现出来。

对于我的宗教观点的社会反响

原谅我，哦，上帝，原谅我对您所开的小玩笑。

我也愿意原谅您对我开的天大的玩笑。

——罗伯特·弗罗斯特 [15]

最开始时，社会对我的宗教观点的所有评论都是友善的。大约在9年前，作为对我的一场有关大脑和宗教的议题演讲的反响，荷兰《忠诚报》（Trouw ）刊登了一篇文章。文章发表后不久，荷兰鲁尔蒙德教区副主教艾弗莱德·德·荣（Everard de Jong）博士给编辑写了一封长长的批评信作为对文章的回应，其质疑的核心是，我们不应该仅仅是我们的大脑。该质疑以以下提问作为结尾：“斯瓦伯教授的妻子不会仅仅是，或者主要是，爱上了她丈夫的大脑吧？”没过多久，在我参加一场讨论会的休息期间，艾弗莱德·德·容博士向我走来，介绍说他就是那封给编辑的长信的作者。

“很高兴我们终于见面了，”我说，“因为我想我可以给你那个问题的答案——我妻子对我保证说，要是我的大脑能够被移植到斯蒂夫·麦奎因 [16] 的体内，她是绝对不会有任何反对意见的。”说完，艾弗莱德·德·容博士茫然地看着我，他完全不知道斯蒂夫·麦奎因是谁。2007年，我被邀请出席一场研讨会，我发现艾弗莱德·德·容副主教也应邀在场。我问他，你现在知道斯蒂夫·麦奎因是谁了吧？他不得不承认，他还是不知道！之后，这位副主教以非常和善的方式将我拉回到主题，并赠给我一本由博勒加德（Beauregard）和奥利里（O’ Leary）撰写的《灵性的大脑，一位神经科学家对于灵魂存在的辩护》。不过，这本书丝毫没能动摇我的信念。

2005年，电视节目制作人罗布·蒙茨（Rob Muntzen）和保罗·温特（Paul Wint）问我，是否愿意参加一期关于大脑与宗教信仰关系的电视节目。由于我从未听说过他俩的名字，因此一点儿也不知道他们的“坏男孩”的名声——后来发现，我是唯一不知道这一点的人，我的同事们立即就认出他们了。温特的计划是在信教者的家中采访5位信教者，在教堂中采访5位无神论者，蒙茨的任务则是采访街头行人们的观点。这档电视节目原计划是由荷兰教育广播公司（RVU）电视台播放，听起来很值得信赖。我和他们的交谈非常愉快，同意参加节目。不过，节目中那些对于信教者的采访最终被取消了，因为电视制作人认为这些采访非常沉闷无趣。

他们对我的采访被安排在这一系列节目中的首位进行，地点在阿姆斯特丹圣尼古拉斯大教堂里。我叙述了圣女贞德、索尔和穆罕默德的终极体验，我解释说躁狂症患者有时会确信自己就是上帝，精神分裂症患者有时则会认为上帝给他安排了任务。我还谈到电刺激大脑皮层可以激发离体体验，这与人们有时描述的濒死体验相同。我们还讨论了人们的行为组成，例如攻击性行为，在发育的最早期阶段就已经被决定了，还讨论了它对个人活动的道德责任感的影响。我还提到我对宗教信仰、天堂以及来生等问题的看法。

在阿姆斯特丹的小小的派罗剧院，我参加了这部即将被冠名为《上帝不存在》的电视节目的试映。令我惊骇的是，我第一次发现节目制作时在我的采访中不断地插入一些荒诞派小影片的作品。我想，这一定会惹出麻烦的，但那时为时已晚。接着，我被邀请走上舞台，在现场给出评论并谈一谈对于节目的观感。我壮着胆说“这部荒诞短剧很好看，只可惜插入了那么多荒谬的访谈”。那是一个热闹的夜晚，但是我的家人无法开心起来，他们很担忧节目正式播出后的后果。该节目被安排在2005年6月7日正式播出。

6月4日，圣尼古拉斯大教堂提出法律诉求，要求禁播这部采访片。然而，法官认为RVU遵守了与教堂签订的协议，也支付了协议中定下的每小时50欧元的费用。RVU电视台提议，在节目之前和之后分别出现一段文字，显示该教堂与该节目制作没有任何关系。这得到了法官的认可，法官驳回了禁映节目的诉求。在此期间，大量的基督教信徒的攻击恐吓信件涌入蒙茨和温特的邮箱。就在节目开播之前，荷兰罗马天主教会和新教教会也团结起来，一起抗议节目播出，但是他们仍然没起到作用。然而，这些抗议活动的确导致6月7日该节目被转移到午夜前的几分钟，在几乎没有观众的时间段里播出，周日上午的重播也被取消了。事实上，观众对我在采访中的见解还是表示肯定的，但是和那些中间穿插的荒诞派短片的确差距太大。6月9日，荷兰两大基督教政党——改革政治党（SGP）和基督教联盟（CU），向众议院提出禁止这种“公然亵渎神明的节目”在电视中播放。他们还将自己的质疑写信给首相巴尔克嫩德（Balkenende）、司法部部长多纳（Donner）以及文化与媒体国务秘书长范·德·兰（Van der Laan）。根据荷兰新闻总局（ANP）发布的消息，基督教政党们的意见是，这档电视节目“以一种非常有害的方式故意嘲弄了上帝和基督教信仰”。这是我第一次也是最后一次听到的正式投诉。同样，我也是第一次并最后一次听到“荷兰反亵渎神明联盟”在2005年6月23日发誓，要以亵渎和侮辱神明罪起诉RVU电视台。这就是我在以宽容而闻名于世的荷兰的经历。

注解：

[1] 　Edward Abbey，美国著名的生态文学家。——编者注

[2] 　Christopher Hitchens，英国激进的左派支持者，无神论者，反宗教者。——编者注

[3] 　Richard Dawkins，英国演化生物学家、动物行为学家和科普作家，也是当代最著名的无神论者和演化论拥护者之一，有关他对宗教的批评可见《上帝的错觉》（海南出版社，2017.9）。——编者注

[4] 　圣诞节后的第一个工作日。——译者注

[5] 　一种西非原始宗教。——译者注

[6] 　Robert Ingersoll，美国政治家、演讲家。——编者注

[7] 　例如智力缺陷者、身体残障者、精神病患者等。——译者注

[8] 　中世纪的一位法国人，编辑了中世纪最大的一部百科全书《大宝鉴》。他是道明会（亦称“宣道兄弟会”）的修道士，也是一位学者。——译者注

[9] 　这里有双重含义：一是关于他红色的过去；二是关于他的躁狂。——译者注

[10] 　Harm Edens，荷兰剧作家。——编者注

[11] 　指他成为信徒之前。——译者注

[12] 　又译《格林多前书》，是保罗为哥林多教会写的书信。——编者注

[13] 　基督教早期信徒之一，著有《路加福音》等著作。——译者注

[14] 　对抗英军入侵。——译者注

[15] 　Robert Frost，美国诗人。——编者注

[16] 　Steve McQueen，20世纪六七十年代著名的好莱坞硬汉派影星。——译者注

第17章
灵性的大脑

灵魂只是一个美好的误会

迄今为止，还没有谁能在不造成灾难性的混乱的前提下很好地表述或形容，大脑产生的意识具有日常现实性。

——伯特·凯瑟

正如弗洛伊德所说，在所有文化和宗教中都有关于人死后“某种精神性的东西”可以不朽的观念。这个“某种精神性的东西”被称作灵魂。人们认为，身体死亡之后，灵魂会在身体旁边停留一小段时间，然后在其他地方找到永久的归宿。我们的一位来自苏里南的尸检助理每次进入停尸间之前都会敲三下门，以免惊吓到死者的灵魂。澳大利亚的原住居民在家人死后的一段时间内不去写或者说起这位死者的名字，以便让其灵魂保持平静。如果原住居民因为事故去世或者死于暴力，电视或者报纸新闻中都倾向于在编辑时删除他们的姓名。古时候，中国人会为死者准备一个美丽的圆柱形瓶子来安置其灵魂，那些瓶子迄今为止都是空的。著名犹太学者迈蒙尼德（Maimonides）的作品呈现了灵魂的不朽性。根据《古兰经》的记载，人是具有灵魂的，而且完美的灵魂可以立即升入天堂。

几个世纪以来，关于新生命是何时“被赋予灵魂”的争论一直不断。如今，针对这个问题的宗教观点经常会在一些关于流产、干细胞研究和胚胎选择等的政治议题里出现。与亚里士多德一样，犹太法典学者们认为胎儿接受灵魂的时刻为妊娠期第40天。这可能是由于胎儿的形状在这个时刻可以被辨认了，而在此之前胎儿被描述为像“水”一样。在以色列，这种观点使得对胚胎干细胞的研究成为可能。根据古希腊人的观点，灵魂被灌输到身体的时间是有性别差异的。希波克拉底认为，男性胎儿在母亲怀孕后第30天接受灵魂，而女性胎儿则在第42天。亚里士多德认为彼此的差异应该更大，男性胎儿在母亲怀孕后第40天左右接受灵魂，而女性胎儿在第80天左右接受灵魂。意大利神学家和哲学家托马斯·阿奎那（Thomas Aquinas）最后对这种性别偏见的基础做出了解释。根据他的观点，女人其实是一种“mas occasionatus” [1] ，即没能完成的男性。

1906年，美国麦克杜格尔（Mac Dougall）医生将临死的病人、病床以及床上的所有东西放到一个跷跷板似的天平上。当病人吐出最后一口气时，摆放着病人头部的天平那端显示其重量减少了21克，麦克杜格尔由此得出了这样的结论：他“称出了灵魂的重量”。而这与宣称“灵魂具有非物质性”是互相矛盾的，即灵魂不应该有重量。心脏停止跳动后，天平上出现的重量减轻可能是由于血液在不同器官之间重新分配而造成的。不过，仍然有一部电影以《21克》命名，意思是灵魂的重量。虔诚的天主教徒笛卡尔声称，动物是“没有灵魂的机器”。这与麦克杜格尔没有观察到临死的动物死亡后重量减轻是一致的。不过在麦克杜格尔之后，美国特文宁（Twining）教授精确地测定，所有动物在死亡时都会失去几毫克到几克的重量，因此动物们还是拥有一点点的灵魂的。

在过去的几百年中，所有文化都意识到“灵魂”的存在。如今，你可以在大学中研究灵魂，如果你是学心理学的。不过，心理学家们研究的并不是灵魂，而仅仅是行为与大脑。“心灵粒子”并不存在，存在的是“神经元”。当一个人去世时，并非是他的灵魂出窍了，而是他的大脑停止工作了。迄今为止，我还没有听到任何确切的论据来反驳我以下的简单结论，即意识是由我们的1 000亿个脑细胞共同工作而生产出来的，而“灵魂”是我们脑细胞生产的一个误会。“灵魂”这一全世界范围内都在使用的概念，看上去不过是人们害怕死亡，希望和曾经爱过的故人团圆，以及人们认为自己是如此重要因此死后应该会留下点儿什么这种被误导的、自负的想法造成的。

心脏与大脑的地位之争

无论男女，是交鬼的或行巫术的，总要治死他们。人必用石头把他们打死，罪要归到他们身上。

——《利未记》

至今还是有不少人认为，心脏是我们的感觉、情感、性格、爱，甚至是我们的灵魂所处的地方。就像我收到的一封由《新鹿特丹商报》编辑转发给我的读者来信中所写的：“这位教授一直盯着大脑不放，可是心脏和心脏产生的情感是大脑的相对物啊！”我们在激动的时候有时会感到心脏被重重撞击了，但那是对于来自大脑的信号的反应，该信号通过自主神经系统传递，以确保我们的身体做好逃跑、打斗或者做爱的准备。

有关心脏移植手术“证实了”可以将捐献者的信息也一同移植到接受者的体内的传闻支持了心脏的这种神秘的地位。荷兰《电讯报》（De Telegraaf ）在2008年刊登了一则异乎寻常的故事。

索尼·加拉罕（Sonny Graham）在12年前接受了心脏移植手术。捐献者是一名33岁的用枪射击自己头部而死亡的男子，名叫特里·科特勒（Terry Cottle）。索尼·加拉罕对自己重获新生感到无比的喜悦，于是他开始与特里的遗孀切莉通过书信交流。“我感觉自己好像已经认识她很多年了，”加拉罕在接受当地一家报纸采访时说，“当我第一眼见到她的时候，我就无法把我的目光从她身上移开。”2004年，福克斯新闻频道（Fox News）报道了这位遗孀与接受其前夫心脏移植的男人结婚的消息。最近，索尼·加拉罕采用和他的心脏的第一位“拥有者”同样的方式自杀而亡。现年39岁的切莉第二次成了寡妇。

荷兰《电讯报》没有得出与切莉一起生活很不容易的结论，而是宣称：“这个事件让我们再次看到，如果你移植一个器官，例如心脏，你在同时就会把死者的灵魂给移植过来。”荷兰《电讯报》向来有报道此类故事的传统。例如，它的一期周末增刊的标题是：你的灵魂是住在心脏里的吗？47岁的克莱尔·西尔维娅接受了一名男孩的心脏的移植。现在她会朝着女孩儿吹口哨，还开始喝啤酒了。西尔维娅在1997年出版了一本有关她的这场经历的书。她确信这些性格特征都是那位给她提供心脏的年轻摩托车骑手捐献者所拥有的。

也有这样的传闻说，接受心脏移植手术的病人在术后对音乐的品位变得与捐献者的一致。

一个接受了女性捐献者心脏的男人在术后突然狂恋粉红色，而他在术前则对粉红色很反感。

一位女士声称，她在接受了一位象棋棋手的心脏后突然变成了象棋大师。

还有人在接受心脏移植手术后梦见了杀死自己的器官捐献者的凶手的面孔。

这些故事都刊登在一本我以前从未听说过的杂志——《濒死研究专刊》（Journal of Near-Death Studies ）上。这些研究都存在一个问题，那就是接受器官捐赠的人都知道捐赠者的相关信息，例如性别、年龄、死亡原因以及他们生活的许多其他细节。我们在严肃地对待这些传闻之前，需要进行设立良好对照的科学研究，即在研究过程中接受心脏移植的患者绝对不可以获得任何关于捐献者的信息。

心脏移植是一种非常困难、充满压力、对生命有威胁的手术，这种手术会对患者的人格产生剧烈的影响。接受移植的患者通常都更具有灵性，对于死去的捐赠者感到愧疚，并觉得捐赠者依然活在自己的身体内。此外，术后用于预防移植器官排异反应的强大的药物也会影响患者的行为。总而言之，这些因素足以成为在经历移植手术以后感觉发生改变的原因。此外，人们无法解释与受捐者的大脑神经并不相连的移植后的心脏是如何向受捐者的大脑发送捐赠者大脑复杂的、被移植的信息的，也无法解释这些信息是如何改变受捐者的性格的。

在受到良好控制的科学研究证实与我们的认识相反的结论之前，我们只能认为，在可以获得的临床经验和实验研究论文的基础上，我们的性格特征仅仅位于我们的大脑，而心脏只是一个可以被替换掉的泵而已，而且在替换过程中没有将捐赠者的性格特征（无论好坏）一起转移过来。

濒死体验：隧道尽头那明亮的光

那些离开自己身体的人，不应该偷偷地将五种感觉器官都带着。

——伯特·凯瑟

我的一位博士研究生曾经自然而然地以一种科学的、分析的方式向我讲述了他的两次濒死体验。

“我第一次经历濒死体验是11岁那年患肺炎和胸膜炎，高烧达42.3℃，大汗淋漓，用文学的语言来说，我就是‘漂浮在床上’，不过，我顽固的家庭医生还觉得我是在矫情。我仿佛在不知不觉中滑入一条隧道，隧道的尽头有光。我突然产生了一种完全平静的愉快感。我没有听到清晰的背景音乐，但是能感受到那种由美妙的‘令人起鸡皮疙瘩的音乐’所引起的情感。因此，我能想象有人所说的听见了天使在唱歌。那明亮的、温暖的光笼罩着我，但并非亮得刺眼。

“第二次的濒死体验更有趣了，因为当时我‘看见’了躺着的自己。事后经过诊断，那是由心律失常而引起的。当时我34岁，坐着吃了些东西后想要站起来拿东西。我感到头晕目眩，然后倒在地板上，‘不省人事’。不过，我完全可以意识到我自己，还能‘看见’自己躺在房间的地板上。我妻子跑过来，站在我面前惊慌失措地喊我，我本想告诉她我没事儿，一切都很好，但是我做不到。一般来说，人们会在这种情况下陷入恐慌，或者至少开始担忧，但是如果是放松地漂浮在房间里，情况就不一样了。不过，我当时相当清楚地意识到现实情形不该如此，我只是在想象着自己在漂浮。我也听到我妻子的声音是在我的旁边而不是在我下面。我在意识中分析了一下我的状况——我躺在地板上，窗户在这边，门在那边，3米之外放着一张长椅，我躺在门前，还能听见，但什么都看不见，也无法做出任何回答。

“漂浮的感觉有一部分是视觉的投射。奇怪的是，我当时并没有感到惊慌或者焦虑。过了一段时间，我感到自己恢复了对身体的控制，漂浮感也随之消失了，我又能正常地看到事物了。那段时间持续了多久我无法准确地知道，应该是在30秒到1分钟之间，但是我感觉到了‘永恒’——那意味着我失去了对时间的所有感觉。很少有人可以说出那段时间有多长，对于不戴表的人来说，大多数人可以达到的时间精确度是5分钟。我觉得，这种失去时间的感觉加强了那种愉悦感。我们总是终日忙碌，想尽可能多做点儿事，而在那一刻却得到了彻底的救赎。在这两次濒死体验中，我都没有‘遇见’过谁，也没有听到过谁的声音。”

在范·洛莫尔（Van Lommel）的《无尽的无意识，从科学的角度看濒死体验》一书宣传之后，人人都知道了什么是濒死体验。濒死体验可以在大脑缺氧时产生，也可以是由于极度的恐慌、高热或者暴露于化学物质中而出现。20%的心脏骤停病人事后都说曾经感觉到和平与宁静，疼痛消失，而且别人也认为他们去世了。有人会有离开身体并往下看见身体躺在那里的感觉，也有人报告说自己从一间黑屋子快速冲入一条隧道，隧道的尽头有明亮的光，或者是有着美丽颜色的鲜花和美妙风景，有时也有音乐。有的人看见了已经去世的朋友或者家人，有的人看见了某位著名宗教人物，还有的人能看到自己过去的生活经历闪回。不过，所有的一切都发生在一分钟之内。作为对于恶劣情境的反应，大脑会以非常快的速度显示早已存储在大脑中的记忆、思想、画面和概念。基督教徒看见了耶稣，印度教徒看见了阎魔王的使者来接自己。人们看见自己的生活闪回，还能看见未来，而且画面变化的时间似乎比正常要快得多。当到达一个极限时，濒死体验就会终止，人会回到自己的身体中。按照有些人的说法，他们被耶稣送回来了，因为他们还需要照顾自己的孩子。

濒死体验能被医学界接受并作为讨论的主题，要归功于范·洛莫尔在2001年将人们告诉他的这些体验详细地记叙在医学期刊《柳叶刀》（The Lancet ）上。范·洛莫尔描述了这种濒死体验是如何强大到能经常改变病人的人格，甚至使夫妻离异的。这些人不再畏惧死亡，他们对宗教和灵性的感应会上升，而且更加相信超自然现象。濒死体验给他们留下了不可磨灭的印象，他们不再有兴趣去了解从大脑的角度对这种现象做出的解释。他们确信自己有幸被允许先看了一眼来世的生活，他们要把余生都奉献给与灵性和宗教有关的事物。不过，我的那位博士研究生是他们中的一个例外，在经历濒死体验之前和之后，他都是一位有着批判精神的科学家。

诺贝尔奖被扔进废纸篓

遗憾的是，范·洛莫尔没有坚持理性地分析问题，而是被病人信仰的对于濒死体验的超自然的解释牵着鼻子走了。他的那些伪科学的解释获得了成功，他写的那本书成了畅销书。他直截了当地否定任何关于濒死体验的神经生物学方面的解释，并提出一种理论，该理论不仅可以解释濒死体验，还可以一举解释所有的灵性和超自然现象，包括先知的梦、转世、千里眼，以及运用意志力移动物体。根据他的观点，意识并非像我们这些“目光短浅的、唯物主义的、坚持还原论的大脑科学家们”所认为的那样，是大脑的产物。范·洛莫尔认为，意识“充斥在宇宙间”，被我们的大脑接收，“就像收音机或者电视机接收节目一样”。范·洛莫尔还认为，思想并没有物质的基础。很显然，他对于近期被证实的与他的理论完全相反的科学研究发现一无所知。一位手臂被截肢的病人可以通过记录神经元电活动的装备，用意志控制他的电脑鼠标和假肢。因此，假想的“收音机”（大脑）是自己在活动，这恰恰与范·洛莫尔的信念相反。

范·洛莫尔认为，他的关于灵性的理论是非常重要的，因为我们的大脑没有足够的空间储存长期记忆。这完全是胡说八道，范·洛莫尔显然没有意识到2000年的诺贝尔奖之所以授予埃里克·坎德尔（Eric Kandel），正是因为他“描述了短期记忆和长期记忆在分子水平上形成的机制”。

根据范·洛莫尔的理论，有机体对于胚胎发育和免疫反应也不会保存有足够的信息。他认为，所有信息都储存在宇宙空间里。他似乎再次忘记了1995年的诺贝尔奖授予了发现参与早期胚胎发育的基因的研究者，而1987年利根川进被授予诺贝尔奖（Tonegawa Susumu），正是因为他发现了人们的身体是如何产生大量的不同抗体的。范·洛莫尔的“主菜”是他对于DNA的洞察力，根据他的观点，DNA并不是遗传信息的携带者，而仅仅是宇宙中的意识所发出的信息的接收者。不过，没有人会认为华生（Watson）和克里克（Crick）在1962年因为破解了DNA的基因密码而获得的诺贝尔奖也是不正当的吧。没有任何科学依据，范·洛莫尔的书一下子就抹杀了几位诺贝尔奖得主的研究成果，这决定了这本书的终点。

濒死体验，不必真的去死

任何一种导致脑功能减弱的情况都可以诱发濒死体验，包括意识处于清醒和做梦睡眠之间的非清醒状态。在濒死体验中，自我意识出现破碎，时间似乎变慢。在濒死体验的有关记录中，大量失血、败血症性或过敏性休克、触电、脑损伤或脑血管意外导致的昏迷、自杀、近溺死状态（尤其是在孩童身上）、抑郁症都会引发濒死体验。此外，因二氧化碳含量过高、战斗机加速过快而导致飞行员失去知觉状态以及过度换气也会引发濒死体验，麦角酸二乙酰胺、裸盖菇素、墨司卡林等药物也能引发濒死体验。还有记录显示，使用氯胺酮这种古老的麻醉剂也会产生这样的作用。

莱顿大学医学中心（LUMC）的吉尔特·范·德克（Gert van Dijk）教授不但是一位神经病学家，还是一位临床神经生理学家，他进行的临床研究是，每周诱导他的病人发生几次昏厥。他定期倾听这些病人述说其濒死体验：就仿佛一切都被召唤，愉悦的感觉油然而生，又仿佛置身于另外一个世界。这些病人的病史都显示其具有大脑短暂性缺血的状况。吉尔特·范·德克教授记录了脑电图波的消失，而脑干还在工作，因为病人还保持着呼吸。范·洛莫尔曾经在他的书中反复强调，濒死体验不可能是由大脑缺氧引起的，因为如果是那样的话，每位经历过心搏骤停的人就都会体验濒死的感觉了。然而，他似乎忘记了长时间的缺氧会导致记忆损伤，因此这些病人仅仅是无法再回忆起自己的濒死体验，范·洛莫尔在他发表于《柳叶刀》上的文章中已经显示了脑缺氧和濒死体验之间的关联。

此外，范·洛莫尔的研究还清楚地显示，有些人对于再次发生的濒死体验比其他人更敏感。这就和美国神经病学家凯文·纳尔逊（Kevin Nelson）所说的这些病人很容易从清醒状态进入做梦睡眠（快动眼睡眠）状态一致，即发生了快动眼入侵。在濒死体验中出现快动眼入侵会导致肌张力消失，这与通常做梦时的感觉一样，想移动或是说话却办不到。因此，这也和猝睡症类似。“快动眼睡眠瘫痪”加重了“死亡”的感觉。范·洛莫尔还否认生物学因素（例如缺氧）也可以导致产生濒死体验，因为他认为强烈的应激也会产生同样的效果。然而，应激激素皮质醇以及大脑的应激系统反应本身就可以作为生物学因素来解释大脑活动在那些条件下所发生的变化。当疼痛或者应激过于强烈时，当你无法逃脱生命受到威胁的情境时，大脑就会屈服，出现快动眼睡眠入侵。随后，应激系统停工，产生濒死体验的做梦状态的安宁之感。

范·洛莫尔怎么能认为在失去知觉的状态下，大脑的所有功能都消失了呢？吉尔特·范·德克教授每周的研究证明了范·洛莫尔的这种观点十分荒谬。脑电图测量的仅仅是大脑皮层最高处部分的活动。而且，在心搏骤停期间，无论是在无意识状态出现之前还是之后，在大脑正常运转与大脑的无意识状态开始之间有足够的时间产生濒死体验。这段时间长到足够使作家陀思妥耶夫斯基在颞叶癫痫发作时感受那种“无尽的”体验。事实上，被重新摔回到自己身体里的感受往往发生于心肺复苏成功的时刻，这提示濒死体验可能就是发生在病人重新获得意识之前的那段时间里。

范·洛莫尔的离奇的假说完全是不科学的，脑科学研究可以为濒死体验提供极佳的解释。离体体验可以通过刺激对缺氧极为敏感的大脑颞叶和顶叶的交会处而诱导出来。如果角回的来自肌肉、平衡器官和视觉系统的信息受到扰乱，人就会感到自己离开了自己的身体并漂浮起来了（见图17-1）。同样，吸食能影响脑中多种化学信使的大麻也会导致出现离体体验。一位患者的穹窿附近的下丘脑接受了电刺激后，其颞叶被激活，这使他重新体验了自己30年前经历过的事，仿佛过去的生活在闪回，这与濒死体验类似。内侧颞叶存储情景式和自传式的记忆，是跨越我们一生的编年史。此外，颞叶由于对缺氧十分敏感，因此可以轻易地被激活。刺激海马体可以产生非常清楚、非常具体的自传式的回忆，包括对已经去世的人们的回忆。这些回忆会在生命垂危的时候一并到来，而不是按顺序一个接一个地涌现，因此被称为“全景的记忆”。通过颞叶癫痫和其他形式的颞叶刺激，这种记忆可以伴随十分强烈的灵性和宗教体验。人们会感觉与宇宙、世界甚至是上帝在一起，或是认为自己在天堂里，或是在来世，而且与上帝、耶稣或者其他宗教人物有直接接触。濒死体验所伴随的平和与安静的感觉以及疼痛感的消失，是类鸦片物质释放所导致的结果。看见隧道是因为眼球供血受损，眼球供血的方式导致眼球血液循环受损，并从视野外围开始。因此，视野中央部分保持明亮，而外周黑暗，形成一条尽头有光的隧道。战斗机飞行员在一个巨大的离心机中训练时会造成眼睛血流量减低，他们也会看见一条尽头是光亮的隧道。隧道尽头的明亮色彩以及闪耀的光是由视觉系统受到刺激而引起的，这与做梦睡眠时发生的一样。而且，濒死体验和做梦一样，都处在一个奇异的故事当中。

图17-1　通过刺激对缺氧极为敏感的颞叶和顶叶的交会处，能产生离体体验

如果角回的来自肌肉、平衡器官和视觉系统的信息被扰乱，人就会感到自己离开了身体并漂浮起来了。

以科学的名义宣扬迷信

范·洛莫尔当然有假定他的那些没有获得任何科学研究支持的灵性理论是正确的自由。他的观点并不是新的，几千年来它们遍布于许多文化、神秘运动和宗教当中。不过，范·洛莫尔不应该欺骗人们，不应该宣称他的书“从科学的角度看濒死体验”。此外，完全不能让人接受的是，他作为一位医生，不应该用非科学的理论把那些愿意捐献器官用于移植的人吓跑。令人震惊的是，他把“器官接受者将在同时接收到捐赠者的性格特征”的传言当作事实而进行宣扬。虽然范·洛莫尔宣称他不反对器官移植，但是他的确引起了潜在的器官捐赠者及其家人的恐慌，这是毫无必要的。

就是这本声称是“从科学的角度出发”的书，最终却陷入了由充满暗示性的评论以及对一切模棱两可的、超常的和含糊不明的事物支持的沼泽。它成了一本灵性的、反科学的书。这本书的使命就是要毁掉所有的科学见解和怀疑，因此，它被摆放在一座改革派的教堂里，而不是在与大学相关的任何机构里接受洗礼。目前许多医院都在做实验，试图收集那些人所宣称的在濒死体验中感觉自己离开了身体的证据。实验中“代码”被放在高处的柜子上，但是与所预料的一致，迄今为止没有一位具有离体体验的病人能说出柜子上放的是什么。总而言之，没有丝毫的证据可以将濒死体验看作大脑以外的事物的感知力，或者说是没有丝毫将濒死体验视为人们体验来世生活的证据。这些病人从来都没有去过来世。

濒死并非死亡，正如几乎怀孕并不代表已经怀孕了。

有效的安慰剂

医学具有取悦病人的功能，大自然的功能则是治疗疾病。

——伏尔泰

当研究显示最广泛应用的抗抑郁药物与一种“伪药剂”（即安慰剂）相比并不具有更显著的疗效时，人们震惊了。不过令人奇怪的是，没有人对这种安慰剂效应大加赞赏。安慰剂效应是指不是由于某种药物所含有的特殊化学性质而引起的效果。例如，人们倾向于联想红色、黄色或者橙色药物具有刺激效应，而蓝色、绿色药物具有镇静效果。安慰剂甚至还可以产生副作用。它会造成恶心、胃痛，甚至成瘾，它可以导致患者在“治疗”停止时出现药物撤退症状。因此，我们有充分的理由对安慰剂的效果及其神经生物学机制进行研究。

安慰剂效应的产生是由于大脑在无意识状态下的功能改变减轻了疾病症状。这些脑部变化是因病人对于该治疗所抱有的期待心理而引起的。因此，安慰剂中的化合物可以不具备药理学效应，而病人所获得的信息以及他们对于药效的期待使它产生了特殊效应。这一点不仅适用于药物，也适用于交谈、手术和其他疗法。长期以来，医生们让精神病患者对着一个塑料袋呼吸来治疗其惊恐发作，并取得了良好效果。之前人们以为病人过度换气导致二氧化碳减少从而引起惊恐发作，后来发现，过度换气并不是惊恐发作的原因，而是其结果，而塑料袋中被呼出的过量二氧化碳恰恰最能引起病人的惊恐发作。不过，由于病人相信这种“治疗”，因此它的疗效一直很好。

帕金森氏病的病因是缺乏化学信使多巴胺，有一种安慰剂可以导致脑内多巴胺大量释放从而减轻该病症状。人们还可以通过在大脑深部的底丘脑核植入电极，通过电刺激来抑制这个特殊脑区从而减轻帕金森氏病症状。然而，当医生仅仅告诉病人他开启或者关闭了电极而事实上并没有那么去做时，病人的帕金森氏病症状也会出现相应的改善或者恶化。在一次临床实验中，医生告诉病人正在为其注射一种新型的抗帕金森氏病药物，而事实上医生注射的是一种无活性物质。这个信息导致了该脑区，即底丘脑核的活性减低，超过半数的病人都看到自己的症状得到了改善。显然，对于安慰剂起反应的大脑“知道”它应该改变自己哪个区域的活动来减轻症状。如果病人对这种“新型药物”抱有期待的心理，这种“新型药物”的疗效就更好。

一项研究显示，接受安慰剂治疗和接受真正抗抑郁剂治疗的抑郁症患者在6个星期之后的病情改善程度相同。脑扫描发现，服用安慰剂和服用抗抑郁剂的病人脑区活性改变非常相似。看上去安慰剂导致大脑产生了可以减轻抑郁症症状的功能变化：前额叶皮层活性增加而下丘脑活性减低。

在有疼痛症状的病人服用安慰剂时，大脑会“知道”为了缓解疼痛要提高吗啡样物质的释放，并改变许多脑区和脊髓的活性。在这个方面，昂贵的安慰剂要比便宜的安慰剂效果好。然而，阿尔茨海默病患者由于疾病的特性基本上不会期待止痛药的效果。因此，镇痛药对于这些病人的疗效欠佳，他们需要更高的剂量以达到相同的疗效。

安慰剂效应是大脑无意识的自我修复能力。这种机制对于治疗癌症不可能有所贡献，但是它对于许多脑部疾病有效。对于安慰剂效应的机制以及为什么有些人比其他人对安慰剂更为敏感这一问题的研究具有重要的临床意义。同时，我们千万不要低估了另一种安慰剂的效应，那些老派而仪表堂堂的、鼓舞着人们信心的医生是“行走中的安慰剂”。

传统中医学：针灸具有特殊的生理效应

针灸治疗的效果可能不仅仅是安慰剂效应。

传统中医学自远古以来一直都在提倡着对健康有益的物质和食物。事实上，你在中国常常会听到人们把自己喜欢的每样东西都说成是健康并有助于长寿的。不过也有研究表明，未发酵的绿茶可以降低罹患心血管疾病和某些癌症的风险。人们在17次人口研究的基础上推论出，如果每天喝3大杯绿茶，心肌梗死的风险就会降低10%。绿茶不仅可以对抗高血压和肥胖，还能保护大脑。一些传统的中草药能够改善痴呆症状，而目前人们正采用现代技术去研究这些草药的活性成分和作用机制。例如，钩藤可以抑制β–淀粉样蛋白聚集，这可能是它治疗阿尔茨海默病的机制。不过，关于绿茶具有治疗帕金森氏病和阿尔茨海默病的功效的说法则肯定还需要进一步去验证。在传统中医学领域中，蜈蚣、甲虫和蚯蚓被认为可以对抗痴呆症。从这些动物中提取的成分确实能够抑制乙酰胆碱酯酶的活性，这与西方唯一用于治疗阿尔茨海默病所使用药物的靶点一致，这类西药对某些患者并没有什么疗效。可以肯定的是，中国对于传统草药的研究完全有可能揭示出全新的活性物质。

关于针灸治疗，人们首先会产生的疑问是，它的效果是否仅仅是安慰剂效应。在这种异域治疗方法中，令人印象深刻的仪式样的程序导致病人产生高度期待的心理，安慰剂效应肯定存在。对于针灸治疗的另一个疑问是，传统针灸术中有关经络和穴位的古老中医学概念是否确实有根有据。这里，我会介绍一些研究例子以表明这些问题的复杂性。

为了解答针灸治疗偏头痛所涉及的上述疑问，研究人员将患者随机分成三组。第一组病人接受真正的针灸治疗，针灸针扎入传统穴位并让气在体内运行，即病人必须获得一种辐射热感，这被视为针灸起效的标志。第二组病人接受“假针灸”治疗，针灸针扎入预定的“非针灸穴位”。第三组病人仅仅被列入候诊者名单。结果显示，真正针灸治疗组并不比假针灸治疗组更为有效，但是这两组都比候诊者名单组疗效更好。人们由此可能会得出结论，一方面针灸是有效的，另一方面，关于针灸的传统穴位的重要性——至少对于治疗偏头痛而言，还是值得怀疑的。此外，针灸所取得的疗效是由于生理性机制还是由于非常有效的安慰剂效应，人们从中还无法得出结论。另外一项将紧张性头痛病人分成这样三组所做的研究也获得了相似结果。

然而，在一项对于膝盖骨关节炎病人进行的类似研究中，经典的针灸显得更为有效。在这项实验中，研究者对真正的针灸治疗组和一个“最小限度”针灸治疗组（也就是在病人的“非针灸穴位”进行浅表性针刺）以及一个候诊者名单组进行了比较。经过8周治疗，接受真正针灸治疗的病人的膝盖疼痛程度和功能与接受“最小限度”针灸治疗组病人相比，都有明显的缓解和改善。虽然这两组之间的这些差异随着时间的推移逐渐减少，但这还是显示了针灸具有临床疗效。针灸对于慢性机械性颈部疼痛的疗效具有统计学意义，但是不具有临床学意义。在相关实验中，人们将电针灸治疗和一种步骤一样但是电线中不通电流的假电针治疗进行了比较。因此，人们还不清楚针灸治疗的效果是不是由针灸针产生的。

一项PET扫描研究试图去揭示骨关节炎患者的大脑对于针灸治疗的反应差异，以及伴有疼痛的骨关节炎病人对于治疗的期待。这项单盲交叉设计实验研究了三种情况：真正的针灸、安慰剂式针灸和皮肤针刺。在安慰剂式针灸中使用的是“Streitberger针”，针头是钝的，一旦接触到皮肤，针头就缩回到针杆内——给病人的印象是针已经刺入皮肤。第三种情况病人接受的针灸针也是钝的，仅仅接触皮肤。这三种针灸治疗都没能减轻病人的疼痛。PET扫描显示，接受针灸的同侧大脑岛叶——协调身体自主反应的脑区，在真正针灸治疗中比在使用Streitberger针的针灸中更为活跃，尽管这两种治疗使病人产生的期望值相同。这两种治疗同第三种病人对治疗不抱有期待的皮肤针刺相比，前者病人前额叶皮层、前扣带回皮层和中脑有更大的激活区。这项实验表明，针灸针具有特殊的生理效应，它和病人对于治疗的期待无关，期待的心理可以刺激大脑中处理奖赏的脑区。因此，针灸治疗的效果可能不仅仅是由于病人对治疗的期待而产生的安慰剂效应。针灸治疗的临床意义究竟有多大，传统针灸穴位是否具有重要意义，要解答这些问题还需要分别研究针对每一种症状的每一种治疗。这样的研究才可能使针灸治疗成为以科学为基础的“标准”医疗方法。研究针灸机制的动物学实验也具有重要意义。例如，有研究发现，大鼠的电针灸镇痛效果伴随着下丘脑室旁核内血管加压素浓度的上升而增强，而催产素和鸦片样肽浓度没有改变。血管加压素可以在血液中测得，因此它可能有助于评估针灸对人的疗效和机制。

草药治疗

草药除了含有有益的物质外，也可能含有剧毒物质。

草药治疗作为正规治疗的一种替代疗法非常盛行。在美国这个喜欢用数据说话的国家，市场上有大约3万种草药产品，目前每年的草药产品销售额达到40亿美元。当病人患有慢性疾病而医生对治疗无能为力时，我们中的大多数人会在某个时刻开始尝试替代疗法。每个人都认识某个通过这种疗法而治愈的人，但是没有人会去想疾病可以自动消失这一事实。替代疗法可能有效的一个重要原因是，采用替代疗法的医生比普通的医生要更和善，并愿意在病人身上花更多的时间。替代疗法的从业者和病人都坚信这种疗法有效，这种信念比任何一种安慰剂的效应都强大。此外，那些开始转向草药治疗的人常常会为自己找这样的借口，“即使没有效果，至少也没有害处”。其中的理由是：毕竟草药是天然的物质，因此不可能对人有害。但是，这是一个误解，我希望看到它能被澄清。事实是，这些草药可能的确无法治愈你的疾病，并且可能对你非常有害。此外，人们所知道的最具毒性的物质也都是天然的。这道理是明摆着的：当一种化学物质作用于我们机体时，它需要特殊的受体蛋白质来接收它。而受体只和天然的物质，或者化学结构和这些天然物质相似的物质发生作用。

如果梳理一下医学文献中关于安全的草药可能引起中毒反应的记载，你会大吃一惊。大量文献记载了由服用草药而引起的各种各样的神经和精神疾病，例如脑血管炎症、脑水肿、谵妄、昏迷、意识模糊、幻觉、脑出血、运动障碍、抑郁症、肌肉无力、麻刺感和癫痫发作等。人参可以引起失眠、阴道流血和躁狂发作。缬草可以引起恶心和宿醉症状。曼陀罗会引起定向障碍，而西番莲会诱发幻觉。作为抗压力药物的卡瓦胡椒可能引发致命性肝炎和肝硬化，麻黄则可能导致精神病。麻黄草药制剂含有麻黄碱，这种成分存在于减肥药、兴奋药丸和“聪明药”中，在体育界它们被用于提高成绩（即兴奋剂）。微量的麻黄碱就可以引起例如中风、心肌梗死和精神病等疾病。这些物质曾使一些运动员死亡。因此，荷兰卫生部部长霍赫沃斯特（Hoogervorst）对这些制剂加以禁止是完全合理的。银杏树产自中国，银杏树叶在20世纪初期盛行于欧洲的装饰新艺术领域。人们普遍认为银杏对记忆问题和痴呆症具有疗效（事实上它确实有一些效果，但是比那些几乎无效的西药的疗效还低），它会引起头痛和眩晕。桉树可以造成谵妄症。圣约翰草（贯叶连翘）被用来治疗抑郁症，而人们也证实了它能够改善情绪，但是，它也会引起焦虑和疲倦。

除此之外，有些草药，特别是来自亚洲的草药受到了重金属的污染。在这里请保持清醒：虽然草药已经被应用了几百年，在中国传统中医中有应用的论据，并不能用以担保草药制剂的有效性或者草药没有毒性效应。此外，草药还可能和同时服用的常规药物发生意料不到的危险的相互作用。贯叶连翘就会导致避孕药无效并干扰抗艾滋病病毒药物和百忧解的疗效。

好，现在让我们带着这些基础知识，抱着批判的态度转向互联网去搜索一下。在谷歌上搜索“草药疗法”，我们会看到关于草药可以包治百病的，伴随着骗子们的胡说八道的超过2 000万点击量的链接。看得令人发抖！如果有人对你说他卖的草药绝对没有副作用，那你一定要小心了：任何有疗效的药物都具有副作用。宣称自己的药物没有副作用意味着以下三种情形之一：①那种药物根本没有任何效果；②它从来没有接受过副作用的检测；③是最可能出现的情形，即①和②同时存在。那个绝对能从互联网上的草药广告中获益的人只是卖家自己。

上述这些现象并不意味着草药不含有具有治疗和康复性能的化学成分。目前在中国，科研人员正在对传统中医药进行着基于科学证据的研究。他们在寻找数百年以来在传统中医中被使用的草药中的活性化学物质，但是，与西医学致力于分离单一有效成分，然后研发出一种药物不同的是，传统中医学认为，若干活性物质的混合物可以达到最佳疗效。显然，这样的概念并不能使相关科学研究的开展变得更容易。然而，科研人员正在采用西医学的方法，通过细胞培养和动物实验将那些活性物质分离并测试其效应，例如，清华大学的郭教授就带领着一支研究队伍从传统中药中分离新的活性化学物质，他们的研究令人印象深刻。在中国国内要求探索中医的科学基础的呼声很高，那些仅仅“根据”古老中国传统而用中医为人治病的人会受到公众的严厉批评。

有时候，从草药中分离出来的化学物质可能是我们已经熟知的物质。传统上用来抗衰老的植物含有大量的松果体素。在西方，人们也在宣传松果体素是可以延缓衰老进程的抗氧化剂，但是，这种说法还缺乏可靠的临床证据。我们在研究中发现，松果体素作为纯化学物质的确可以帮助恢复痴呆症患者的睡眠–觉醒节律，减轻其夜间的烦躁不安状况，并对改善记忆也有一定的功效。据我所知，目前还没有针对那些含有大量松果体素的草药的这些功效的良好对照研究。在传统中医学里，人参可以用于治疗性功能障碍。在美国进行的动物实验显示，人参的确可以提高性欲，促进勃起和刺激性行为。现在需要的就是在临床中验证它。

现在人们越来越重视对传统植物提取物的药效进行临床对照研究测试，这和西方药物学研究方法是一样的。正如在所有医学研究中都会遇到的情况一样，研究得到的结果有时互相矛盾。例如，有些研究发现银杏叶提取物的确对老年人和痴呆症患者的记忆障碍具有一定疗效，但是另外的研究也显示它不能改善记忆功能。在西方，人们进行了一项将银杏和西方所用的那种效果有限、还伴随很多副作用的药物（乙酰胆碱酯酶抑制剂）进行比较的研究。结果显示，西药的疗效显得比银杏还更好一些。因此银杏绝不是治疗痴呆症的神药。

时间会告诉我们，造成这些研究结果之间差异的原因以及究竟谁是正确的。目前最重要的是，传统中医药领域的研究者们正在按照西医科学设立的严格对照方法进行研究，希望这能让我们最终了解，是否可以从植物中研发出没有太多副作用和毒性的有效药物。毒性危险并非空穴来风：2006年，人们检测出在英国销售的一种传统中药芦荟制品中所含的水银量超过英国标准11 700倍。这一类事件正在促使传统中医学和现代医学尽快接轨。

注解：

[1] 　此处是拉西语。——译者注

第18章
自由意志，一个愉快的错觉

也许我们的意识、心理表征都只是回顾往事时的思考，是我们在事后为了给自己一种拥有权力和控制力的幻觉而产生的念头。

——欧文·亚隆 [1] ，《当尼采哭泣》

我们有选择的自由吗

这就是我的立场，是不能更改的。 [2]

人们之所以常会宣称自己具有自由意志，是因为人们能够做出选择，但这是一个错误的概念。每种有机体都在不停地做选择，问题是，这些选择是否完全是自由的？

美国研究人员约瑟夫·普赖斯（Joseph Price）把自由意志定义为“不受内在或者外在的约束而决定做或者不做某事的能力”。按照这个定义，我们是否曾经自由地做出过决定呢？达尔文在1838年就说过，自由意志的存在只是一种错觉，因为人们很少分析自己的动机，而行事则大多出于本能。

关于“自由意志究竟是指什么”的问题，哲学家们之间也存在分歧。在有关自由意志的讨论中通常会涉及这样的三个方面：第一，只有当你可以拒绝完成一种行为时（即肯定存在着可以替代的方案），这种行为才可以被称为是自由的；第二，这种行为必须是有原因的；第三，哲学家们认为，你必须真诚地按照自己的主动性来完成。当然，这不过是给了我们一个概念而已。

那些还能回忆起自己所经历过的突如其来的热恋的人，没有谁会将他对于伴侣的选择归纳为一个“经过适当考虑的自由的决定”。那种热恋就那么发生了，伴随着幸福愉快感和身体的反应（例如心跳加速、出汗和失眠），还伴随着情感的依赖、强烈的专注、对伴侣的占有性的保护欲以及精力旺盛的感觉。这正是柏拉图所认识到的方式，他把性冲动视为灵魂的第四种形式，位于肚脐下方。柏拉图还称这个特别的灵魂完全是非理性的，是不受任何规矩约束的。

斯宾诺莎也是一个不相信自由意志的人，他在《伦理学》（Ethics ）第三部分第二条命题中列举了以下生动的例子：

一个婴儿相信，根据他的自由意志他需要喝奶；一个愤怒的儿童相信，他想要报仇也是由于自由意志；一个胆小的儿童则相信，按照自由意志他要逃跑。进而，一位醉汉会相信他是受自由意志的驱使而说出那些他在清醒时不愿意说的话的。这样看来，精神错乱的人、喋喋不休的妇女、儿童以及其他类似的人，也都会相信他们是按照自由意志的命令而说话的——但是事实上，他们是无法忍住这种说话的冲动的。

显然，斯宾诺莎确信那些性格特征是已经形成并固定的，你不可能改变它们。

现代神经生物学的知识表明，绝对的自由是不可能存在的。许多遗传因素以及早期发育阶段的环境因素影响了大脑的结构和功能，这意味着我们在拥有所有的潜能和天赋的同时，还具有许多固定的局限性，例如，具有成瘾的先天易感性，或是具有一定水平的攻击性，还有性别认同和性取向的问题，以及患上多动症、边缘型人格障碍、抑郁症或精神分裂症的风险。很显然，我们的行为在出生时就已经在很大程度上被决定了，这一事实与20世纪60年代关于人类的可塑性的信仰截然相反。

在我们的早期发育阶段，有关我们自己的大量特征已经被决定，这不仅会影响我们对精神疾病的易感性，还会影响我们正常的每日生活。从理论上讲，我们可以选择与异性或者是与同性展开一段恋情，但是我们的性取向早在我们还在母亲子宫里时就已形成了，它不允许我们自由地在那些理论上的可能性之间进行选择。而且，我们都出生于特定的语言环境中，虽然我们不能选择母语，也没有对于特定的语言能力的遗传学背景，但是这种语言环境会对我们脑的结构和功能产生重要的影响。此外，我们出生环境的宗教性也决定着我们将如何体现我们与生俱来的灵性，是具有信仰、唯物主义，还是对环境抱有非凡的关切。

我们的遗传学背景以及对于我们早期大脑发育具有永久性效应的所有因素将造成我们的“内在限制性”，于是我们无法自由地决定改变性别身份、性取向、攻击性程度、性格、宗教信仰或母语。我们也不能决定从现在开始拥有一项特别的天赋，或是停止思考某件事物。正如尼采所说的，思考的出现是它想到我的脑海中来，而不是我想要它来。同样，我们甚至对于自己的道德决定也很少能有什么影响。我们赞成或者不赞成某件事并不是我们深思熟虑的结果，而是因为我们无法做出其他的选择。正如达尔文指出的那样，道德标准是古老社会直觉的产物，它引导着我们以不损害群体的方式行动。

因此，一个必然的悖论只能是，除了任何遗传局限性以外，唯一具有某种程度的自由的人类只是那些处于怀孕早期阶段的胎儿。不过，一个具有有限的自由的胎儿并不能做任何事情，因为它的神经系统还没有成熟。在我们成年以后，我们大脑的可修正性，以及我们行为的可变性都受到了严格的限制。我们有了自己的“性格”，而我们最后残余的自由也被限制在社会的种种必须做或者不允许做的范围内了。

大脑是一台巨型的无意识的电脑

在对次要的事情做决定时，我发现权衡所有的正面和反面的理由都是大有裨益的。然而，对真正重大的事情所做的决定来自潜意识，来自我们自身内部的某个地方。

——弗洛伊德

我们的许多决定都是在“转瞬间”或者“本能地”，抑或是凭我们的直觉而做出的，没有自觉地思考它们。我们因为一见钟情而选择一位伴侣，而一位犯罪嫌疑人会在法庭上非常真诚地说，他是在杀人之后才意识到整件事情的。科学记者马尔科姆·格拉德威尔（Malcolm Gladwell）在其《决断2秒间》（Blink ）一书中，描述了一幅关于无意识的大脑在几秒钟之内做出重要而复杂决定的精彩画面，而这发生在我们这台无意识的电脑完成了庞大的计算之后。就像现代飞机可以由自动驾驶仪来控制起飞和降落，不需要有血有肉的机长的帮助一样，我们的大脑也能在无意识思考的情况下出色地完成很多事情。不过，大脑得经过训练才能做到这点。只有长期给无意识的大脑提供大量的信息，一位艺术专家才能达到立即“感觉”出他在观看一件赝品的水平。只有通过观察大量的病例，医学专家才能在病人一走进房间时就对其做出诊断。功能性脑扫描已经显示，我们在做主动推理或者凭直觉做出决定时，运用的是不同的大脑回路。只有在后一种情况下，大脑的岛叶皮层和前扣带回皮层才能被激活，这些区域对自主性调节非常重要。此外，它们对我们的肠胃系统也起着重要的调节作用，这清楚地体现在我们选择一个词来描述我们所做的决定的基础——“胆魄”。

我们的大脑不得不在很大的程度上像自动驾驶飞机那样不假思索地工作。我们被海量的信息持续地轰炸着，无意识地采用选择性的注意来提取对我们来说很重要的信息。即使是在观看快速展示的人体裸体照片时（观看者不可能“有意识地”看见），异性恋男性的目光也会转向女性裸体照片，而从男性裸体照片上移开视线。对于同性恋男性和异性恋女性而言，他们的目光则会被男性裸体照片吸引，而同性恋和双性恋女性的反应则介于异性恋男性和女性之间。在发育早期阶段，大脑编制的程序已经确保性取向转化为一个无意识的过程。

情感在这些无意识的过程中起着非常重要的作用，自主神经系统充分参与了这个过程。的确，情感对于道德判断起着决定性的作用。大脑额叶的一个区域——腹内侧前额叶皮层，在解决道德困境时起着决定性作用，例如以牺牲一个个体的生命为代价来挽救许多其他人。对于我们大多数人来说，不可能做出那些极度情绪化的决定，但是那些前额叶皮层受损的人却可以做出病态的、超然的举止。在做出那种可怕的决定时，他们不会体会到诸如感同身受或者同情之类的情感。因此，有关社会规范和社会价值的决定显然需要完好的大脑的情感作为基础。

通过有意识的推理所做出的决定并不总是优越于无意识决定的结果，它甚至还会阻碍人们做出好的决定。根据心理学家艾德·德·汉（Ed de Haan）教授的观点，重要的理财决定（例如买房子）有时还是凭直觉做出决定更好，而不要经过有意识的考量。自闭症天才丹尼尔·塔米特在拉斯维加斯时，试着像《雨人》里的达斯汀·霍夫曼那样通过记牌而在二十一点游戏中赢钱。起先他输得很惨，随后他凭着直觉做决定，于是就开始赢钱了。当在高峰时段开车去上班时，你在一路上会完全自动地在复杂的状况下做出几百个生死攸关的决定，然后你会突然发现自己在思考：“嗨，我已经到了吗？”人们面临问题时也可以将问题“停泊”在意识的后方一段时间，不去有意识地思考它，然后就在你正忙着做一件完全不相干的事情时，对于那个问题的解决方法会一下子浮现在脑海。换句话说，我们的行为在很大程度上是通过潜意识的过程控制的。在弗洛伊德研究潜意识之后的100年，我们又回到潜意识这个议题来，但是不涉及弗洛伊德的关于被压抑的婴儿的性冲动、攻击性幻想以及其他值得怀疑的主张。

我们的文化和社会背景也对无意识的决定起着至关重要的塑形作用。在历史的长河中发生过多少次整个民族盲目地追随着一个错误的领导人的事件？然而，诸如温度和光照等物理因素也能显著影响我们的活动，漫长炎热的夏季可以促使攻击性行为的爆发。一项对于过去3 500年内爆发的2 131次战争的分析表明，在北半球，几个世纪以来那些宣战的可怕决定通常都是在夏季做出的，在南半球则是在冬季做出的，而在赤道附近的国家，开战的决定则不受季节的影响。在发动战争这样事关重大的决定上，不是军事策略，也不是某种“理由”或者“自由意志”，而只是日照时间的长短和气温起到了决定性的作用。

当然，做出这么多的无意识的决定也有其缺点。我们潜意识中的种族歧视和性别歧视的观点常常会对我们产生出乎预料的影响，求职面试就是一个常见的例子。不过，我们的大脑必须在很大程度上像一台高效率的、无意识的而且还能做出理性决定的电脑那样工作。无意识的、“隐含的”关联使我们能快速并高效地做出大量复杂的决定，而如果这一切都要经过对正面和反面理由的慎重的、有意识的权衡思考，就将是不可能做到的，因为这太耗费时间了。所有这些无意识的决定都没有给意识，即自由意志，留下一点儿余地。这一点具有深远的意义，因为当我们让一个人对其行为负责任时，我们的出发点是假设存在着自由意志，但是至少就我们的行为而言，自由意志根本就不存在。

把别人的胳膊当自己的

我们必须接受这样的事实，即我们有可能知道某些事情，但是我们并不知道自己为什么知道。

——马尔科姆·格拉德威尔

鉴于我们负担过重的大脑总是通过无意识的过程不断地做出决定，于是哈佛大学的心理学家丹·韦格纳（Dan Wegner）提出了“无意识的意志”这种说法来取代“自由意志”。无意识的意志根据环境中发生的情况而做出瞬间的决定，其过程主要由大脑在发育期间所形成的方式以及之后所学到的知识而决定。我们所处的复杂的、不断变化的环境决定了我们的生活永远都没有可预测性，而我们的大脑在这种环境中的发育方式决定了完全的自由意志是不可能存在的。然而，我们相信自己在不断地做着自由的选择，并将其称为“自由意志”。根据韦格纳的观点，这是一种错觉，他还通过一项实验来支持他的理论。

在实验中，他让被试A站在镜子前面，除了腋部以外，整条手臂都被固定在镜子的视野之外。让被试B站在A的身后，将自己的手臂从A的腋下伸出，看上去似乎是A的手臂。当B的手臂按照指令完成诸如“挠挠你的鼻子”或“挥挥你的右手”等命令时，A就会产生一种错觉，认为是他的意志在控制着这些动作。

韦格纳的实验清楚地表明，无论是B的这些动作还是B去做这些动作的“有意识”的念头，在A的大脑中都是由无意识的过程而引起的。虽然A无法审查这些无意识的过程，但是他可以说明作为其结果的动作（即他把手臂的动作当作是他自己做出的）。当B执行一个动作时，A的大脑所记录到的“有意识的画面”让A觉得那动作是他自己有意识地完成的。然而那是错觉，因此不能证明A的感觉与导致B动作出现的事件之间具有有意识的因果关系。

根据阿姆斯特丹的心理学家维克多·拉姆教授的观点，对于有意识的意志的错觉都是继发性的，即发生在正在进行的动作的信息被传送回大脑皮层以后。韦格纳认为，人们需要关于自由意志的错觉，以便确定个人行为的合理性。这就像是在印橡皮图章：“那是我干的。”

本杰明·利贝特（Benjamin Libet）通过他著名的实验显示，在我们的身体接受刚刚超过感觉阈限的刺激后的半秒钟，我们的大脑才能有意识地记录这种刺激。大脑皮层所引发的行动也同样有这样的表现。他得出的结论是，出现这样的行动之前，大脑有半秒钟的无意识的活动（“准备电位”），这一结论是对自由意志控制行为假说的严肃质疑。尽管学界对于利贝特的观察结果存在着热烈的争论，但近期的功能性磁共振成像（fMRI）扫描实验表明，大脑皮层的确有一部分区域会在有意识地感受到运动型活动之前出现多达6～7秒的准备电位。此外还有实验显示，意识产生于行为发起之后。

在一项实验中，被试的任务是在电脑屏幕上快速点击出现的闪光点。他们的视觉大脑皮层工作速度很快。亮点出现后的0.1秒，信息就被发射到运动皮层以启动点击屏幕上亮点的行为。如果采用磁脉冲干扰视觉皮层信息处理过程，那么被试就会做出点击屏幕的动作，但是无法意识到电脑屏幕上出现了亮点。

所有这些观察都证明了认为这些行为是由自由意志发起的观点的确是一个错觉，苏珊·布莱克摩尔（Susan Blackmore）的说法是正确的——“意识不过是事件发生之后所讲述的一个故事而已。”至于是否可能存在着像利贝特所相信的那样，即人们至少拥有一种一旦意识到某种动作就可以制止该动作的能力（“自由地不愿意”），仍有待研究。当然，大脑的无意识活动先发于制止某个动作之前的可能性也同样存在。

不过，尽管意识领会事物有点儿慢，但它仍然是很有用的。因为如果你意识不到受伤或炎症造成的疼痛，你就不会为此采取任何措施，你生存的概率也会变得很小。此外，意识也能确保你今后可以避免类似的危害发生。

人们的许多行为都是在无意识的状态下发生的，这一事实并不意味着当人们集中注意力时也不能进行有意识的行动。利用自动驾驶仪来开车很好，但是当意外的事情发生时你就需要集中注意力。在面对危险时，你就要开始进行缓慢的、有意识的行动了。

科学和艺术难道都是大脑的误打误撞吗

每个大脑都是独特的，因此试图表现得独特并非独一无二的想法。

尽管弗朗西斯·克里克（Francis Crick）对于自由意志到底是不是错觉的议题还存有疑问，但他从理论上提出前额叶皮层的一部分，即前扣带回皮层，可能是这一概念的神经学基础。不过，他的论证从意义上来说仅仅和“意志”的“积极主动性”有关，而肯定不是普赖斯所定义的“自由意志”，即决定做或者不做某件事的能力，而这种选择性并不会由内部或者外部的约束而决定。安东尼·达马西奥（Antonio Damasio）也相信，大脑的扣带回皮层的最前端部分以及内侧前额叶皮层是人们所有外部活动（运动）和内部活动（思考和推理）的源头。在阿尔茨海默病患者的大脑中，也确实发现了他们情感淡漠的程度与前扣带回皮层变薄程度相关。不过，那还不能证明自由意志就在那里。

在试图诋毁“自由意志是错觉”这一理论的过程中，有人向大脑研究者提供了许多例子。例如，有人引用那些决定去进行反抗性行动的例子作为自由意志存在的证据。然而，如果考虑到那些极端主义者从小就受到宗教思想的教化而在印象中觉得有责任去发起那些行动，那么就会让人怀疑那究竟是不是一个好例子。据说，马丁·路德在1521年现身沃尔姆斯帝国议会时发表了著名的宣言：“这就是我的立场，是不能更改的。”听上去这其实非常不像是在表达一个完全自由的决定，如果你考虑一下就会发现。

科学和艺术领域经常会炫耀地“证明”自由意志的存在。澳大利亚神经生理学家、诺贝尔奖得主约翰·埃克尔斯将科学家的创造力视为自由意志存在的确凿证据。人的大脑的确是独特的，因此能够创作出一首独一无二的诗歌或者一幅与众不同的画，抑或是设计出一项前所未有的实验。然而，这并不是自由意志存在的证据。在全世界不同的地方，各自独立工作的具有高度创造力的研究人员经常同时产生相同的“独一无二”的发现，这种现象并不是没有含义的。历史上就有这样的事情：

达尔文是在非常违背自己意愿的情况下被迫出版他的进化理论著作的，因为阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士（Alfred Russel Wallace）已经完全独立地得出了相同的结论。1858年7月1日，在伦敦林奈学会的会议上，这个理论以联合论文的形式被宣读，就此公之于众。达尔文没有出席此会，因为他和妻子那天正在参加他们儿子的葬礼。华莱士也没有出席此会，因为他正在远东。更值得注意的是，当达尔文乘坐着“小猎犬号”起航时，一位苏格兰的园丁已经提出自然选择的假说了。然而，由于达尔文的想法被发表在一本书中，因此没人注意到它。（这种现象至今依然存在——以一本书的一个章节的形式而发表的学术论文在出版时就“消失”了。）

这些例子所表现的是，这种全新的、独一无二的概念产生的时间成熟了。如果他们没有想到这些概念，那么很快就会有其他人想到。这并不会减损达尔文阐明这个理论的杰出性，他为自己的每一步论证都提供了无数的例子来做解释。此外，他的书不但具有科学意义，而且还是一部令人很享受的文学作品。

在艺术领域也出现过这种独立而同时做出发明的现象。35 000年以前，法国、澳大利亚、非洲的人们几乎在同时“发明了”艺术。德国发现的一幅世界上最古老的雕刻在猛犸象牙齿上的女性图案，也可以追溯到这个时期。很显然，人类创造力的这些“独特的”表达取决于大脑进化发展所达到的阶段。研究人员们所进行的“独一无二”的实验主要取决于科学知识的进步和技术与仪器的发展，它们确保了做出符合逻辑的下一步工作。要想证明自由意志的存在，还需要更好的论据。

我不是故意要伤害你

自由意志是种错觉，对精神病来说肯定如此。

自由意志的定义是不受内部或者外部约束影响而做出决定的能力，它还要求一个人能够审查自己的行为的后果。患有脑部疾病的人既存在内部的约束，又无法“审查自己的行为的后果”。这是具有法律方面的含义的。荷兰的刑法规定，如果作案人员由于发育不良或者精神疾病而无法承担责任，那么他可以不承担法律责任。

2003年，一名住在疗养院的患有严重痴呆症的81岁老妇杀死了她同室的另一位80岁的痴呆症老妇。公诉机关最终并没有起诉她。

1981年，欣克利企图刺杀里根总统。

2003年，米亚伊洛·米亚伊洛维奇，一位未服药的精神分裂症患者，“奉耶稣的命令”杀害了瑞典外交部长安娜·林德。

很少会有人认为这些罪行出于自由意志。当一位彬彬有礼的身着漂亮衣服的妥瑞氏症（抽动秽语综合征）女患者将手提包放在膝盖上，坐在医生的诊疗室里时，突然说出一连串因抽搐而诱发的猥琐的言语，这不是由她的自由意志而决定做出的。

如果你认识到恋童癖是遗传因素和大脑发育异常联合作用的结果，那么你还能要求一名恋童癖患者对其性取向承担道德的责任吗？他的恋童癖当然不是一种自由选择。

一个由于遗传背景与母亲在怀孕期间吸烟而共同作用造成注意缺陷多动障碍（ADHD）并导致实施犯罪行为的人，又应该如何承担责任呢？如果母亲在怀孕期间营养不良，就会增加孩子将来的反社会行为风险。如果这样一个孩子在将来和警察发生了纠纷，那么他的自由意志又占了多少原因呢？对于一个还在挣扎着努力去适应由于性激素的改变而完全重新塑形的大脑的十几岁的青少年来说，如果他犯罪了，你能让他承担全部的责任吗？

“自由意志”概念的复杂性也可以由异手综合征来阐明。异手综合征是一种罕见的神经性疾病，发生于大脑两半球的信息交流出现故障时，当两个大脑半球之间的连接体（即胼胝体）受到损伤时可以发病。疾病会导致每一侧大脑半球所发起的活动无法再相互协调，病人将感觉到丧失了对于某一只手的控制。“异手”所进行的无意识的行动可以和那只正常手的行动完全对立。一只手在穿裤子，而另一只手却会费力地去尝试脱掉它。这样的病例将如何应用自由意志呢？一位异手综合征女患者描述了自己在夜里醒来后，发现自己的左手正企图掐死自己。这个细节被电影《奇爱博士》的制作者改编为电影中的情节：主人公的一只手不断地与另一只手扭斗，以阻止后者把自己勒死。

上面说到的那位女患者醒来后，左手试着违背右手的“意志”解开裙子上的纽扣。她的左手还和右手抢着接电话。这种失去对自己肢体的控制的感觉以及缺乏自己在做动作的感觉是非常可怕的，它让病人产生错觉，认为是别人或者其他的事物控制了他的动作。这名患者试图解释她无法控制自己的手的事实，她觉得那只手被“月亮”控制了。

看来，如果我们能够意识到自己在做什么事，但是缺乏自主性的感觉（自由意志），就会感到自己的身体是一个陌生的异形物体。因此有人建议说，我们能够按照自由意志而行动的错觉可能是我们必须为意识付出的代价。在异手综合征的例子中，一个大脑似乎存在着“两种意志”，两种意志都在要求做不同的事。因此，拥有自由意志的错觉还取决于左右大脑半球之间的有效联结。

那种认为我们可以自由地选择如何行动的观念不仅是错误的，还制造过很多悲剧。例如，过去人们普遍接受异性恋、同性恋或者双性恋这样的性取向，这是一个“选择”的问题，而由于所有的宗教都认为同性恋是做出了错误的选择，因此直到不久之前同性恋都被认为是违法行为，并被认为是一种畸变。基于这个观念，同性恋在医学界一直被视为一种疾病。一直到1992年，同性恋才从《国际疾病分类（第10版）》中移除。在那之前，所有的尝试都希望通过治疗来改变同性恋者的假定紊乱行为，包括监禁他们并对他们做各种各样的手术，但是没有什么方法能起作用。

我很好奇地想到，类似的情形还要过多久才会发生在其他那些被认为是出于自由意志的行为方面，例如攻击行为和流氓行为、恋童癖、盗窃癖以及潜行跟踪癖。要接受“它们不是出于自由意志”的观点，就将对如何处理这些犯罪者产生深远的影响。还有人宣称，对于某些神经性疾病，例如多发性硬化症，“积极的”态度将有助于康复。然而，这种观点不仅没有任何证据支持，而且如果病人的病情恶化了，人们就会认为这个可怜的病人在和疾病斗争的过程中“努力”得还不够。

接受“完全的自由意志只是一个错觉”的观念对我们来说不是更好吗？这并不是一个崭新的念头，因为斯宾诺莎在他的《伦理学》一书中就说过：“大脑中并不存在绝对的或者自由的意志。”

注解：

[1] 　Irvin Yalom，心理学家。——编者注

[2] 　传说是在1521年，马丁·路德现身于沃尔姆斯帝国议会时所做的声明。——作者注

第19章
阿尔茨海默病

衰老，一部向开始的方向回放的电影

最终，你将会忘记你已经忘记的一切，而且这种痛逝也不会再让你烦恼，这样的前景并不是令人安慰的，因为它意味着你作为一个个体，已经被完全消除了。

——杜威·德拉埃斯马 [1]

有时候，生命会被人们形象地比喻为一段台阶，人们在一步一步地向上攀登，发育和成长阶段是向上走，抵达最好的时光。在50岁左右，我们开始衰老，于是转为向下走。

不过，就大脑的衰老过程而言，一个更好的比喻可能是：一部向开始的方向回放的电影。阿尔茨海默病的过程正是与发育的方向相反的过程，患者逐渐失去人格和才能，以完全依赖他人而告终，到那时，病人会以胎儿的姿势蜷缩在床上。事实上，痴呆就是大脑死亡（参见本章第2节）。

“正常”的大脑衰老与阿尔茨海默病有很多共同之处。第一，年龄是阿尔茨海默病发病的主要因素：随着年龄的增长，疾病的发生概率呈指数上升。第二，迄今为止在阿尔茨海默病患者脑中发现的所有改变同样也出现在上了年纪的但并未患痴呆症的“对照者”的脑中，尽管后者的程度较轻，出现的年龄也较大。在很多方面，可以被看作大脑过早、过快和严重的衰老。

为什么所有的生物都会衰老呢？这可能是由于大自然时不时地用年轻的样本来进行替换，要比它持续修补那些受损的细胞以永远保持原始生物体所需要的能量消耗更少，这就产生了“用完即可丢弃”的理论。很不幸的是，这种理论正是社会对待老年人的态度的反映，即老年人必须尽可能廉价地活着。

痴呆不一定就是阿尔茨海默病

阿尔茨海默病是痴呆的最常见形式。由于年龄是这种疾病的主要风险因素，再加上人口统计学结果，我们可以预测，在未来30年内，阿尔茨海默病患者的数量会增加一倍。查明某位痴呆症患者是否被正确地诊断为阿尔茨海默病的唯一方法就是对其死亡后的大脑做显微镜下的检查，寻找该病的特征性脑部改变（见图19-1）。这是因为，许多其他形式的痴呆症只有通过对脑组织的研究分析才能与阿尔茨海默病相区别。

图19-1　一位85岁阿尔茨海默病患者的脑组织伽利亚斯银染（Gallyas silver staining）结果

图中显示了阿尔茨海默病的两类相关性损伤：位于神经细胞之间的淀粉样斑块和神经元内的黑色神经元纤维样物质缠结。指示短线代表了实际的100微米。〔感谢翁伽·安木霍帕（Unga Unmehopa）提供图片〕

脑梗死和脑出血会造成多发性脑梗死性痴呆。这种形式的痴呆经常伴随着因阿尔茨海默病而引起的大脑改变。帕金森病也会引起痴呆，当该病扩散到皮层时，其表现形式就是“路易体痴呆症”。以前，不同类型的前额叶皮层痴呆症被统称为皮克氏病。如今，人们根据第17号染色体相关性tau基因的变异已经将其区分为不同类型的额颞叶痴呆（见图19-2）。这种类型的痴呆蒸的首发症状往往并不是失忆，而是古怪且不合时宜的行为。

图19-2　额颞叶痴呆病人的大脑

在额颞叶痴呆病例中，病人的大脑前部（上中部分）严重萎缩，大脑的其余部分完好。（感谢荷兰人脑库提供图片）

酗酒能导致科萨科夫综合征的痴呆，这种病人用编造的但是他们自己却坚信不疑的故事来填补记忆的空白。不过，这并不意味着他们完全记不住任何事。正当我要向一位科萨科夫综合征患者做自我介绍时，他说：“我认识您，您是迪克·斯瓦伯，对吗？”意识到我对别人面孔记忆的能力居然还不如一位科萨科夫综合征患者时，我真是感觉很受伤！在艾滋病初期阶段，痴呆也是常见的症状，主要是因感染而造成的脑损伤。幸亏有了新型的鸡尾酒式疗法，让这种类型的痴呆症成为过去。

有一次，我在一家“阿尔茨海默咖啡馆” [2] 做演讲。中间休息时，一名45岁左右的男子朝我走来，他说他处于痴呆的早期。我说这从外表一点儿都看不出来。他告诉我，他已经出现过几次轻微脑出血，他知道这还会继续下去，最终导致痴呆。我问他是不是有亲戚住在荷兰的小渔村卡特韦克。“是的，”他回答说，“教授，您的诊断完全正确！”我之所以这么问，是因为那个村子有一个家族具有罕见的基因突变，会导致血管内淀粉样蛋白沉积，引起脑出血和痴呆。那个家族的成员清楚地知道自己未来的命运，因为他们已经目睹了很多亲戚都以这种方式衰退。

不过，这还是一种罕见的痴呆类型，就像克–雅二氏病，一种因感染了异常蛋白质而引起的疾病。克–雅二氏病可能具有遗传性，但是这种感染性蛋白质最初也是通过脑手术而传播的，那时人们还不知道要对这类手术中用过的器械进行专门消毒。这种传染性物质还能通过角膜移植或是垂体提取物（用来治疗缺乏生长激素的儿童）而传播。这些可能来自俄罗斯的垂体提取物如今仍然被健美运动者用来增加肌肉体积。这真是很可怕，一个克–雅二氏病患者的脑垂体可以使整个团队遭到死亡的威胁。克–雅二氏病的一个变异型是疯牛病，这种病源于奶牛脑内受感染的蛋白质，它与奶牛的其他内脏一起被做成荷兰香肠 [3] 。亨廷顿氏病也是一种遗传性痴呆症。出现典型运动障碍的病人早就通过家族其他成员而熟悉这些症状，知道自己今后将会变得痴呆。

痴呆症具有多种形式，但是大部分痴呆都来自阿尔茨海默病。如果你不了解这些不同类型的痴呆症并将每位痴呆患者都诊断为阿尔茨海默病，那么你最终将会发现，你对大部分病例的判断都是正确的。

是什么引发了阿尔茨海默病

阿尔茨海默病可以被看作是大脑过早、过快和严重的衰老。

在过去的几十年中，有关阿尔茨海默病的研究对于该病的几种罕见的遗传形式投入了相当大的研究精力，这涉及一些发病年龄很早的家族。在比利时，有两个阿尔茨海默病家族的发病年龄在35岁，大多数患者在40～50岁就去世了。在这些家族中，研究者发现了β–淀粉样前体蛋白（β-APP）和早老素1基因和2基因的变异。不过我们必须记住的是，这些变异只能解释少于1%的阿尔茨海默病病例。年龄与一种名为载脂蛋白E-ε4（APOE-ε4）的基因型是迄今为止人们所知道的阿尔茨海默病的最重要的发病因素，它们体现在94%的65岁以上的患者身上。APOE-ε4基因型被认为是17%的阿尔茨海默病患者的病因。不过，与以上谈到的那三种基因变异情况不同的是，仅仅拥有APOE-ε4基因型并不意味着一定会患上阿尔茨海默病，它仅仅意味着患病风险的提高。我们的学生在掌握了确定APOE-ε4基因型的方法后，想查一查自己是否也具有这种基因型，但是我们禁止他们去做这种检查，因为一旦得知自己具有这种基因型就只会让人担忧。你可能永远都不会患上阿尔茨海默病，但是你会被“万一患上这种病”的念头折磨，因为目前还没有针对此病的有效疗法。对于100年前的第一位被诊断为阿尔茨海默病的患者——当年51岁的奥古斯特·D（Auguste D）女士的存档脑标本的分子遗传学研究表明，她并不具有已知的基因变异，也不具有APOE-ε4基因型。这个病例是在非常年轻时发生的阿尔茨海默病，而患病原因不是最常见的致病性基因。

显然，很多复杂的基因和环境的相互作用会增加阿尔茨海默病发病风险。那么，这些不同的因素是如何导致同一种痴呆症的？最流行的假说是，致病因素导致有毒的β–淀粉样肽（β-A4）逐渐聚集，形成斑块。它们影响了膜转运蛋白，使其改变并缠结，破坏了细胞功能并造成神经元死亡。大量细胞死亡最终会导致痴呆。受影响的神经元释放出毒性淀粉样物质，并使下一站神经元受损，它们按照固定的模式，正如德国神经病理学家布拉克夫妇所描述的那样，经历从0期到6期的病理学发展阶段，逐步向整个大脑传播。阿尔茨海默病的确是沿着一条固定的神经解剖学线路发展的：从相同脑结构开始起病（内嗅皮层），传递到边缘系统，最后是大脑皮层。这被称为“淀粉样蛋白级联假说”。虽然一些罕见的拥有β-APP基因突变的家族为该假说提供了有力的支持证据，但是至少也有同样多的论据可以否定它是导致最常见的非遗传性阿尔茨海默病的病因。迄今为止，对转基因老鼠的研究也不能表明淀粉样蛋白沉积是散发性阿尔茨海默病中神经元纤维样缠结形成的原因。我倾向于赞同阿尔茨海默病就是大脑过早、过快和严重的衰老。每个活性神经元都像汽车引擎那样，在使用中不断地磨损，但与汽车引擎不同的是，神经元可以自我修复。不过，这种自我修复无法100%地实现，遗留的受损部分会随着时间的推移不断堆积，成为衰退过程的基础。对于大脑自我修复能力较差或者遭受过脑损伤的人来说，例如职业拳击手（参见第13章第1节），这种大脑衰退更为严重和迅速，会引起老年斑和神经元纤维样缠结的形成，导致阿尔茨海默病。如果这种观点正确，那么预防阿尔茨海默病的唯一方法就是阻止大脑衰老。关于这一点，我们在短时间内还无法做到。

阿尔茨海默病中的渐进性退化

对你的孩子们好一点儿，将来可是他们为你选养老院。

——我女儿送给我的杯子上这样写着

1/3的阿尔茨海默病患者不知道自己患病。他们否认身体出了问题（疾病感缺失），他们的伴侣必须说服甚至是硬拽着他们去看医生。我的一位熟人就曾把他痴呆的妻子带到一次阿尔茨海默病的研讨会上。有一位关心她的朋友问她：“这些讨论有没有让你感到有点儿被冒犯啊？”她回答说：“我觉得没有啊，但是对那些阿尔茨海默病患者一定会有吧！”

不过，还是有很多人能很早意识到问题。当哈罗德·威尔逊于1974年再次当选为英国首相时，他发现自己曾过目不忘的记忆力开始减退。1976年，让所有人大吃一惊的是，他主动辞职。两年之后，他的阿尔茨海默病的首发症状开始显现。阿尔茨海默病的起病是隐藏潜伏的，其进展可以持续特别长的时间。

1981年，罗纳德·里根在将近70岁时就任美国总统，他庄重地宣布，如果他患了阿尔茨海默病，他就辞职。回顾性地看，有迹象表明他在1984年开始患病。从对他的演讲的分析中可以看出，当时他开始误用冠词、介词和代词。演讲期间，他的停顿频率是过去的5倍，语速减慢了9%。1992年，他的阿尔茨海默病表现得更加明显。1994年，在他的演讲状况出现改变的10年之后，里根给他的国民们写了一份信，坦言自己已经成为美国100万阿尔茨海默病患者中的一员。10年之后，也就是发病的20年后，里根去世。

阿尔茨海默病在大脑中按照固定的路线发展。通过显微镜，你能看到死亡后的阿尔茨海默病患者的大脑中显示最初的典型性阿尔茨海默病的病理改变——神经元纤维样缠结，出现在颞叶皮层（内嗅皮层）。接下来，你会看到他们的海马体出现异常。当疾病发展到这个阶段时，临床还没有出现症状，因此给我们提供许可权去研究其死亡后大脑的这些人，认为自己属于“正常对照组”，因为他们并不知道阿尔茨海默病已经在他们的脑中起病。目前，我们还不能在患者生前确定这种疾病最初开始的时间。不过，在疾病发展的过程中，颞叶皮层和海马体会严重受损，患者的最初记忆障碍开始出现：无法记住最近发生的事，但是能清楚地回忆往事，例如小学时的一次晚会。最后，当阿尔茨海默病侵犯了剩余的大脑皮层时，患者就会变得痴呆。大脑皮层的后部——视觉皮层，是最后被侵犯的脑区。因此，一些患有阿尔茨海默病的画家仍能保持杰出、完好的艺术创作技能。虽然处于这个阶段的画家还能创作出精彩的肖像画，但是他们不知道这些作品的价值，或是不知道如何为它谈一个合理的价格。这些画家的视觉皮层会一直工作到生命终结。

阿尔茨海默病患者的大脑不仅在显微镜下被观察到发生了改变，而且其功能的丧失都是沿着固定的模式进展的。人们失去这些能力的顺序几乎与人们在发育过程中获得这些能力的顺序相反。纽约的巴里·瑞斯伯格（Barry Reisberg）医生将阿尔茨海默病发展的各个临床阶段按顺序用数字标明。

在第1阶段，你的功能仍然正常。在第2阶段，你开始丢三落四，觉得完成工作很困难，但是还能维持一种貌似正常的状态。在第3阶段，其他人也注意到你难以完成工作的状态。在第4阶段，你在处理复杂任务（例如处理财务）时会出错。接下来第5阶段，你需要别人帮你挑选要穿的衣服。然后，第6阶段，你需要别人帮你穿衣服（6a），帮你洗澡（6b），在没人帮助你的情况下，你已不能正确使用厕所（乱扔厕纸、便后不冲厕所等）（6c），小便失禁（6d），大便失禁（6e）。到了第7阶段，你每天只能说出1～5个词（7a），之后再也无法说出令人理解的词语（7b），不能走路（7c），不能再独立坐着（7d）。再后来，微笑的能力消失——这个能力是当你还是个婴儿时让大家都开心的技能（7e）。再然后，无法抬头（7f）。最终，患者将以胎儿的姿势蜷缩在床上（见图19-3）。如果有人将一根手指放到他嘴里，他会出现吸吮反射。到那时，病人已经完全倒退回新生婴儿的状态。

图19-3　阿尔茨海默病的最后阶段，病人以胎儿的姿势蜷缩在床上（感谢阿姆斯特丹自由大学临床神经心理学系E. J. A.斯赫德教授提供图片）

语言和音乐储存在阿尔茨海默病晚期受到影响的记忆部分。语言能力直到上述的第7阶段才丢失，音乐技能也可以保持很长时间。一位患有阿尔茨海默病的职业钢琴家已经记不住所说过和所写过的东西，包括自己创作的音乐，但是她还能记起当年第一次听到的音乐片段，并能根据乐感演奏出来。在更晚期的时候，她依然能弹奏她熟悉的美妙音乐，这给她带来了巨大的快乐。一位患有阿尔茨海默病的小提琴家也展现出了完好的音乐技能。是的，正如我们所预期的那样，在大脑发育的很早阶段就能看到音乐对大脑功能的影响。如果给保育箱中的早产儿听音乐，他很快就能安静下来，血氧饱和度的值更好，并能更早地离开早产儿保育箱。对刚出生的婴儿来说，母亲的歌声比她的说话声更能吸引婴儿的注意力。此时，他们已经对音乐的节奏很敏感了。因此，阿尔茨海默病的发展规律似乎依照着一种“公司重组规则”——新加入公司的人最先被请走，而资格最老的人可以待的时间最长。不过，阿尔茨海默病患者的大脑是不会被重组的，它只是在被破坏。

用进废退：重新激活阿尔茨海默病患者的神经细胞

只要阿尔茨海默病患者还具有神经元（即使它们萎缩了，也不再发挥作用），从原则上说，它们仍然是可以被重新激活的。

尽管阿尔茨海默病患者的大脑皮层显著萎缩（见图19-4），以至于大脑看上去像个核桃，但是萎缩的脑区内的神经元总数并没有减少。与人们普遍的想法不同的是，阿尔茨海默病并不会导致脑细胞的整体性死亡。脑细胞死亡仅仅局限在几个脑区内，例如内嗅皮层、海马体的一部分以及蓝斑核，而且仅仅出现在疾病的晚期。相反，神经元活性减低以及细胞萎缩（见图19-5）则从早期阶段就开始影响整个大脑了，这也可以解释为什么阿尔茨海默病初期的症状变化起伏会那么明显。有些患者可以在某些时候表现出明显的痴呆症状，但是过一会儿又能与人正常谈话了。如果阿尔茨海默病的早期记忆紊乱是由于细胞死亡而导致的，那么就不会出现这种症状的起伏。细胞死亡是不可逆的。在首发记忆紊乱出现之前已经可以测出脑中葡萄糖代谢功能降低，而注射葡萄糖或者胰岛素可以改善阿尔茨海默病患者的认知能力。这说明大脑代谢紊乱是其功能受损的原因。

图19-4　阿尔茨海默病患者的大脑与正常大脑的比较

阿尔茨海默病的一个典型的症状是整个大脑皮层的显著性萎缩（上方），这使得大脑看上去像个核桃（与下方正常大脑对比）。（感谢荷兰人脑库提供图片）

图19-5　阿尔茨海默病患者的大脑与正常人大脑的脑切片比较

脑切片显微镜图显示，阿尔茨海默病患者脑部的梅纳德氏基底核神经元萎缩。图A是一位对照者（未患脑部疾病）的脑标本，可以看到神经元向大脑皮层伸展其神经纤维，它们在皮层释放出神经递质乙酰胆碱。图B显示的是一位阿尔茨海默病患者脑部这些细胞的萎缩状况（箭头指向一组三个因极端萎缩而变得很小的神经元）。〔感谢罗纳德·傅韦（Ronald Verwer）博士提供图片〕

增加脑活动可以预防阿尔茨海默病

对于病人来说，区分导致他们痴呆的原因到底是神经元消失还是神经元活性降低当然是没有意义的，但是对于研究治疗策略的研究者来说，这种区别就显得至关重要了。如果神经元还存在，那么尽管它已经萎缩而且不再工作了，但原则上说还是可以被重新激活的。因此，这也是我们研究的一个入口。

在双语环境中成长、良好的教育、从事具有挑战性的职业以及老年时积极的生存状态都可以降低罹患阿尔茨海默病的风险。这意味着尽量增加脑部活动对于阿尔茨海默病具有预防作用。此外，在大脑中还存在着神经元不受阿尔茨海默病影响的脑区，这些脑区非常活跃，有时甚至能在衰老过程中变得更为活跃。脑细胞激活似乎可以延缓衰老，并且对阿尔茨海默病具有保护性作用，1991年，我将这种假说释义为“用进废退”。

研究还表明，神经元激活可以减缓阿尔茨海默病的病理改变。脑中含有大量典型的阿尔茨海默病淀粉样蛋白沉积的转基因老鼠在“丰富环境”中被激活。这种“丰富环境”指的是，处于一个大笼子里的老鼠们可以相互玩耍，笼子里还会定期放入新玩具。当这些老鼠待在这种环境中时，它们脑中的淀粉样物质减少，而且活动得越多，淀粉样物质减少得越多。遗憾的是，阿姆斯特丹自由大学的埃里克·斯赫德（Erik Scherder）教授所在的研究组没有发现更多的体育运动对阿尔茨海默病患者的功能有影响。不过，在他们的一项早期研究中，他们的确发现了经皮神经电刺激对阿尔茨海默病患者的大脑具有总体性激活效应，并有益于其认知和情绪。美国圣迭戈的马克·图金斯基（Marc Tuszynski）所在的研究组通过基因疗法刺激阿尔茨海默病患者的梅纳德氏基底核，使他们获得了很有希望的结果（参见第12章第7节）。

更多的光照可以减缓记忆衰退

为了研究受到阿尔茨海默病影响的神经元的激活效应，我们选择刺激昼夜节律系统，其核心就是生物钟。这项研究也具有临床意义，因为痴呆症患者的夜间躁动是人们将患者送入疗养院的最常见原因。病人晚上在房间里闲逛，有时打开煤气或者离家漫游。病人的伴侣迟早会无法完成不分昼夜地照看病人的艰巨任务。昼夜节律系统负责所有的白天和夜晚的节律，该系统在罹患阿尔茨海默病早期就受到了影响。之后，患者的松果体分泌的睡眠激素（即松果体素）的夜间峰值消失。我们已经发现，这些早期改变的原因位于生物钟，即视交叉上核。生物钟可以很容易地被环境中的光线激活。与我们的预期一致，光线刺激生物钟改善了阿尔茨海默病患者的昼夜节律，并减少了其夜间躁动。对于视力受损的病人而言，光线刺激不起作用，因此他们是这项研究中的良好对照者。欧斯·范·索默伦（Eus van Someren）博士与他领导的研究组进行了一项长达3年半的随访研究，结果表明，环境中的更多光照量不仅可以稳定阿尔茨海默病患者的昼夜节律，还可以改善其情绪，甚至减缓记忆衰退。白天接受更多的光照与睡前服用松果体素药物相结合，能对患者的某些方面更有疗效。这些简单的干预治疗可以获得与目前抗阿尔茨海默病药物一样的结果，而且副作用还远少于那些药物。刺激生物钟提高了阿尔茨海默病患者及其看护者的生活质量，但是它不是在治疗阿尔茨海默病这种疾病本身，而是在调节生物钟。这种治疗证实了一条重要原则：即使神经元受到阿尔茨海默病的损害，也可以通过刺激它来恢复其功能。

目前正在进行的研究

我们研究所，即荷兰神经科学研究所，目前正在寻找能够激活大脑其他区域神经元的物质。罗纳德·傅韦博士设计了一套脑片培养程序，可以培养在死亡后10小时之内获得的捐献者大脑中的神经元，时间长达数星期。这种方法可以在不打扰患者的情况下检测那些潜在的激活性物质的效应。通过观察，研究者发现干细胞分泌了一种能促进培养中的神经元存活的物质（见图19-6）。不过，目前还不清楚这种物质到底是什么。

图19-6　从病人死亡后10小时之内的脑中取得的脑组织薄片

处于这种状态下的脑细胞能够被持续培养几星期。在这个模型中，干细胞分泌出的一种未知物质改善了神经元的存活状况。在标准培养条件下（图A），48天之后仅有少量脑细胞还保持活性及完整性（完整箭头所指），而更多的细胞出现了细胞膜渗漏（箭头头部所指），其被染色的细胞核就是证据。此外还可见到许多死亡细胞的细胞核（显示为小圆点，一部分以*标示）。图B表明，与干细胞一起培养的这种阿尔茨海默病患者的脑片中具有更好活性和完整性的脑细胞较多（完整箭头所指），细胞膜渗漏的细胞较少（箭头头部所指），死亡细胞也较少（*标示）。（感谢罗纳德·傅韦博士提供图片）

研究所里正在进行的另一项研究是基于这样的发现：在罹患阿尔茨海默病初期，大脑似乎可以成功抵抗疾病的侵害。库恩·鲍瑟（Koen Bossers）博士和尤斯特·福哈根（Joost Verhagen）教授领导的研究组发现，这种情形发生于疾病最早期，记忆紊乱出现之前。似乎有若干脑区出现了代偿性激活，暂时保护了记忆功能。因此，在阿尔茨海默病的最早期，在典型病理改变发生之前，大脑前部（即前额叶皮层内）有几百个基因被激活。这项研究的结论是，前额叶皮层在阿尔茨海默病刚开始发起攻击时尽了自己的最大努力去维持正常功能，之后这项机制失代偿，大脑代谢功能降低，记忆力的损伤持续进展。我们希望分析大脑在阿尔茨海默病的初期神经元激活的防御性机制，通过这种研究从而开发新的药物。遗憾的是，研究进展缓慢得令人沮丧。

阿尔茨海默病患者也有疼痛感

阿尔茨海默病是一种令人痛苦的疾病，经常会伴随着抑郁症，在疾病的早期还会伴有恐惧，这是我们很多人都不愿去经历这个过程的原因。通过与荷兰安乐死志愿者协会（NVVE）的一个委员会磋商，我们推断出目前荷兰的安乐死法规向阿尔茨海默病患者提供了选择安乐死的法律依据，前提是患者需要在合适的时候进行。阿尔茨海默病患者感受到的痛苦的确很严重，而且并不仅仅是出于对衰退的恐惧。神经心理学家埃里克·斯赫德（Erik Scherder）教授和其他少数几位专家提出，作为痴呆基础的大脑疾病加大了对患者疼痛感的诊断和治疗的难度。医生对阿尔茨海默病患者疼痛感的不恰当的治疗是一个常见的、极度令人担忧的问题，而且随着患者痴呆程度的加重而增多。因为，有时候，例如血管性痴呆症在发病过程中本身就会产生“中枢性”疼痛。此外，许多老年人还会产生其他慢性疼痛，例如由骨关节炎造成的疼痛，再加上阿尔茨海默病是一种衰老性疾病，许多患病的老年人也伴随有慢性疼痛。

如果你留意一下医生给病人开止痛药的情况，你就会发现一个非常奇怪的现象。当阿尔茨海默病病人与患有相同的疼痛病症（例如髋部骨折）时，医生给前者开的止痛药要少于后者，这并不是由于阿尔茨海默病患者不会感受到疼痛（这种观点是错误的），而是由于医生可能无法估计阿尔茨海默病患者的疼痛感。大脑完好的人通常能表达出他们有多么疼痛，他们的血压和心率也能在感到疼痛时升高——这是自主神经系统的自主性反应。然而，阿尔茨海默病患者的这个系统受损了，因此轻中度的疼痛不会影响患者的血压和心率，而一旦其血压和心率出现剧烈的变化，那么就表明患者遭受了剧烈的疼痛。不过，还是有办法对能进行交流早期的患者以及因严重痴呆而失去交流能力的患者进行疼痛感的评估的。对于前一类患者，临床上采用疼痛量表显示其疼痛强度。对于后一类患者，医生必须像对待很小的孩子那样对其进行观察。

疼痛刺激有两条传导通路。第一条在外侧系统，疼痛感沿着脊髓外侧向上传输到处理感觉刺激输入的大脑皮层。由于这部分大脑在阿尔茨海默病患者身上基本上保持完好，可以正常接收和处理疼痛刺激，因此患者的疼痛阈限正常。第二条通路将疼痛刺激信息沿着脊髓中央部分向上传输到扣带回皮层，这是一个警觉中枢，阿尔茨海默病患者的这个部位严重受损，这是疼痛感传导的中间系统，处理着疼痛的情感信息。由于外侧疼痛系统功能良好，因此阿尔茨海默病患者可以感觉疼痛，但是因为他们的中间系统受损，所以他们在疼痛期间不明白发生了什么。这样一来，他们表现出的皱眉、焦虑或者激动不安让别人联想不到是因为疼痛。

阿尔茨海默病患者感受疼痛的程度还取决于引起痴呆症的原因。血管性痴呆症患者由于脑内神经纤维束受损而感觉到更强烈的疼痛（即对疼痛更为敏感），额颞叶痴呆患者则很少有情感性疼痛的体验。

我本人不会去选择经受阿尔茨海默病的病程 [4] ，但是还有很多人决定与阿尔茨海默病斗争到底。在他们的病程中，向他们提供关于疼痛的专业性诊断和治疗至关重要，因为没有任何科学依据表明痛苦可以净化人的灵魂。

在恰当的时刻选择结束生命

我们让他去了。带着对他富有胆识的决定的尊重。他决定在损害他记忆的疾病现身之前离开人世。我们对我们坚定而可爱的伴侣、父亲、岳父、祖父、朋友以及我的孩子们的父亲说再见。

——登在《暗号》报纸上的讣告

2008年11月11日，一个星期二的夜晚，阿姆斯特丹文化中心“红帽子”剧院座无虚席，人们在讨论楠·罗森斯（Nan Rosens）令人印象深刻的电影《在遗忘之前》。大厅中挤满了人，因为“辅助死亡”（assisted dying）是目前的热门话题。

在这部纪录片中，保罗·范·伊尔德（Paul van Eerde）解释了他不想经历阿尔茨海默病所伴随的尊严的丧失。他的妻子和孩子支持他的这个艰难的决定，一家人很享受他们还在一起的时光。不过，保罗的家庭医生并不同意他的选择。当大多数的荷兰民众赞成安乐死、辅助死亡（自杀安乐死）或者“最后意愿药丸”（自杀药丸）的概念时，91%的荷兰人并不知道自己的家庭医生对这些问题的看法如何，可是他们都需要家庭医生在这方面帮助他们。不过，情况不是不可以改变的。

我认识一位80岁的企业家。他在搬家后直接问他的新家庭医生：“我想问你两个问题，其中一个比另一个更紧急——你对堕胎是什么看法？此外，你对安乐死是什么看法？”不幸的是，我们中间没有几个人能像他这样直截了当。

我们从这部纪录片中学到的第二个教训就是，那位不愿意合作的家庭医生并没有把保罗转诊到一位同意保罗的决定的同事那里。NVVE好斗的新会长——佩特拉·德·荣（Petra de Jong）博士，希望将这种没有按照正确方式转诊病人的医生送上协会的纪律法庭。给医生一点儿压力的想法不是坏念头，但是我们应该从对医生的正确训练开始，确保医生们接受过处理安乐死等困难议题的培训。对于病人来说，与医生建立一种长期的、良好的关系非常重要，这样才能使双方在患者决定终结生命的时刻做好准备。无论什么时候去开始做这种准备都不会太晚，当你仍然处于健康巅峰状态时，就与你的医生商量关于安乐死的意愿是帮助你的医生也能接受安乐死的好方法，同时也是建立你和医生必需的良好关系的起点，或者帮你决定是否需要换一位医生。

在阿尔茨海默病的最早期阶段，只有记忆门诊才能可靠地诊断痴呆。当你或者你的伴侣担心你的记忆力时，你就会被转诊到记忆门诊去。如果被诊断为“早期痴呆”，你就必须开始预定那个“恰当的时刻”了。很多人都希望尽可能长久地享受生活，但是如果你等的时间太久，你就不再有能力确认你的安乐死意愿，你的医生也不可能帮助你实施。阿尔茨海默病患者在早期阶段的意识是清醒的。接下来，他们有时清醒，能看清自己所处的境况，但是这些清醒的时刻也会慢慢减少甚至消失。荷兰前卫生部部长埃尔斯·博斯特–艾勒斯（Els Borst-Eilers）教授说，当她认不出自己的孩子们和孙子们时，她就结束自己的生命。不过，到那时病情已经很严重了，医生也会进退两难。结束生命的“恰当的时刻”对每个人来说都不一样，你必须咨询你的医生并做出决定。你必须记住的是，这对医生们来说也是一项极其困难的任务。这个领域的先驱西慈克·范·德·米尔（Sytske van der Meer）医生说，他倾向于将致命的物质放入饮料，因为病人可以自己服用。还有一些医生则倾向于采用静脉滴注药液，因为这样会加快死亡进程。这些选择也必须与医生进行充分的讨论。在“红帽子”剧院进行的辩论中，人们都认为目前荷兰的安乐死法规给早期阿尔茨海默病患者提供的辅助死亡的法律空间比人们通常想象的更大。目前，评估委员会已经裁定了35项对于阿尔茨海默病患者实施安乐死/自杀安乐死援助案例，认为它们都是谨慎的，也尽到了应尽的责任，这表明法律也向医生提供了应得的保护。幸运的是，如今有越来越多的人明白了这一点。

注解：

[1] 　Douwe Draaisma，荷兰格罗宁根大学心理学教授。——编者注

[2] 　为阿尔茨海默病患者及他们的照顾者提供聚会的机会，让大家感觉像是在一家普通的咖啡馆里那样品尝食物、交流、娱乐。——译者注

[3] 　用剁碎的鸡肉、牛肉、猪肉、马肉等混合物做成的炸香肠。以前还有传言称，其中包含内脏杂碎，如脑子、睾丸等。——译者注

[4] 　作者的意思是，一旦被诊断为此病，将选择终止生命。——译者注

第20章
死亡

死亡，我亲爱的医生，那是我最不愿意做的一件事儿！

——帕默斯顿爵士 [1]

死亡是非凡的。最初是某人创造了一个奇妙的有机体，50年之后又把它扔掉。这真是个下流的把戏，如果上帝存在，那么我真希望能在一条黑暗的小巷里和他单练一下。

——米达斯·戴克斯 [2] ，发表于荷兰《人民报》2010年2月1日

死亡与尚未诞生没有什么区别

生命是一种终末期的性传播疾病，总是伴随着死亡而结束。

生命和死亡都很难被定义。生命必须满足一些标准，例如活动性、新陈代谢、生长、独立繁殖（需要信息携带例如DNA或者RNA的分子）、整合和调节。尽管单细胞生物也具有后两个特点，但是它们在神经细胞的进化中达到了发展的高峰。单独而分离的标准是无法用来定义生命的。流水能够活动，锈铁具有代谢性，水晶可以生长，电脑编程则可以做到整合和调节，而当今许多年轻人为了更好的生活决定不再繁衍下一代。因此，生命的定义必须同时具备所有的那些标准。

在生命尺度的另一端，医生们几百年来为死亡所建立的标准是心跳和呼吸消失，而且这些功能不会再恢复。在经过几分钟紧张的抢救之后，医生们越来越肯定自己的诊断。“死亡，我们无力回天了。”就像巴伦德·赛维特（Barend Servet）在诗中写的那样。一直以来，我们都以为神经细胞对缺氧特别敏感——四五分钟缺氧状态会造成无法恢复的大脑损伤，事实确实是这样，但是很显然的是，这并不是因为神经细胞对缺氧非常敏感。缺氧会导致毛细血管细胞严重肿胀，以至于即使在四五分钟后心脏又重新开始跳动、呼吸也恢复正常，红血球也无法通过大脑中的毛细血管供应氧气。此外，有毒物质会在下一个阶段释放到脑细胞中并造成细胞死亡。

贝尔甘波（Belcampo）在他的关于移植美好记忆的故事《过山车》中预测，人类在2000年可以成功培养人脑细胞。事实上，如果我们从荷兰人脑库获得死亡10小时以内的捐献者的尸体解剖脑标本，我们就可以将脑组织薄片中的神经元（神经细胞）培养数周。罗纳德·傅韦在2002年发表的论文中首次指出，在这些脑片上，神经元还可以生产蛋白质并运输物质。此外，培养中的神经元还具有电活性。脑组织中的神经胶质细胞甚至在死亡大约18小时之后仍然能够在培养基中生长。

死亡后脑片中的神经元还能存活的事实表明，脑细胞在死后的10个小时中，尽管缺氧但仍能存活，因此病人的死亡和其细胞的死亡是两回事。当我们考虑到这些存活的细胞是由死亡的分子（例如DNA、RNA、蛋白质和脂肪）而构建的时候，“生命和死亡到底是什么”这个问题就变得更加迷人了。我们能用死亡的分子制造生命吗？2003年，克莱格·温特尔（Craig Venter）在这条道路上迈出了第一步，他从死亡的材料中合成了一种病毒，但是由于病毒不能自我繁殖，因此这还不能算是合成了生命。

在分子的建造模块（即原子）的层面上，我们可以谈论完全的“重生”。原子的生命是如此之长，以至于在构成我们身体的分子之前，它们已经是几百万个有机体的一部分了。也就是说，你的体内很有可能停泊着一个历史名人身体里的原子。细胞还包含水分子，它们也不是新的。我们喝着顺流而下的江河中的水，并通过排尿将水排出体外，被净化后又流向大海，通过蒸发、降雨又进入河流，再回到我们的杯子里。生物学家李维斯·沃尔伯特（Lewis Wolpert）计算过，一杯水里的水分子数目非常庞大，因此完全有可能其中一个分子曾经流经某位历史人物，例如拿破仑的膀胱。因此，我们的分子是由被多次使用过的原子构建的，它们又被包围在已经流经过很多身体的水分子中。

从原则上讲，生命的分子构建模块是可以合成的。这个假说的意思是，如果所有必需的分子都以正确的方式结合在一起，那么就会自然地浮现出一个新的生命。能够证明这个假说正确的证据只能是，从死亡材料中合成一个活着的细菌。2008年初，克莱格·温特尔合成了生殖道支原体这种细菌的全套DNA。2010年，他获得了这个细菌的细胞分裂。接下来，温特尔打算完成合成一个完整细菌的项目。不过，即使他成功了，也不会意味着他可以立即获得诺贝尔奖，因为造物主义者会宣布他们具有获奖优先权，并提到一项更早就在《创世记》中被描述过的神奇的实验：“然后上帝用地上的尘土创造了一个人，向他的鼻孔里吹入了生命，这样，人类就成了生物。”

德芒医生和黑约翰先生

那些生前做坏事的人，在死后变得有用了。

——“解剖剧院” [3] 墙上的字

17世纪时，阿姆斯特丹已经开始了脑学科的研究。在死刑犯被执行完死刑之后，他们的尸体将任凭当时的外科医生协会处置，他们通常会公开解剖这些尸体。市议会授权该协会每年进行一次公开解剖，都是在冬天进行，每次持续三到五天。因为如果是在夏天进行这种尸体解剖，尸体的恶臭就会让人难以忍受。最早的尸体公开解剖是在内斯街道的圣玛格丽特修道院中举行，也就是如今的布拉克·哥罗德剧院。外科医生协会的解剖室在1578—1619年以及1639—1691年，曾两次坐落于前圣玛格丽特修道院的肉类市场 [4] 的楼上。在1619—1639年，外科医生协会的解剖室被搬到新市场的圣安东尼城门，即德瓦尔房 [5] 楼上的“解剖剧院”里。

在那里，伦勃朗获得了灵感并创作出《蒂尔普教授的解剖课》。这幅创作于1632年的作品目前被珍存于海牙的毛里茨公馆。公开解剖课一般有100多人参加，花上20分钱就能在现场观看尸体解剖过程。心脏、肝脏和肾脏会被一一传递到观众手中。将解剖尸体作为外科医生培训内容的一部分的理由被写在“解剖剧院”的墙上：“那些生前做坏事的人，在死后变得有用了。”

1656年，伦勃朗在他的作品《德芒医生的解剖课》（见图20-1）中用画笔记录了一次尸体解剖中的一个关键时刻。医学讲师德芒医生站在被解剖的弗兰德人、裁缝及小偷乔里斯·福泰恩（化名为“黑约翰”）尸体的背后。黑约翰于1656年1月27日被判处绞刑。德芒医生对他尸体的解剖是在前圣玛格丽特修道院外科医生协会的解剖室内进行的。在画中，凯斯波特·卡坤（Gijsbert Calcoen）作为一位很好的助手，正耐心地等待着德芒医生将尸体的大脑从颅腔中分离出来，放入自己手持的一个冠状的切开的头颅骨里。与此同时，德芒医生用镊子提起了左右大脑半球中间的脑膜——大脑镰。这样一来，大脑皮层中的松果体就显现出来了。这是解剖程序的要求，因为按照笛卡儿的权威观点，松果体是人的灵魂的寄存处，因此作为对罪犯的额外惩罚，在解剖结束时，要强制性地让其灵魂看一看他被分解的身体。笛卡儿在荷兰生活了19年左右，他曾住在阿姆斯特丹卡夫大街附近，那里有一个牲畜市场，他买了许多牲畜的尸体回家进行研究。显然，这给伦勃朗关于阿姆斯特丹主题的创作留下了印记。

这幅现存于阿姆斯特丹历史博物馆的油画其实只是原画的中心部分，原画为2.5×3平方米，但是它在1723年的一场大火中被大面积地烧毁了。伦勃朗的一幅草图显示，围绕着这幅画的中央部分还有7位著名的外科医生，人们知道他们的名字，而且他们也在其他作品中出现过，这意味着人们或许可以通过电子技术恢复这幅作品。我在看这幅画时忍不住思考，如果同意“以荷兰为傲党” [6] 的一些民粹主义政治家的主张，恢复死刑，那么这对荷兰将意味着什么？或者，你会以这幅油画为骄傲，还是以有这样的政党为骄傲呢？

图20-1　伦勃朗用画笔记录了外科医生德芒对一位被处死的罪犯进行公开解剖的关键时刻

在生命的终点，我要完全做主

我喜欢对我自己的生命做主，我想当“自己意志的老板”。不过，我在“被母亲孕育”以及“被出生”这两件事情上都失败了。在我生命的终点，我要完全由自己做主。

人类对死亡总是心怀畏惧。要改变这种恐惧的心态，必须得向人们介绍关于生命最后阶段的情形，并且要在离死亡很远的时候就做这件事。我主张为公众提供关于死亡程序的课程，并以适当的形式在医学院设立改编课程。课程应该涵盖围绕着生命终点的所有问题，例如安乐死、止痛、姑息性镇静治疗和绝食。鲍德维金·查博特（Bouwdewijn Chabot）和斯黛拉·布拉姆（Stella Braam）在《出路，自主而有尊严的生命终结》一书中指出，停止进食和进水不应该是一种可怕的自我安乐死，如果采取了正确的防范准备，口腔保持湿润，那么医生就可以在最后阶段采用药物进行帮助。

此外，“辅助自愿结束生命”也应该成为讨论的议题。自愿生命基金会的观点是：“我们有权选择自我生命的终结，也有权以人道主义的方式来实现它。”NVVE认为目前的法律程序还没能很好地顾及三类人群：阿尔茨海默病患者、慢性精神病患者以及感觉自己的人生已经完满的老年人。目前，荷兰的安乐死法律适用于阿尔茨海默病和慢性精神病患者，然而除非是非常例外的情况，医生们都不愿意参与精神病患者的安乐死程序。而对于感觉人生已经完满但并未患有绝症却要求安乐死的老年人来说，法律还需要进行调整。另一个可能引起问题的方面是禁止治疗的命令的执行，尽管法律要求医生必须执行，但是他们很少执行。

在某些情况下，对病人进行心肺复苏是不明智的行动，按照老年病学医生伯特·凯瑟的简洁的评语来说就是，“这往往是一种极端形式的虐待”。

我做实习医生时曾对一位患者进行过心肺复苏抢救，但是我对这个病例感到很遗憾。当时的情况是，这名男子因为心跳骤停而被人用车推入医院病房，我立刻采取行动并挽救了他的生命。不久以后，我在他的病历资料中看到，原来他是一位肺癌患者，而且癌症已经转移到心脏。在他复苏之后的日子里，我日夜坐在他的身边清理他的呼吸道，以使他呼吸得稍微容易一些。如果当时我没有为他实施抢救，那么他将会免遭多少痛苦啊！

然而，最近这种情况似乎出现了变化。阿姆斯特丹大学医学中心的心脏病学专家鲁德·科斯特（Ruud Koster）指出，如果心肺复苏救活了患者，那么其预后将远比我们前不久所认识到的要好。目前，有20%的病人在心跳骤停之后还可以被抢救过来，而10年前仅为10%。随着自动体外除颤器（AED）的诞生及其性能连续不断地改善、治疗技术的提高，一半以上的心跳骤停患者都可以存活下来，而且还不会出现严重的大脑损伤。通过强制性冷却心肺复苏后的患者，可以预防大部分由于阶段性缺氧而产生的有毒物质对大脑的损害。如果再借助AED，那么患者康复的可能性则更大。荷兰安乐死志愿者协会的“不要让我复苏”的标志似乎处于越来越不利的地位。然而，一个完全不同的情形是，对新生儿的复苏抢救如果超过10分钟而心跳仍然没有恢复，那么10例中有9例会出现严重的大脑损伤，因此应该停止抢救。有哪些准父母了解这个事实？

在无法逃离的死亡到来之后，人们可以把身体交付给医学科学，这意味着把自己的遗体交给医学生，作为其学习解剖学的材料。不会有人反对这个。不过，如果你真的希望能对科学研究做出贡献，那么更好的做法是将你的大脑捐献给荷兰人脑库。目前，这个脑库已经将来自3 000多例尸体解剖的大脑标本发送到全世界500个研究组，研究者们已经发表了几百篇关于神经和精神疾病新见解的科学论文。尸体剖检对于临床工作也非常重要，它能检查诊断和治疗的效果。目前，医务人员仍然是在患者刚刚去世后，在死者家属还满怀悲伤时提问是否允许对尸体进行解剖，而且其提问方式往往清楚地显示出，他们根本不期待会得到一个肯定的答复。医生们没有接受过如何进行这种困难的谈话的训练。此外，在患者刚刚去世时就和亲属进行这种交谈也是极不合适的，因此，近年来尸体解剖的数量在急剧减少也不足为奇了。

虽然死后不再有生命，但是人在面临死亡时存在着大量活动，如果每一个相关的人都已经知道那些感受，并且也有时间来进行讨论，那么事情处理起来就容易多了。我希望你拥有健康而幸福的生活，一种你自己想活多久就活多久的生活。

荷兰人脑库

人脑库和你一起思考。

为了找到大脑疾病的原因，我们需要收集死者的脑组织进行研究。然而，由于20世纪70年代后半期荷兰约10万名阿尔茨海默病患者中的大多数都并非在教学医院里去世，而是在家里或是在没有研究传统的疗养院里死亡，因此我花了4年时间才收集到5例证据充分的阿尔茨海默病患者的大脑。因为没有人认识到对未患大脑疾病的个体进行大脑尸体解剖的必要性，所以我难以获得对照组脑材料。不过，每一例大脑疾病患者的脑组织都必须与另一例具有相同年龄、性别、死亡时间、死亡后延搁时间的个体的相同部位的脑组织进行比较。因此，我于1985年发起成立了荷兰人脑库（Netherlands Brain Bank，NBB） [7] ，旨在为科学研究提供资料完备的脑组织。阿姆斯特丹自由大学的神经病理学家们从一开始就全力合作。在之后的20多年时间里，荷兰人脑库已经向25个国家的500个研究组提供了来自3000位捐献者的几万份脑组织标本。1990年，荷兰人脑库因作为动物实验的良好替代研究基础设施而获奖。2008年，荷兰王妃马克西玛殿下莅临荷兰人脑库。

荷兰人脑库现任主席英娥·郝庭哈（Inge Huitinga）博士为马克西玛王妃殿下讲解了荷兰人脑库的工作程序。脑库目前有2 000名注册捐献者，他们同意为了研究的目的在死亡后捐献大脑。当一位捐献者去世时，一位独立的医生会确认其死亡，然后立即与荷兰人脑库联系。死者的尸体会被尽快（通常在2～6小时以内）运送到阿姆斯特丹自由大学进行解剖。大脑会被切分为大约70块脑组织，其中8块用于诊断，其余的脑组织块分别被冷冻（–80℃）、培养，或者用其他方式进行处理并分送到不同的科研组。马克西玛王妃感兴趣的问题是，这些研究的质量是否有保证。答案是肯定的，一个独立的委员会负责监管研究的质量。

荷兰人脑库的独特之处在于，在捐献者死亡之后的很短时间内，其脑组织就可以被获得。能做到这点的唯一原因就是，捐献者和亲属已经提前准备好了所有的文件材料，并准确地知道病人去世后其大脑的处理程序，殡仪人员也了解其重要性。有一次我接到一个警察打来的电话，他说他不理解一名超速行驶的殡仪人员为何必须赶紧把一位死去的病人送往医院。在我解释完后的某一天，一名摩托车警察把这个堵在塞车长龙中的殡仪人员从应急车道护送走了。

捐献者都是非常投入的。有一次，一位患有多发性硬化症的捐献者打电话给我说：“我想见见我的‘敌人’。”我们将一个显微镜放在他轮椅的桌子上，英娥·郝庭哈和他一起观察了多发性硬化症患者的大脑切片。

有时，我们会被问到一些非常稀奇古怪的问题。有个人问我：“我替一位家人打听一下，向荷兰人脑库的捐献与‘正规的’为器官移植而进行的捐献有什么关系？”当被问到是为哪一位家人打听时，他回答：“我岳母。”显然，他想确保他岳母身体的任何部分都不会再返送给他！

我们也经常会遇到法律方面的问题。1990年，我们主动去劝说一些多发性硬化症患者成为捐献者，随后我们就被一位患者的丈夫起诉了。他认为多发性硬化症是一种肌肉疾病而不是脑部疾病。他的辩解是：“我的妻子没有发疯吧？！”

成为荷兰人脑库的捐献者肯定不是一个容易的决定。有时候我对自己说的这些话会对做这种决定有所帮助：无论我在一生中因为没能好好地使用我的大脑而说过什么蠢话或是做过什么蠢事，至少在我死后，我的大脑会被荷兰人脑库正确地使用。这个念头令我十分宽慰。

为漫长的死后生活而准备的草药

那些一去不复返的时光，使得人生如此甜美。

——艾米莉·狄金森 [8]

传统的中医学有很多延年益寿的治疗和保养方法。在中国，你吃到的所有美味据说都是对身体或是对身体的某个特定的器官有益的，并能让你“长寿”。当我说我对长寿不太感兴趣，而是对良好而有趣的生活更感兴趣时，周围的人就会向我投来困惑的目光。在中国，我的确看到草药可以长期保存躯体。

当第二次去合肥的安徽医科大学时（我在那里当过客座教授），我第一次听说那个叫九华山的地方。在那里曾经生活过一位明代的和尚——无暇禅师，他花了28年的时间用自己舌头的血和金粉抄写了一部佛经，共81卷。他于126岁 [9] 时圆寂，死后3年身体都没出现腐烂的迹象。和尚们认为他是佛陀转世，给他的遗体涂上金粉，将他的金身木乃伊保存在“百岁宫”内，并称其为“百岁禅师”。在九华山的其他寺庙里也保存有这样的金身木乃伊，受人膜拜。

我不明白这是怎么做到的，因为山里的空气非常潮湿。我的第一位中国籍博士生周江宁，现在是中国科学技术大学的教授，他对我说，如果我不相信就应该亲自去看看。安徽医科大学为我们安排了司机和轿车，一起去的还有我的妻子和女儿，另外还有一位中国医生包爱民，她当时是周江宁指导的博士生，担任我们的翻译。

经过6个小时的旅程，我们到达山里时天已经漆黑了，禅院和寺庙都关了门，我们在九华镇上过夜。翌日清晨我们回到寺庙，看到一些和尚正围坐在一具玻璃棺材旁诵经。的确，那里有一具木乃伊，涂着金漆，呈打坐的姿势。诵经的僧人们由方丈指引退到一边，以便我们能观察这具金身木乃伊。他的身体结构相当完整，透过他干薄的皮肤，可以清楚地看到分离的肌肉。九华山的许多寺庙都供有一个或多个这样的“肉身菩萨”，这是对这些木乃伊的尊称。

在我们的中文翻译的帮助下，我问方丈这些和尚的躯体是如何在死后得以保存完整的。“因为他是圣人。”方丈响亮地回答我。我给在合肥的周江宁打电话，咧嘴笑着告诉他说，我找到了谜底：“他是圣人。”根据周江宁的了解，当这些和尚感觉临近生命终结时就会停止进食一段时间，而且只吃草药，还会坐在放满草药和干燥剂的缸里。通过这种方法，他们的身体在去世之前就被固定了，于是他们成了圣僧。

那时，有和尚过来邀请我的女儿拜佛。他们对她特别友好，向她解释拜佛的要领。个头矮小的光头和尚们与我的个子高高的、有着长长金发的女儿一起跪倒拜佛，构成了一幅组合独特的画面，令在场的人们莞尔不已。时间会告诉我们，大家的祈祷对于金身木乃伊的保存会有多大的帮助。遗憾的是，我还不能告诉大家那些草药的配方。

注解：

[1] 　Palmerston，英国政治家，首相。——编者注

[2] 　Midas Dekkers，荷兰生物学家。——编者注

[3] 　如今已经不再使用了。——译者注

[4] 　当时修道院底的层用于其他用途。——译者注

[5] 　等同于the Weighing House，即“过磅房”。——译者注

[6] 　荷兰一政党名。——译者注

[7] 　请参见www.hersenbank.nl。——译者注

[8] 　Emily Dickinson，19世纪美国女诗人。——编者注

[9] 　也有记录为124岁。——译者注

第21章
大脑的发展

众所周知的一个不妙的事实是，人类和其他哺乳类动物都是按照相同的总体类型或者模型构建的。大脑，这个所有器官中最重要的器官，正如赫胥黎和其他解剖学家揭示的那样，也遵循了相同的法则。虽然比晓夫这个敌对证人承认人类大脑的主要脑裂和折叠都和猩猩的大脑类似，但是他又加了一句评论：猩猩的大脑和人类大脑在任何发展时期都从来没有完全相同过，而且这种相同性也不可能存在，因为如果存在，人类和猩猩的心智力量就相同了。

——达尔文，《人类的由来及性选择》

大脑容量不同，决定是人还是猴

人类的大脑容量和智能在进化过程中得到了极大的增长。智能指的是解决问题的能力、快速推理的能力、有目的地行动的能力、理性地思考并且与周围环境以有效的方式相互作用的能力。智能分为很多种类型，例如语言的、逻辑的、数学的、空间感知的、音乐的、社交的和肌肉运动的能力。因此，智商（IQ）只是一种差劲的测试智力的方法。智能和大脑的绝对尺寸没有关联。人类的1.5千克的大脑无论如何也算不上大。抹香鲸的大脑最大，有9千克，大象的大脑平均重量为4.8千克，但是鲸鱼和大象绝对没有人类的智能。正如达尔文在1871年所说的，以及米歇尔·霍夫曼在100年后通过计算得出的结论那样，大脑对于身体的相对大小（即比例）和大脑的质量之间存在着清楚的关联。

一个能更好地估量大脑的进化发展水平的指标是“脑形成商数”（EQ），它是脑组织数量超过其控制躯体所需的数量的相对量。采用这种测定方法，可得出人类是所有种群中智力最高的。脑形成商数主要取决于大脑皮层的发展。人类大脑的容量在长期进化过程中的增加是通过其构建模块——脑细胞（神经元）和它们的联结数量的增加而达到的。因此，最好的测量智力的方法就是测定大脑皮层中的神经元数量。这些神经元按照功能单位分组，像柱子一样互相紧挨着排列并获得各自的名称。当大脑皮层的体积在进化过程中显著增加时，这些神经元柱子的横截面积保持不变，仍然是大约半毫米。这意味着大脑皮层的增加是通过神经元柱子数目的增加而实现的。这种生长方式也迫使大脑皮层出现折叠。这些变化并不影响大脑的构建设计，因此，人类大脑和其他灵长类动物的大脑的主要区别是其容量。这种进化性的增容过程导致信息处理能力的极大提高。在大脑容量出现进行性升高的同时，也伴随着怀孕期延长、发育和学习阶段延长、寿命延长以及后代数量减少。在300万年的进化历程中，如今人类大脑的体积是原来的3倍，寿命也延长了1倍。

在这个过程中，人们提出了许多假说试图阐明进化压力导致人类大脑容量增加。由于使用工具而获得了更多的食物，因此灵长类动物的大脑在进化上呈现出优势。接下来有人提出社会的复杂性引起灵长类动物大脑的发展，这种假说也被称为“马基雅弗利假说”。每个个体都必须为了保证种群长期更好地生存而做出贡献。人们的确发现灵长类动物大脑皮层的体积和它的社会群体的规模以及复杂性之间存在着明显的关联。这种复杂性也显著地体现在选择配偶以及一夫一妻制等具有决定性影响的方面。这两个方面都对大脑有较高的要求。它们要求从生育角度考虑如何选择一位良好的伴侣，并迫使伴侣之间进行复杂的谈判。我们每个人都可以见证这些关系的复杂性和强度，它们产生了强大的进化压力，促使大脑发育、容量增加。人类的一夫一妻制大概形成于350万年前，它已经被证明具有保护家庭的进化优势，但是它对大脑而言始终是一个巨大的负担。

大脑的进化

人类为何会存在？是由于一群古怪的鱼类曾经拥有了一种特殊的鳍结构，这种结构可以转化为陆地动物的腿；是由于地球在一个冰河时代没有完全冻结起来；是由于25万年以前在非洲出现了一个小小的、纤弱的种群，他们用尽方法一直存活到今天。我们可以渴望一个“更为高级的”解释，只不过那样的解释根本就不存在。

——斯蒂芬·杰·古尔德 [1]

人类的特征是拥有一个神奇的、重量为1.5千克的、由大约1000亿个神经元细胞组成的大脑。神经元的数量差不多是地球上现有人口数目的15倍。每一个脑细胞通过专门化的突触与大约一万个脑细胞接触。我们的大脑中有超过10万公里长的细胞纤维。不过，神经元的基本特征，例如接收、传导、处理和发送神经冲动，并不是神经组织天然专有的能力。所有生物的其他组织，甚至单细胞生物，基本上也具有这些功能。然而，正如阿姆斯特丹脑研究所第一任所长科尼利厄斯·阿里恩斯·卡帕斯（Cornelius Ariëns Kappers）教授所观察到的那样：在进化的专门化过程中，神经系统的这些功能已经得到了极大的改善。非神经系统组织的脉冲传导速度很少超过每秒0.1厘米，而最简单的神经元传递神经脉冲的速度为每秒0.1～0.5米。事实上，卡帕斯教授计算出人类的神经元传导速度可以达到每秒100米。这仅仅是神经元的专门化特征之一，它提供了巨大的进化优势。

海绵这种最原始的动物只有几种类型的细胞，没有专门化的器官和真正的神经系统。不过，它们的确有神经元的前体，而且它们的DNA的确含有构建位于突触后膜的蛋白质所需的几乎所有的基因。这种现象表明，为了创建一个供化学信使传递的崭新系统，就只需要在进化方面有微小的适应性的改变。

原始神经元的发育可以追溯到6.5亿年前的前寒武纪时代。在那时，腔肠动物已经拥有包含了真正神经元和突触的弥散的神经网络。人们可以追踪出这些神经元所使用的化学信使逐步进化成如今人类的大脑中所发现的化学信使的过程。人们研究得最多的生物是水螅，它只拥有10万个细胞。它的神经元网络集中在头部和脚部，这是向大脑和脊髓发育的第一个进化步骤。水螅的神经系统含有一种化学信使，这是一种很小的蛋白质，与人类的血管加压素和催产素都很类似。这一类蛋白质被称为“神经肽”。在脊椎动物中，这类特殊神经肽的基因首先会增倍，然后在两个位置发生突变，产生两种密切相关而又专门化的神经肽——血管加压素和催产素，它们是近期研究的热点，因为它们在人类的社会性大脑中充当了重要的信使角色（见第10章第2节）。根据它们的生产、释放和接收位置，这两个信使还参与了肾脏功能（见第6章第1节）、分娩和母乳分泌（见第2章第2节和第3节）、昼夜节律（见第21章第4节）、应激、爱情（见第5章第3节）、勃起（见第5章第4节）、信任感、疼痛和肥胖（见第6章第5节）。到2001年，“水螅肽项目”已经分离出823个肽并确定其化学特征。它们还包括继而首次在脊椎动物中发现的神经肽，例如水螅的“头部激活肽”（head activating peptide），它也被证明存在于人类的下丘脑、胎盘和脑部肿瘤中。物种之间的化学性关联特别紧密。在扁形虫中可以发现大脑发育所需要的进化学基础，以一种被称为“头部神经节”的神经元为形式。这些发生在大脑进化过程中的微小的、结构和分子的逐渐的变化表明，人们有待于正确地看待人类经常声称的自己在动物王国中的独一无二的地位。正如达尔文在《人类的由来及性选择》一书中所说的：“我相信没有人会怀疑，与大猩猩和猩猩相比，人类的大脑容量所占其身体的比例很大，并且与人类的心智力量紧密相关……此外，也没有人会认为任何两个动物或者两个人的智力的比较完全是由其大脑容量而决定的。”达尔文还一针见血地指出，大脑的大小对智力起到了非常重要的决定作用，但是它不是唯一的决定因素，微小的分子差异也具有重大的影响。

分子进化

那位英国绅士的并不特别聪明的小儿子提出了关于整个人类历史的最重要的概念，那是如何做到的啊？

——米达斯·德克斯对于达尔文的评论，荷兰《人民报》，2010年1月2日

近年来，智能设计运动的追随者拼命地也是完全徒劳地试图推翻达尔文的进化论。当然，否认进化的存在并不是非法行为，但是公然否认科学发现的真相，就像智能设计运动所做的那样，还是令其所奉行的双重标准昭然若揭。在荷兰，亵渎神明被视为一种犯罪，但是亵渎达尔文仍然是被允许的。有一些智能设计运动家力图否定分子生物学对于我们理解进化论所做出的巨大贡献。在凯斯·德克关于智能设计的那本书中，物理学家阿瑞·范·登·布克尔（Arie van den Beukel）教授就宣称：“人们总是说在过去几十年里，分子生物学的发现为达尔文理论提供了决定性的支持，但这是胡说八道。”

那么，让我来举几个例子，看一看这位智能设计拥趸的鲁莽断言是怎样的胡说八道吧！

1859年，达尔文在完全不具备当今人们所具备的分子学知识的条件下提出了一个惊人的理论，即生命起源于一个单独的原始祖先。达尔文的依据是，他观察到的所有的生物组织在化学构成上都非常相似。

就在不久前，分子生物学家为这种具有远见的观点提供了坚实的基础。举例来说，进化的过程可以在DNA中通过以下现象被追溯出来：（1）编码蛋白质的基因分子的逐渐演变；（2）基因自我复制并形成具有新功能的基因；（3）基因消失；（4）不对蛋白质进行编码，但是对细胞功能具有重要调节作用的RNA片段的进化变异。分子学研究经常会出现关于进化过程及其机制的新知识和新概念，与神经系统相关的基因研究也是如此。由于蠕虫、昆虫以及从鱼类到人类的脊椎动物的神经系统的分子之间拥有巨大的相似性，因此它们肯定在6亿年前就拥有一位共同的祖先。就拿被称作“活化石”的小小的岩虫 [2] 为例，其胚胎发育过程已经表现出与哺乳类动物早期发育阶段相同的分子发育程序。

达尔文乘坐“小猎犬号”航行到达加拉帕戈斯群岛（即大龟群岛）后观察了一种雀类，如果他还活着，那么他肯定会非常欣赏对于那些著名的雀类的线粒体DNA的分子研究。结果与达尔文预期的一样，那13种雀类的确拥有一位共同的祖先。这位祖先应该是在两三百万年以前从南美大陆迁徙到加拉帕戈斯群岛的。分子生物学方面的证据还支持了达尔文的人类应该在非洲寻找自己的祖先的观点，研究显示了人类从非洲迁徙到欧洲和中国的踪迹。人类有过两次走出非洲的大迁移，第一次是在直立人年代，大约在160万～200万年前，第二次在智人（现代人）年代，大约在五六万年前。

近年来，有研究聚焦于以下科学问题：在与黑猩猩谱系分开30万代之后，导致人类出现分子遗传学变异的是什么？人们常说，人类和黑猩猩的基因组中只有3500个左右的DNA构建模块不同，或者说差异仅仅为1%。不过，这个数字已经逐渐成为一种传说，这种差异其实更可能是6%左右。人类和黑猩猩基因组之间巨大的相似性可能表明，只需要几个基因就可以使人类自与黑猩猩谱系分开之后大脑的重量增加三倍。这一可能性目前获得了许多研究发现的支持。人脑和黑猩猩大脑的标志性差别之一就是，人类大脑中参与新陈代谢的基因有更为强烈的表达——这一差别仅仅是几个基因（转录因子）造成的。在人们努力寻找对人类发展有帮助的因素的过程中，这种“几个基因起作用”的观点也得到了强化。这些研究发现了人类大脑体积过小（小头畸形）和精神发育迟缓的基因变异。出生时患有遗传性（原发性）小头畸形的人的大脑与大猩猩的大脑都很小，但是大脑总体结构完整。这些个体看上去很正常，也没有神经系统疾病。这一发育疾病的病因可以定位在DNA上的至少6个不同的位点上。迄今为止所发现的所有这些基因都参与了细胞分裂，因此在大脑进化过程中，它们可能有助于大脑体积增加。这些基因中的一个为ASPM基因，其DNA构建模块在550万年前自人类和黑猩猩谱系分开之后经历了加速改变。此外，由于ASPM的一种基因变异体仅仅出现在5 800年前，并在其后迅速传播到整个种群中，因此有人提出了目前人类大脑仍在不断进化的理论。小头畸形症基因的遗传变异被认为仅仅出现在上一次冰河时代，即大约3.7万年前的智人的DNA中，而如今全世界约70%的人都携带着这种变异体。这种基因变异体的迅速增加意味着这种基因可能赋予人类明显的进化优势。

人们还发现了与人类的语言相关联的基因变异。FOXP2基因突变可能会引起家族性语言障碍。此外，ASPM和小头畸形也可能和语言有关联。

在进化的过程中还产生了具有新功能的基因，最好的例子是灵长类动物中出现了可以看见三原色的基因。首先通过编码“绿色”视蛋白的基因的复制，然后经过突变和选择，灵长类动物进化出了“红色”视蛋白。这种基因使得灵长类动物能区分出红色，即区分成熟的水果和未成熟的水果。如今，红色对于人类来说还意味着兴奋，而大自然里占据优势的颜色——绿色，则具有镇静的效果，甚至被运用到安慰剂中（见第17章第4节），这也是人们把手术室粉刷成绿色的原因。在进化过程中，基因也会消失。老鼠有1 200个嗅觉受体基因，而人类只剩下350个。一种特殊基因—MYH16的丢失，可能会间接地影响到人类大脑的大小。这种基因负责表达我们祖先厚重的腭肌（下巴肌肉）。研究者认为，人类之所以在进化的进程中丢失了这种基因，是为了使人类的颅骨变大，适应大脑体积的增加。

人们设计的另一种识别影响大脑进化过程的关键基因的策略是，描绘人类在进化过程中的具有不同代表性的先驱者的全部基因组图谱。在德国莱比锡的马普进化人类学研究所，瑞典生物学家斯万特·帕博（Svante Pääbo）正在给3万年前灭绝的尼安德塔人基因组的全部DNA碱基序列测序。他从生活于3.8万～4.4万年前的3位尼安德塔女性的骨化石中提取DNA，希望通过这种方法，在几年内可以从总体上对尼安德塔人的DNA与现代人的DNA进行比较，由此识别那些使人类在进化过程中迅速前进的基因变异。他的研究已经获得了一些令人惊讶的发现，目前已经获知了尼安德塔人60%的DNA。欧洲人、中国人和巴布亚人都携带着尼安德塔人的基因，这一定是由于在5万～8万年间上述人种和尼安德塔人在中东地区有过性接触。荷兰人的DNA中的1%～4%来自尼安德塔人，而非洲人的基因则与尼安德塔人的基因毫无相似之处。我们究竟从尼安德塔人那里继承了什么样的特征呢？迄今为止，人们已经发现在智人与尼安德塔人分离之后，有51种基因开始快速地发展。人们还发现许多编码RNA以及具有调节功能的DNA片段的差异（详见下文），有78种基因在现代人身上是完全一致的，但是在尼安德塔人身上却各有不同。这些差异在很大程度上影响的都是与大脑有关的基因，因此这为今后研究现代人类所进化出来的特征提供了重要的参考。

当我们说人类和黑猩猩的DNA之间有6%的差异时，不要忘记此外还存在着其他微小的基因变异，这也被称为“基因的多态性”，它完全可以改变蛋白质的结构，进而改变其功能。此外，许多不同的蛋白质也可以由同一个基因产生。我的研究团队有一位研究者，达贾娜·伊苏尼娜（Tatjana Ishunina），她发现了人类的大脑接受雌激素信息的蛋白质——雌激素受体α，在大脑中存在着40种变异体。这些变异体的表达随着年龄、脑区、细胞类型和疾病的改变而改变。此外，最近的研究还表明，当我们绘制大脑的进化图谱时，不应该将大量精力集中在编码蛋白质的基因上，因为98%的基因组并不对蛋白质进行编码，而仅仅对RNA编码，但是“微小RNA”（micro-RNA）则影响了人类大脑的扩大。这些RNA片段调节许多细胞过程，人类在这方面与黑猩猩存在着很大的差异。迄今为止，在人类和黑猩猩之间所发现的最大差异表现在HAR1（人类加速区域-1）上，它是人们最近发现的一个RNA基因片段。这个在早期发育阶段表达的RNA（HAR1F）特异地存在于大脑的Cajal-Retzius神经元 [3] 中。从胚胎发育的第17周～19周开始，HAR1F就和络丝蛋白联合表达，这是形成人类大脑皮层的关键因素。这一人类基因的变异可能已经有100万年以上的历史，因此可能在现代人类出现过程中起着至关重要的作用。

在进化过程中，人类的DNA中有大量的垃圾和重复序列堆积。人类进化史中的这些伤痕包含了人类起源的重要信息，但是绝不应被视为支持智能设计拥趸的论据，当然，也不能反过来说，DNA是优雅的“上帝的语言”。自从1871年达尔文总结出“进化论的重要原则是不可否认的”观点以来，什么都没有改变，如果你不以未开化的野人的眼睛来看待自然现象的话。130年之后，智能设计的拥趸却在那些极少数的维持着“未开化的野人”身份，并在否定进化论的人群中占据了一个孤独的位置。

为什么是一个星期

我们是因为《圣经》而具有一星期的节律，还是我们告诉了《圣经》我们具有一星期的节律？本书的结构始于当初我受邀给《新鹿特丹商报》撰写有关我们大脑的问题的每周专栏。那些问题中的一个问题就是：为什么这个世界是以一个星期为周期而循环生活的呢？

根据《圣经》的记载，上帝用了6天时间创造了世界，第7天他放下所有的工作休息。我们一星期有7天是因为《圣经》上说创世用了7天，还是因为我们有7天的生物学节律，因此创世的故事就说上帝是用了7天呢？

数以亿计年的进化过程已经使得所有的生物——从单细胞有机体到人类，具有生物学节律，以便使他们对于地球上所发生的规律性变化做好准备。位于我们下丘脑的生物钟仍然具有大约24小时的节律，它通常会提醒我们黑暗即将来临，让我们及时回到安全的洞穴中去。在夜晚结束的时候，生物钟让我们的身体为即将开始的白天活动做好准备，因此应激激素皮质醇水平升高。我们生物钟的昼夜节律反映了地球的自转，这个生物钟也具有年节律，依据的是地球绕着太阳旋转的周期。这种年节律能帮助我们评估何时播种、收获或者准备过冬。人类似乎还内化了月球的节律，女性的月经周期就是例子。

我们是否还有一个内置的、节律为一星期的生物钟呢？一星期的节律确实反映在我们的血液和尿液中的物质浓度上。此外，血压、心肌梗死、脑梗死、自杀病例和出生也呈现出了每星期的节律性波动。不过，这些每星期的节律可能是由我们社会活动的星期节律，而不是由一个每星期节律的生物钟强加给我们的。

支持“的确存在着生物学每星期节律”这一观点的数据来自一位研究者，他用15年的时间测定了自己尿液中的激素水平。在3年的时间里，这些激素的节律呈现出以一星期为周期的规律，尽管它们与我们平时的工作星期并不一致。这种自由运转的节律表明，的确存在着一个内在周期大约为一星期的生物钟。有一种名叫白符跳的昆虫即使在持续黑暗的条件下也能呈现出每星期一次的产卵行为。后面的例子可以驳斥那种认为我们环境的每星期的变化引发了我们每星期的生物学节律的观点。然而，对于存在着以一个星期为周期的生物节律的最有力的证据是在东非发现的人类祖先的化石。

在用显微镜对编号为1500的头盖骨，即“图尔卡纳男孩”的头盖骨进行观察时发现，其牙齿的珐琅质上有两种类型的小条纹，一种条纹以一天为一个周期，另一种则以大约一星期为一个周期。因此，这些古人类化石中的牙齿珐琅质都是按照一条一条的，以每6天为一个稳定的周期而生长的，并在第7天变换生长速度。研究者还发现，其他灵长类动物也是如此。有人推论说这种一星期左右的节律的基础是太阳辐射，但是这种观点遭到了天文学家的驳斥。更大的可能性是，我们每星期的节律是与进化过程中的过渡期相关的，那时海洋中的生物向陆地迁移，并在海滩寻觅食物。由月亮和太阳的相互作用而引起的潮涨潮落的每星期的变化对于那些在海岸线上觅食的生物产生重大影响。不过，无论这种节律的基础是什么，在《圣经》出现之前的360万到380万年之前，即社会性周期出现的几百万年之前，这种每星期的生物学节律已经存在了。这种节律可能是上帝用7天，而不是8天或者9天，更不用说是45亿年来“创世记”的念头的基础吧。

注解：

[1] 　Stephen Jay Gould，世界著名的进化论科学家、古生物学家、科学史学家、科学散文家。——编者注

[2] 　又称海生沙蚕。——编者注

[3] 　Cajal-Retzius神经元是哺乳动物胎儿脑皮质板I层中的细胞，表达钙视网膜蛋白和络丝蛋白，对神经元迁移和定位具有重要作用。——译者注

第22章
结论

江山易改，本性难移。

——中国古训

在我们出生来到这个世界上时，我们的大脑就是独一无二的，我们的遗传背景和我们在母亲子宫内的发育阶段已经为我们的大脑塑形。我们的性格特征、天赋、缺陷也在很大程度上被确定了。这不仅仅是指诸如我们的智商，我们是早起的鸟还是夜猫子，以及我们的灵性、神经质性、心理性、攻击行为、反社会行为或者叛逆行为的程度，还指我们罹患大脑疾病，例如精神分裂症、自闭症、抑郁症和成瘾的风险。到成年时，我们的大脑已经很难再发生改变，我们的个性也已经确定了。我们大脑的建造过程决定了其功能，即我即我脑。

遗传背景以及许多影响大脑早期发育的因素从多方面对我们进行了限制，这些“内在的约束”使得我们不能自由地决定或改变我们的性别身份、性取向、攻击性行为的程度、个性、宗教，或是我们的母语。“自由意志不存在”已经不是什么新观点，在这一点的认识上，我一点儿也不孤立。哲学家斯宾诺莎已经通过一系列例子证明了这点（见《伦理学》第三部分第二条命题）。

一个婴儿是自由地决定他要喝水的吗？一个愤怒的人是自由地决定他要报仇的吗？一个懦夫是自由地决定他要逃避的吗？一个喋喋不休的人是自由地决定他要说出那些他忍不住想要说出的话的吗？

某些性格特征是无法改变的，达尔文在其自传中也得出类似的结论。

……环境和教育对人的特征只具有很小的影响，我们大部分的特征都是与生俱来的。

然而，这一观点与20世纪六七十年代占统治地位的“社会可以改造人”的信念相悖。行为的性别差异被归因于专横的男权社会的压制，而女性患抑郁症的风险是男性的两倍的现象则被认为是由于女性生活得更为艰难。人们认为，既然是社会环境导致了这些问题，那么人类也完全可以通过改造社会环境从而解决这些问题。不过，那个时期的人们认为“社会环境对人的进步具有重要的决定作用”的观点展现了阴暗的一面。当孩子在成长过程中出现问题时，人们往往归因于家庭教育不良，并指责母亲的失职。人们认为，一个非常强势的母亲会导致儿子成为同性恋，一个冷漠的母亲会导致孩子患自闭症，母亲给予孩子的信息不明朗（即具有歧义）则会导致孩子患精神分裂症，因此，要把孩子从那个毁灭性的家庭魔爪中解救出来。还有人认为异性癖是精神病，从事犯罪活动是因为交了一群坏朋友，那些瘦得皮包骨头的模特导致了神经性厌食症的流行，而对孩子的虐待或者放纵会导致边缘型人格障碍等。不过，这些观点根本站不住脚。

人们性格中的很多特征、潜力和局限性当人们还在母亲子宫内发育时就已经在大脑中编制好了程序。然而，这并不意味着人们的大脑在出生时已经是“完工”的作品。婴儿的大脑在出生后的温暖、安全以及充满刺激的环境中还要进一步演变，这个过程受到包括学习母语在内的持续性学习的影响。同时，和子宫内发育阶段相同，这个过程并不仅仅涉及大脑或者环境，还会涉及大脑和环境之间强烈的“相互作用”。这其中的要素是，环境作用于大脑的时间越早，其效应就越强越持久，孩子的发育也更成熟，其性格特征也越不可能被改变。个性，也就是固定的特征，也是在早期发育的过程中逐渐表现出来的。当然，我们所学习到的知识储存在我们的记忆里，而记忆仍然具有可塑性。此外，在我们的早期发育结束之后，社会仍然可以对我们的行为施加影响。不过，社会无法对我们的性格施加影响。临床心理学家和精神病学家通常能通过巨大的努力改变或纠正个体的一些行为，但是他们无法消除个体在早期发育阶段所形成的个性问题。我们有充分的理由认为性格是“被镌刻的”，但是被诱导的行为的改变能使具有人格障碍的人更好地处理、对付自己的个性问题。

先天性和遗传性

“先天性”并不等同于“遗传性”。当来自父母的基因被混在一起“洗牌”的时候，我们性格中的显著特征、我们的智商以及我们患上脑部疾病的概率都被永久性地决定下来。然而，从母亲怀孕那一刻开始，子宫内的环境对胎儿大脑发育也有着至关重要的影响。研究者几乎无法对一个孩子从他父母那里获得的遗传负荷做任何改变，只有在非常特殊的条件下才可以对其进行一定的干预。在唐氏综合征和其他染色体疾病中，有可能对胎儿进行产前诊断，一旦检查出致病基因就会建议孕妇流产。有时候，还可以采用体外受精的技术来选择将不含缺陷的胚胎植入到母亲子宫中，这种方法已经被应用到诸如早发性家族遗传性阿尔茨海默病的患者中。通过对新生儿脚后跟扎针取血，可以诊断不同的遗传性疾病，并可以采取相应的治疗措施，预防其对大脑发育的损伤。这方面的例子之一就是针对先天性肾上腺皮质增生症（CAH）的检查，该病导致肾上腺停止产生应激激素皮质醇，并产生过量的睾酮。这不仅会破坏大脑的性别分化，还会导致婴儿患有严重疾病。其他可以被检查出的疾病包括：先天性甲状腺功能低下症，患这种疾病会因甲状腺激素缺乏而损害大脑发育；苯丙酮尿症（PKU），这种代谢性疾病能损害大脑发育，通过特殊的饮食可以对其进行治疗。到目前为止，人们还不能通过分子技术修复大脑的遗传疾病。

环境因素对大脑发育起着至关重要的作用，但是与人们在20世纪六七十年代所持的观点相反——出生后孩子所处的社会环境并不起很大的决定作用。对于胎儿大脑发育起到最重要作用的是母亲子宫内的化学环境，这种影响出现得越早，影响越大。大脑早期发育阶段是确保大脑健康发育的最重要阶段，它对孩子未来的生活具有持久而显著的影响。为此，孕妇应该尽量少用药物，并尽量避免接触会对胎儿大脑发育造成不良影响的化学物质。孕妇还需要充足的营养和足够的碘元素以确保自己和胎儿的甲状腺激素功能正常。我们从阿姆斯特丹关于1944—1945年的“饥饿的冬天”的研究中可知，宫内营养不良会增加精神分裂症、抑郁症、反社会人格障碍、成瘾以及肥胖症的发病风险。

1944年，当我母亲怀我的时候，我非常幸运，因为她的朋友给了她额外的食物。我母亲生了我之后奶水非常充足，除了哺乳我以外，还哺乳了另一个婴儿——一个被藏起来的犹太人婴儿，那个孩子的身份我们到现在也没有弄清楚。我母亲的乳汁是通过好几个人才传送给那个婴儿的。

如今，全世界还有3亿儿童没有这样的运气，营养缺乏的状态将他们拽入这样的恶性循环中——宫内的营养不良会破坏胎儿的脑发育，而在这个孩子长大成人之后又无法给其下一代提供充足的食物和理想的生命开始状态。只有改善全世界食物供给的分配，才能中断这种恶性循环。此外，世界上还有很多地区存在着碘缺乏的情况，这导致母亲和胎儿甲状腺功能低下，损害胎儿大脑发育，造成了精神残疾。事实上，这个问题通过在食盐中加碘就可以很容易地解决，但前提是这些地区能经常且正规地供应碘盐。

功能性畸形学

胎儿在大脑早期发育阶段接触到的化学物质对其今后生活中的各种心理问题和精神疾病具有长期且实质性的影响。研究这种影响的学科被称为“功能性畸形学”，该研究领域涉及的问题是那些在出生时还没有显露出来的，但在将来需要用到大脑的这个系统功能时才暴露出来的大脑发育缺陷。孩子可能在出生时表现得很健康，但随后会出现学习障碍，其原因可能是他在出生之前暴露于酒精、可卡因、铅、大麻、滴滴涕（DDT）或者抗癫痫药物的环境中。如果孕妇服用乙烯雌酚（DES）或者吸烟，那么孩子患上抑郁症、恐惧症和其他精神疾病的风险就会增加。如果孕妇服用诸如苯巴比妥或者苯妥英等药物，那么孩子患上异性癖的风险就会增加。在多种不同因素参与的发育性疾病中，例如精神分裂症、自闭症、婴儿猝死综合征以及注意缺陷多动障碍等，化学物质也起到了一定的作用。

要保证孕妇的健康似乎并不困难，但目前仍然有25%的孕妇经常饮酒，还有很多孕妇吸烟。如果荷兰所有的孕妇都不再吸烟，那么婴儿的早产率就会降低1/3，出生时体重过轻的婴儿的数量也会大大减少，健康部门的花费也会减少几千万欧元。此外，儿童患注意缺陷多动障碍的概率会大大降低，进而减少冲动行为和暴力行为，以及青少年犯罪事件的数量。那么，这个问题为什么还没有得到解决呢？这是因为，理论是一回事，而实践是另外一回事。要改变一个人的行为是特别困难的，尤其是涉及成瘾物质时。即使使用尼古丁贴片戒烟，也不能排除其对胎儿的潜在伤害。

孕妇们在怀孕期间常常会服用许多不必要的药物。有些药物是家庭医生迫于孕妇的要求而开给孕妇服用的，有些药物则是邻里之间互相提供的。不需医生处方而可以出售的药物，例如阿司匹林和扑热息痛，也会影响胎儿。沙利度胺（即“反应停”）药物酿成的悲剧使人们意识到化学物质对未出生孩子的潜在伤害，但是它也使医生倾向于认为这种风险仅仅存在于孕期的前3个月，这种认识是错误的，这些化学物质在整个孕期乃至新生儿阶段都在影响孩子的大脑发育。为了预防早产或者促进早产婴儿的肺部发育，临床上很早就建立起来了包括大剂量长时间使用肾上腺皮质激素在内的治疗方案。30年前，我在教授职位就职演说中就对这种疗法提出警告和反对。我在动物研究中发现，使用肾上腺皮质激素可以帮助其肺部成熟，但在同时也妨碍了其大脑的发育。的确，大剂量暴露于这些物质中的儿童表现出学习和行为障碍、大脑体积较小、智商较低、运动机能损伤等症状。近年来，人们对肾上腺皮质激素的应用剂量越来越谨慎小心。

然而，有时孕妇需要治疗其癫痫或者抑郁症等疾病，医生必须及早关注这些疾病并告知患者，以确保在患者计划怀孕时可以开出最安全的药物。此外，如果有可能，要对患有抑郁症的孕妇采取其他替代疗法，例如，光线疗法、经颅磁刺激或是安慰剂治疗。事实上，由于抗抑郁药物的疗效仍然存在着不确定性，且安慰剂的效果与抗抑郁药物的效果相当，因此在对孕妇的治疗上很值得考虑选用安慰剂。

大脑的性分化

我们几乎不该再怀疑，我们的性别身份和性取向是当我们还在母亲子宫内的时候就已经确定了，并在一生中都不会改变。我们的性器官是在怀孕的最初几个月内分化好的，我们大脑的性分化出现在怀孕的后半阶段。由于这两个过程发生在怀孕的不同时期，因此那些罕见的、出生时性器官模糊不清的病例是很难确定其大脑是沿着男性还是女性的方向分化好的。在这些病例中，医生通常过快地做出决定，采用手术将婴儿造就成一个女孩，以便让父母和孩子明白孩子的性别。然而，来自病患者协会的调查表明，这种强加的性别身份可能会给孩子未来的生活造成性别认同方面的问题。因此，在无法确定孩子大脑性分化所形成的性别身份时，最好是赋予这种婴儿一个临时的性别，然后在孩子的成长过程中，从行为学等方面确认其性别身份，之后再进行手术。在这方面，有些手术的方式是可逆的（即外生殖器的性别还可以逆转）。

由于我们的性别身份在发育早期就已经确定，因此并没有必要一直等孩子长大到成年晚期确保其真的希望做变性手术时再做手术。相反，早期施行变性手术具有很多方面的优势。首先，让一个人在完成学业、适应自己的职业和婚恋关系之前就适应自己的新性别当然比在这些阶段之后再适应要好。此外，在一个男人成为身高1.9米、嗓音浑厚、虎背熊腰的彪形大汉之前做变性手术，应该会更容易。

那种长期以来建立起来的关于我们可以完全自由地选择自己的性取向的观点不仅是错误的，而且还造成了大量悲剧。以前人们普遍认为，性取向只是一个“选择”而已，这造成了对同性恋者的惩罚，而且所有宗教都将同性恋苛评为一种罪恶，即一种错误的选择。沿着相同的路线，医学也曾认为同性恋是一种疾病。然而，我们的性取向并不是我们的“选择” ，它是当我们还在母亲子宫内时就已经在大脑内确定好的特征。因此，同性恋不是像一些宗教所宣传的那样，是一种“错误的”选择。试图把同性恋男性改造为异性恋家庭好男人的做法是荒谬的，在许多国家，例如美国和英国，人们还在做着这种无意义的尝试。

要多观察有难产分娩经历的婴儿

当胎儿感受到母亲再也无法为其不断长大的身体提供充足的食物时，他就会发出分娩的信号。

在回顾性研究中，人们发现成年人的许多精神疾病与其出生前后遇到的问题相关。长期以来人们一直认为，精神分裂症产生的原因是当年病人出生时难产导致的大脑损伤。我们现在知道，精神分裂症是一种大脑早期发育疾病，而主要的病因是遗传因素。母亲和胎儿大脑的强烈相互作用对于确保分娩过程的顺利进行是必需的。因此，将来发展为精神分裂症的患者的难产过程可以被看作是因胎儿大脑发育紊乱而导致了母亲与胎儿互动的失败。这种推论是反直觉的，因为精神分裂症的典型症状通常仅仅出现在青春期之后。然而，如果你去询问那些父母是什么时候发现自己的孩子和其他孩子“不一样”的，那些父母通常会回答：“哦，他一直都与别人不一样啊！”上述情形也见于将来患上自闭症的孩子，他们在出生时常常有难产的经历，因为自闭症也是大脑早期发育疾病。出生过程出现问题也与神经性厌食症和暴食症有关。此外，这些出生时伴随的问题也可以看作是导致成年后出现进食障碍的下丘脑功能不良的首发症状。上述研究得出的结论是，要密切观察具有难产分娩经历的婴儿，关注他们是否会在成年早期患精神疾病。人们已经证实，在精神分裂症的早期阶段接受治疗有利于预防大脑损伤。对于其他大脑发育疾病而言，及早治疗也是有利的。

给新生儿一个良好的成长环境

在孩子出生之后的早期阶段，为他营造一个令他感觉安全、可靠且富有刺激的环境将对他的大脑发育起到至关重要的作用。忽视或者虐待孩子都会永久性地损伤孩子的大脑，并增加其应激反应轴的活性。今后，只要孩子的周围环境出现相当小的问题，孩子的应激反应轴就会被过度激活而导致抑郁症。在这种环境下长大的孩子需要社会救助人员的及时援助，因此儿童救助机构的工作效率还有待提高。孩子的依恋也要经历一个重要的发展阶段，其中“联系激素”催产素起了重要作用。当孩子和父母或者养父母分离太久，孩子体内的催产素水平就会降低，甚至可能是永久性的降低。因此，应该尽早把孤儿院或者福利院里的孩子接出来，安排其住在养父母家里以确保他们与养父母建立合适的联系。孩子出生之后，需要一个富有刺激性的且内容丰富的生活环境，以使大脑正常发育。其中，语言环境起到了关键作用。语言能以特定的文化方式刺激许多脑区，东方语系的大脑与西方语系的大脑之间存在着永久性的组态差异，而遗传因素似乎不参与这个过程。对于存在智力缺陷的孩子来说，刺激他们的大脑发育尤为重要，因为他们大脑发育的不同结果将使得他们拥有完全不同的未来。

幼小的孩子没有自己的信仰，但是他们的基督教、伊斯兰教或者犹太教的父母们会在孩子发育的早期将相应的宗教信仰灌输到孩子的头脑中，那时孩子们还会想当然地认为父母们都是正确的，他们不加讨论、不加质疑地接受父母安排的任何信仰。通过这种方式，宗教信仰一代一代地传下来，并固定在我们的大脑中。事实上，我们不应该教孩子应该想些什么，而应该教他们如何进行批判性的思考，以及如何在成年时根据自己的意识形态做出选择。将幼小的孩子根据不同的宗教划分到不同的学校是非常有害的做法，它不仅会阻碍孩子们学习如何进行批判性的思考，也助长了他们对其他信仰的排斥。

对社会没有贡献的人，应该受到谴责吗

促进我们进化的那些变异对于某些人来说仍然是致命的。政界从来都不会承认“社会工程可以重塑我们的大脑”是一个错误的观念。相反，从20世纪80年代起，由于头重脚轻的国家福利状态以及经济衰退的影响，政界开始大力宣传每个人都应该为福利事业的振兴和繁荣担起责任。政界告诉老百姓，你们的命运掌握在自己的手中。不过，这种声称与许多研究所发现的事实并不一致：一个人的能力在很大程度上取决于其遗传基因，以及早期发育过程中的环境影响。

人们很难克服在教育中显示出来的自我不利条件。内在能力的缺乏很难在后天得到完全弥补。此外，当今竞争激烈的社会对人们能力的要求越来越高，而越来越多的人显示出无法满足社会对他们提出的要求。那些能力缺乏或者患有精神性疾病的人因他们的失败而遭到他人的指责。来自受教育程度低的家庭和低收入家庭的孩子更容易很早失学，将来收入较低。他们健康状况不佳，犯罪、成瘾、赌博和失业的风险也更高。受教育程度最低的人的平均寿命比受教育程度最高的人短6年。这很大程度上要归因于生活方式。通过提高对烟草和酒精的征税来刺激这些人改变其不良生活习惯已被证实是无济于事的。

落后似乎与遗传有关，甚至具有传染性，因为在某些邻近地区可以观察到很多问题。根据荷兰社会文化研究所的调查，大约有10万荷兰儿童是被社会排斥的，这占荷兰全部儿童的4%。他们不被任何一个体育俱乐部所吸纳，几乎从未参加过任何远足，每年都不会度假，也从不拜访朋友的家庭。如果将这些定义再稍微放宽一些，那么11%的荷兰儿童是被社会排斥的，这主要是由他们父母的经济状况造成的。然而，他们的父母也非常边缘化（极少参加社交活动），他们居住的环境缺少合适的游戏场地。在这种情况下，儿童的大脑无法得到理想的发育。荷兰社会学家马赛·范·丹（Marcel van Dam）曾就此问题与一群来自不同领域的教授进行过5次激烈的讨论。这些讨论被制作成一部在荷兰电视台播放的电影，题为《对社会没有贡献的人》（The Un-productive Ones ）。出品人鲍尔·威特曼（Paul Witteman）后来还就这个主题做了一期电视节目，题为《这是他们自己的过错》（It’s Their Own Fault ）。

没有什么简单的方案能解决这个问题。我们可以尽全力养育孩子，以期他的大脑能获得理想的发育，并能预防危害性的影响。不过，我们也必须承认，在大脑发育这一复杂的过程中总有可能出现故障，总会导致一小部分人难以做好应对生活的准备，或是出现智力缺陷，或是患有神经、精神性疾病。这些问题可以发生在任何家庭的任何一个孩子身上，社会应该负责为这些孩子提供受到保护的工作、社会福利，以及良好而实用的监督。就目前的情况来看，还有许多需要我们改进的地方。此外，社会必须停止错误地指责那些不是由于自身的过失而遭受大脑发育疾病的患者。教育和正确的公众信息可以纠正社会上的那种错误的指责倾向。

同样的问题也会发生在患有脑部疾病的成年人身上。有人反复在宣称，在对多发性硬化症的治疗中，患者的积极态度可以促进疾病的康复。这听上去非常吸引人，但是这种说法除了缺乏科学依据外，还意味着如果病情加重，人们就会告诉这位可怜的患者，他没有“尽最大的努力”战胜疾病！是时候将这种“这是我的错”当作无稽之谈了。

大脑和法律

我们的攻击性程度是由我们的性别（男孩比女孩更具攻击性），我们的遗传背景（DNA的微小变异），我们从胎盘中获得的营养以及母亲在怀孕期间吸烟、饮酒或者用药情况等因素决定的。男孩的自律性差，反社会行为、攻击行为或者违法行为等的发生率在青春期升高，这是由于体内睾酮分泌增加。成年男性罪犯的暴力水平也与睾酮水平相关，因此，许多无法控制的因素决定了一个人是否会触犯法律底线。这并不意味着犯罪分子不应受到法律的制裁，但是司法机构应该将这些因素，以及大脑发育的成熟度更多地考虑进去。前额叶皮层的发育是一个缓慢的过程，至少要持续到25岁才能完成。只有达到这个年龄，个体才能准备好控制自己的冲动行为，并做出道德判断。因此，在以神经生物学为基础，按照成年人的法律来判定犯罪者的年龄时，该年龄不宜降低到例如16岁，这是某些政客为了向选民们示爱而极力煽动的判刑年龄，而应该将年龄定在23～25岁左右，因为此时大脑的结构才成熟。

有些孩子明显比其他孩子更具攻击性。调查发现，那些因参与暴力犯罪活动而被关在监狱中的年轻人具有极高的精神性疾病发病率——在男性青少年罪犯组中高达90%。对双胞胎的研究也表明，遗传因素在其中起了很大作用。刑法的应用应该仅限于拥有健康大脑的个体，但是我们的司法系统却一直违反着“马克诺顿原则” [1] 。一个因基因背景和不正常的大脑发育而造成恋童癖的患者可以对自己的性取向承担道德责任吗？当一个因基因以及母亲在怀孕期间吸烟等因素造成的患有注意缺陷多动障碍的孩子触犯法律时，你能追究其责任吗？我们还知道，子宫内营养不良会提高违法犯罪的概率。此外，一个大脑正在性激素的作用下进行全面的重新配置的青少年，我们能认为他应该对所犯下的罪行承担全部的责任吗？

在这些情境之下，道德责任感是一个棘手的概念，而自由意志的存在仅仅是一种错觉。当然，这并不意味着不应该惩罚这些罪犯，而是意味着惩罚措施应该起到应有的效果。我们在医学研究领域已经得知，要想获得对于一种疗法或者一种药物的真实的科学结论，就必须通过设立对照组的相关研究才能确认。事实上，刑事司法专家们所持有的观点与那些在确认一种特殊的抗精神病疗法有效之前的精神分析学家曾持有的观点相同。结果是，人们无法确定那些惩罚措施是否有效。此外，在政界不断增加的压力之下，司法部门还在设计新的惩罚措施，从社区劳动到送往改造营等，但是他们从未考证这些惩罚措施是否比传统的惩罚形式更为有效。在缺乏包含着对照组的正确研究的情况下，这些措施的有效性总是充满着争议。然而，政界对于科学研究从来不感兴趣，他们只从眼前利益考虑，尤其是考虑着即将到来的选举。

生命的终结

您是否也和我们一样，更相信死亡之前的生活？

——荷兰人道主义协会

尽管医学领域全力以赴地争取尽可能地延长人类寿命，但是死亡还是以全胜收场。只要有可能，我们就希望在死亡渐近时拥有一个健康的大脑，这样在生命的最后阶段，我们都能持续地做出自己的决定。幸运的是，在荷兰，癌症患者或者重病缠身、生不如死的患者可以选择安乐死来结束自己无意义的痛苦。然而，对于患有脑部疾病的人来说，选择终结生命都是个问题。如果你陷入昏迷或者有类似的病情，你将无法告诉人们你的希望，对于患有痴呆症或者其他精神性疾病的患者，医生也无法确定他们做出的决定是不是知情的、明智的。人们对于在后两类疾病中实行安乐死或者辅助自杀的观点正在逐渐进步，尽管对于医生来说，对慢性精神疾病患者施行安乐死仍然是极其困难的，医生也极少这么做。不过，医生尝试为他们安排安乐死，以避免患者自杀。从总体上说，患有阿尔茨海默病的患者病情进展缓慢，你有足够的时间与医生商量并选择终结生命的恰当时刻。然而，患有其他痴呆症类型（例如血管性痴呆）的患者起病迅猛，以至于你没有时间安排自己的事情。因此，重要的是那些你身边的亲人知道你对这个问题的观点，并且在你填写好由NVVE签发的表格后，将表格带到你的医生那里，确定他将在你生命的最后阶段给予你想要的帮助。这样一来，随着时间的流逝，你们可以共同为那个时刻做好准备。

然而，目前正有一类迅速增加的人群，对于他们来说，“协助死亡”的愿望仍然处在安乐死法律的范畴之外：那些认为生命已经完满、可以终结生命的老人。我们正在试着通过公民上书签名活动处理这个问题，我们的目标是，“对于那些认为生命已经圆满、自愿结束自己生命的老年人，让他们在其所确定的时刻获得协助死亡的程序合法化。前提是，他们的要求非常明确，他们获得了应得的照顾，这个程序也接受着公开的监督”。这项由伊万·范巴勒发起的活动名为“按照自由意志”。为了避免造成不必要的复杂化，在确保我们征集到让荷兰议会立项所必须获得的至少4万个签名之前，我忍住没有向这个小组提出我自己的观点——自由意志其实并不存在。事实上，征集4万个签名仅仅只需4天时间。这项议题看上去在荷兰深得人心。荷兰政府如何处理这项动议，以及这项动议在什么阶段才会导致对法律做相应的修正，我们拭目以待。

新进展

1966年，当我还在做医学生以及研究助理时，脑科学还是一个只有为数不多的几个想法与众不同的“怪人”在全社会相当怀疑的眼光下做着研究的领域。如今，人们已经广泛认可了这个领域的重大社会意义及潜力，神经科学已经成为全球各地的大学、研究所的顶尖专业，无数的科学家也采用着许多不同的技术而进行着神经科学研究。这些高度复杂的研究技术需要专业性强、在多学科队伍中工作的科学家的分工合作，以获得新的见解。这些合作项目越来越多，也越来越国际化。这从学术论文的作者数量和作者所属单位的日益增加上就可以看出来。在未来的几年里，对于脑部疾病的分子生物学研究所获得的见解将为疾病治疗策略提供新的靶点。精确植入到大脑深部位点的刺激电极不但可以用来治疗帕金森氏病，还可以用来治疗强迫性精神障碍。此外，这种疗法的效果也在诸如最小意识状态、肥胖症、成瘾以及抑郁症等疾病中被研究。与所有有效疗法一样，这种疗法也存在着副作用。这些副作用会在采用深部电极刺激底丘脑核以治疗帕金森氏病时出现，副作用包括患上肥胖症、性格改变、出现冲动行为，甚至自杀。此外，还会出现精神失常、性欲过盛和赌博成瘾等症状。经颅磁刺激治疗抑郁症和耳鸣的疗效也在研究中，后者是因为内耳听力受损导致不断出现恼人的幻听。经颅磁刺激还被应用于治疗精神分裂症患者的幻觉。目前，人们对于这项崭新的技术会产生的副作用还不太了解。

神经假体是可以逐渐取代感官的装置。一位截瘫患者通过在大脑皮层植入一个电极板而可以利用自己的思维，并借助电脑鼠标和假臂来控制一台电脑。为盲人服务的视觉神经假体也正在发展。目前，人们正在试着通过植入胎儿大脑组织或者干细胞，以及通过基因治疗方法来修复大脑和脊髓损伤。

感谢神经科学的巨大发展以及这个领域的技术进步，让我们不断有新的发现。这些发现是极为重要的，因为27%的欧洲人患有一种或者多种脑部疾病。在荷兰，30%以上的医疗保险预算被用于大脑疾病患者，你可能会期待，至少也应该有相应比例的研究经费被专门用来做大脑研究吧，但是欧洲神经科学机构只能获得这类预算的8%的经费支持。政府什么时候才能建立为了子孙后代具有更为健康的大脑而着想的长期政策？

注解：

[1] 　1843年5月，英国工人达尼埃尔·马克诺顿射杀了首相罗伯特·皮尔。行刺前，马克诺顿已患有明显的精神疾病，长期存在妄想和被害狂的症状。最后，陪审团认定马克诺顿基于精神疾病而刺杀首相的事实，并在最终宣告马克诺顿不承担刑事责任。“必须对精神病学意义上的精神病和刑事责任意义上的精神病加以严格区分”是马克诺顿原则的核心思想。——译者注

致谢

感谢我所参与的那些脑研究国际会议，以及我自己的研究组；感谢那些优秀的、富于批判精神及具有天赋的学生、技术员以及工作人员，他们每天都在为我传递着大量的新消息，而我每天也从他们那里获得关于我写的大脑科普文章的反馈意见。没有他们，就不会有这本书。

我尤其要感谢以下同事和朋友们，他们为我提供了许多建议和修订意见：包爱民，Kees Boer，Ruud Buijs，Wouter Buikhuizen，Hans van Dam，Marcel van Dam，Gert van Dijk，Cisca Dresselhuys，Frank van Eerdenburg，Tini Eikelboom，Michel Ferrari，Eric Fliers，Rolf Fronczek，Anton Grootegoed，Michel Hofman，Jan van Hooff，Witte Hoogendijk，Inge Huitinga，René Kahn，Bert Keizer，Felix Kreier，Jenneke Kruisbrink，Paul Lucassen，Martijn Meeter，Joris van der Post，Liesbeth Reneman，Carla Rus，Erik Scherder，Reinier Schlingemann，Eus van Someren，Roderick Swaab，Martijn Tannemaat，Unga Unmehopa，Joost Verhaagen，Wilma Verweij，Ronald Verwer，Geert de Vries，Linda de Vries，Frans de Waal，王雨风，Katja Wolffenbuttel，周江宁，还有很多人。

在此书出版的过程中，我和阿姆斯特丹“联系出版社”（Contact）的合作非常愉快，特别要感谢Mizzi van der Pluijm，Bertram Mourits，Cindy Eijspaart，Kirsten van Ierland，Bieke van Aggelen，Jennifer Boomkamp，还要感谢Maartje Kunen为此书带来的精彩插图。

我想感谢湛庐文化为此书提供了重要的中文翻译雏形。除此之外，这本书从荷兰语到中文的繁琐翻译和审校工作，如果没有浙江大学医学部包爱民教授的力求精确完美的大量辛苦努力是根本无法完成的。在包爱民教授对本书的每一句中文翻译进行检查和修订的过程中，她得到了来自Jane Hedley-Prole，Tini Eikelboom，Wilma Verweij所提供的英文帮助。这种卓有成效的工作方式使得那些陌生而晦涩的神经生物学概念变得清晰易懂，也缩小了东西方的文化差异。

非常感谢！

译者后记

尽管科学家一个接一个的科研成果让我们对大脑有了越来越多的了解，但直到今天，科学家所发现的大脑的秘密还只是冰山一角。在很大程度上，大脑及其工作原理仍是神秘的。

由于现代人生活压力越来越大，因此人们患上脑部疾病以及心理疾病的概率比以往任何一个时期都高得多。作为一门前沿科学，脑科学不仅为我们揭示了人脑的本质，还为我们治疗这类疾病提供了可能。本书的作者通过对大量真实病例的分析，结合最近几年脑科学方向的研究成果，以深入浅出的方式向读者展现了各种大脑疾病产生的根源和治疗方法，其中包括了最为常见的抑郁症、精神分裂症、阿尔茨海默病以及帕金森氏病等。此外，作者还在书中提出了诸多创新的观点，例如，“生命并不只在于体育运动，而更为重要的是脑力运动。如果一味地参加体育活动，可能会对大脑产生不良影响”。这样的观点新颖而又蕴含着科学真谛。

本书内容翔实，事例生动。作者选取的病例都具有一定的代表性，例如“拳王”阿里所患的帕金森氏病。通过书中那些极具典型的例子，作者让广大读者在最短的时间内对本书的内容有了一个深入的了解。此外，书中还大量列举了作者身边所发生的病例，这些都是作者多年研究所得到的宝贵经验，它们不仅向广大读者及时传递了脑科学的最新发展动向，还给出了治疗相关脑疾的方法。可以说，这是一本具有相当深度的脑科学书籍。

译者在阅读、翻译此书的过程中也学习到了不少与大脑有关的知识，了解到了大脑的基本构造以及各个脑区所承担的不同任务。可以说，人类支配了世界的发展，大脑支配了人类的发展。了解大脑的构造及其功能不仅对医护人员有重要的意义，对于每一个普通的个人来说也是必不可少的知识。身处这个高速发展的社会之中，难免会遇到各种各样不尽如人意的事情，但是一旦掌握了这些脑科学的知识，我们就能合理地用脑、控制自己的情绪、排解心中的不快以及及时接受治疗，这样才能够避免情况恶化，使其不至于发展到不可控制的地步。

参与本书翻译工作的还有陶莎莎、杨茜、黄一平和刘赫男，他们不辞辛苦、工作认真，为本书提出了大量的宝贵建议。在此，向他们致以衷心的感谢！由于译者水平有限，书中诚然会存在着诸多疏漏和不足之处，希望广大读者批评指正。