诺奖为何接力青睐AI？物理与计算机双料大佬万字长文深度解读“科学的边界”到底在哪里！

《什么是物理：用物理学的视角看世界》

作者：赵智沉

物理学，或者说科学，有没有什么是做不到的？科学的边界在哪里？

“科学”的范围很广，我们很难像物理学一样来框定科学的研究对象。“科学”一词在现代汉语中有时被当作形容词：“这不科学”。可见，与其说“科学”是一些研究领域的总和，不如说它是一系列研究方法。只要符合这些方法，就是“科学”的研究行为。

科学研究的一个特点是，研究对象必须是公共知识，也就是被所有人共享的、一致的经验，而不限于特定个体。“我有一个不详的预感”、“我的直觉告诉我应该这么做”，这些就不能视为公共知识。因为它们无法像“太阳东升西落”那样被所有人感知到，通过交流后达到共识。即使这种感觉对你来说频繁地、有规律地出现，它也只属于你自己，而不属于科学的研究对象。

有一些概念听上去符合常识，很像公共知识，但仔细推敲，它们不具备操作定义。“操作定义”是本书反复提到的概念，它在很多时候可以帮助我们辨析科学与非科学的概念。

比如，有些算命先生或者占星师会告诉你，你明天会“破财”。“破财”这个词，听着很像一个公共知识，比如我在大街上骑自行车，不小心把路边一辆汽车刮出一条划痕，陪了几百块钱。这种意外的财产损失会被公认为“破财”。

那么，我去市场上买鱼，两个摊位，同样的鱼，我先在贵的那个摊位买了鱼，损失了几块钱，这算不算“破财”？

再比如说，我买了一支股票，明天跌了 1%，这算不算“破财”？再比如，这支股票明天表现超常，一整天都在涨，偏偏到后天爆出丑闻，股价大跌，而丑闻发生的日期，是明天。那么，这个破财算是发生在明天，还是后天呢？

正因为我们对“破财”这个模糊的日常经验缺乏量化的操作定义，算命先生总是可以在事后去找出一个事件，纳入到他认为的“破财”概念范围里，从而立于不败之地。

所以，下次算命先生要再这么说，你可以问他：请问什么叫“破财”？是指我的总资产在明天累计减少 5% 以上，才算破财吗？我的资产应该如何计算？预料之中的事件（比如明天要帮孩子教学费）算吗？如果不算的话，如何计算事件发生的概率来判断“意外”？

另外，“破财”事件发生的时间该如何定义？是事件发生的日期，还是事件诱因的日期？如果是后者，可能有不止一个因素导致事件发生，哪一个才算？诸如此类，不断追问，将一个常识概念约化为一系列没有歧义的操作规范，所有人遵循这套规范都会得到同一个数字，而没有主观判断的空间，才能被纳入科学研究的对象。

不同科学门类的研究对象和发展程度不同，导致操作定义的精度不同。比如，物理学可以很轻松地测量微秒级的时间，但是对地质学来说，最小的时间刻度也要一万年，不同代际之间不存在清晰的分界线。

有些对象在早先不具备操作定义，比如心理学研究的情绪、性格，但是，随着学科的发展，人们设计出一系列具备操作定义的数值，作为这些概念的“代理”，例如通过问卷获得的量表，情绪发生时伴随的生理指标等等，使不可能的研究成为可能。

有了具备操作定义的概念还不够。科学不能满足于描述和解释已有的现象，还必须能够预测未发生的现象。只有这样，理论才能放在实践面前检验，去伪存真。

弗洛伊德的精神分析理论就是典型的例子。精神分析理论的问题，除了它包含大量无法赋予操作定义的概念（例如潜意识、本我、自我、超我、力比多、情结，以及大量关于梦境和性心理的概念），在于它侧重于对心理现象的解释，而没有提供一套系统的、量化预测的实验方案。

当一个人出现了某种心理问题，精神分析咨询师擅长挖掘他 / 她儿时的经历（特别是与性有关的经历），找出他 / 她潜意识里的某种模式，然后通过对话，疏导或纠正潜意识里的症结。但是，这个过程往往是晦涩的、模糊的，强烈依赖咨询师的主观共情。

如果治疗过程不顺利，并不能证明精神分析理论错了，而是对象的潜意识里尚有未被发掘的因素，需要更深入的诠释与干预。注意：并不是说这种做法在临床上毫无效果，或只有安慰剂效应。尽管传统的精神分析理论现在已经被主流心理学范式所抛弃，但仍然有相当一部分心理咨询师在临床上或多或少地使用精神分析的方法。

而且，精神分析的重要概念之一，潜意识，引发了心理学和社会学对于无意识行为、应激行为、偏见、歧视的研究。很多精神分析理论的重要思想被纳入科学框架里。

对于科学的预测性，奥地利科学哲学家波普尔（Karl Popper）提出“可证伪性”的标准。他指出，科学理论总是表述所有现象的全称判断，而不只是个体经验。因此，原则上，科学陈述不可以被有限经验所证实，却可以被一个反例证伪。

换句话说，一个科学陈述的“力量”，在于它能否承担多大的风险去应对将被证伪的场景；如果一个理论在原则上无法被证伪，那么它就不是科学。

例如，我看到一万只天鹅都是白的后，如果我说：“这一万只天鹅都是白的”，那这就不是科学判断，而仅仅是对这一万只天鹅的事实陈述。如果我通过归纳得出：“所有的天鹅都是白的”，那么这就是一个科学判断。无论以后观察到多少白天鹅，都无法证明这个判断（尽管可以加强人们对这个判断的信念），但是，只要观察到一只非白的天鹅，就可以证伪这个判断。

如果我说：“天鹅本来并没有颜色，人的大脑看到一切天鹅形状的物体后自动加上了颜色”，这个判断听上去头头是道，但仔细推敲，你会发现，无论我未来观察到天鹅是什么颜色的，都无法推翻这个理论。反过来，与之相反的判断：“天鹅的颜色是它本来就有的，不是大脑后期加工的效果”，同样无法被任何观察推翻。因而，这两个判断都无法被证伪，不是科学判断。

然而，科学是一个非常复杂的过程。对于“个例即证伪”的严苛标准，波普尔也提出，它在实践中很难严格执行，因为一个反例的背后，往往存在测量偏差而导致其失效。

因此，对于个例陈述，例如“这只天鹅是黑的”，它应当接受和全称命题“所有天鹅都是白的”一样的严格审视。这真的是一只天鹅吗，还是长相酷似天鹅的其他物种？它真的是黑的吗，还是某种光学效果？波普尔认为，经验可以促成陈述，但不等同于陈述。

判断一个陈述（全称的或个例的）真伪本身是一个无限递归的过程，直到科学共同体在某一点上达成共识。科学理论就是在这个更新迭代的过程中不断提出更容易被反例挑战的并且经受住个例的理论陈述。

一个科学理论的力量，并不在于它给出的预测有多大概率是正确的，恰恰相反，在于它多有可能出错。

想象这样的场景：你和朋友在咖啡厅喝咖啡，朋友说：“我有一项特别的能力，能告诉你下一个进门的人是什么样的。”你不信，朋友说：“下一个进门的是一位女性。”果然如此。

你略感惊讶，不过猜想可能是朋友运气好罢了，毕竟这个咖啡厅里女性顾客居多。朋友看你将信将疑，又说：“下一个进门的是一位背着双肩包的戴眼镜的男性。”又猜对了。此时，你开始相信朋友真的有这个能力，但你还是怀有侥幸：咖啡馆附近有一个理工院校，像这样装扮的男生很常见，或许又是猜的呢。

朋友再次预言：“下一个进门的是一个头发花白、精神矍铄的老先生，一米七左右，带着墨镜，黑色哈瓦那帽，拄着一根银色拐杖。”当你目睹下一个进门的人时，彻底拜服了。

朋友的理论之所以显得有力，在于预言每次都被应验了吗？如果朋友每次仅仅预言：“下一次进门的，是一个人。”虽然这个预言100% 正确，却毫无价值。预言的力量，在于它排除了多少其他可能后仍然正确，在于它提供了多少信息熵。

值得注意的是，科学追求全称命题，并不代表科学中不允许不确定性。例如，不确定性是量子力学的内禀属性，会作出这样的预测：“一个粒子有 30% 的概率在这里，有 70% 的概率在那里”。这听上去是一个不可证伪的判断——无论某个粒子最后出现在哪里，都不违背预测。但是，如果我做足够多次实验，就可以验证 30% -70% 的概率分布是否准确。此外，我们还可以设计出更复杂的实验（例如贝尔实验），来甄别这种概率究竟是内禀概率，还是伪装在隐参数之外的概率。

以上关于操作定义和可证伪性的论述流行于二十世纪二十至五十年代，即前文提到的逻辑实证主义运动。它的兴起与相对论和量子力学的出现有着紧密联系，而且确实可以为许多科学与非科学的争辩提供清晰简洁的评判标准。但是它所刻画的科学理论过于刻板僵化，有严重的逻辑谬误，也并没有在科学共同体中被教条地遵守，于是从二十世纪中叶开始收到挑战而逐渐式微。

美国分析哲学家蒯因（Willard Van Orman Quine）在 1951 年发表了《经验主义的两个教条》，批判了逻辑实证主义的两个基础论点：分析命题与综合命题有本质区别；一切有意义的命题最终可以通过逻辑还原到经验，进而被证实或证伪。

在第二条批判里，蒯因指出：一切理论都是由概念编织而成的网络，它作为一个整体指向经验，人们无法通过任何经验仅仅判断其中一条特定的陈述而不影响其他陈述，所以逻辑实证主义的证实或证伪原则在实际操作中是完全无效的。

举个例子：平时每天都正常工作的电子密码锁，今天突然打不开了。那这究竟证伪了哪个理论呢？可能是你的记忆出现了偏差，记错了密码；或者是密码锁没电了，无法响应按键；可能是密码锁存储出了问题，丢失了正确密码；或者锁芯卡住了，尽管密码正确但无法打开；甚至可能锁已经打开了，但显示屏错误地显示密码不正确。

更极端的可能是描述电路运作原理的麦克斯韦方程组的问题，它只在大部分情况下和现实相符，而你碰到了千年一遇的反例。这个例子说明，“电子密码锁正常工作”的这个论断实际上需要一系列理论的支持，甚至可以回溯到整个物理学的基础理论。

那么，“无法打开密码锁”这条经验，它将证伪其中某一环，还是将这个盘根错节的理论体系全盘否定？当然，你可以不断重复新的实验来逐条验证某个假说是否正确，但针对任何一次尝试，我们总是可以找到一种可能性，来保全某条理论陈述而嫁祸于其他理论陈述，于是“经验证伪理论”实际上是完全无效的，除非你推翻的是整个理论大厦。

再举一个物理学中的例子。我们知道，按牛顿力学，太阳系的行星以椭圆轨道绕太阳公转。如果只有一个行星，它的轨迹是固定的；但是，如果附近有其他行星影响，行星轨道本身会漂移。

1821年，法国天文学家布瓦尔（Alexis Bouvard）根据当时的观测和计算发表了天王星的轨道表（当时天王星是人们了解到的离太阳最远的行星），但在随后观测到天王星的近日点发生了不符合预期的进动。当时，人们普遍相信这种误差来自一颗尚未被发现的新行星的干扰。

二十多年后，法国的两位数学家和天文学家，亚当斯（JohnCouch Adams）和勒威耶（Urbain Le Verrier）各自独立地根据万有引力公式计算出那颗神秘的第八颗行星，在计算结果的引导下，海王星很快被观测到。

类似的场景在 1859 年很快重现。当时，人们已经观测到水星的公转轨道在缓慢旋转，表现为轨道中最靠近太阳的点（即“近日点”）每过一个周期会向前漂移一端距离，称为“进动”。但是，人们通过周围行星计算出的水星近日点进动速度与观测不符。有了天王星的成功经验，勒威耶非常自信这种偏差背后是一颗尚未发现的行星，他称之为“火神星”。

但是，人们始终无法找到这颗神秘的行星。直到 1915 年爱因斯坦发表广义相对论，人们通过新理论计算出更符合观测的进动速度，才放弃寻找火神星。尽管水星近日点进动速度的偏差在当时没有导致牛顿力学被推翻，但是在广义相对论出现后立刻成为后者的有力佐证，也可以说证伪了牛顿引力理论。

按“证伪原则”，两个案例都推翻了万有引力理论体系。只不过，前者推翻的不是“万有引力定律”本身，而仅仅是“太阳系中只有七个行星”这个相对不那么重要的辅助陈述；而且当发现了海王星后，人们对万有引力定律这条核心陈述更深信不疑。

相比之下，后者推翻的是万有引力定律本身，代之以更准确的广义相对论。但这是非常事后诸葛亮的分析。如果你是十九世纪的勒威耶，你有能力作出这种区分吗？火神星假说并不必海王星荒谬，选择质疑行星构成自然比质疑万有引力定律合理得多。

但是，逻辑实证主义在实践层面是完全失效的，它只能告诉我万有引力理论作为一个整体被证伪了，却无法指导我如何解决矛盾，寻找新的理论。

将观测作为理论的唯一准则是本末倒置的科学实践。如果将一切理论都从观测中排除出去，我们只能退化到依赖肉眼所见、亲耳所闻的原初经验阶段。然而物理学的发展，是由日益成熟的观测技术所支撑的，观测技术背后是已被广泛接受的理论。

理论决定我们观测什么，而不是反过来。这种关系的极致体现就是基本单位的定义。《自然单位》介绍了物理常数与基本单位的关系。在 2019 年生效的最新国际单位标准里，真空中的光速、普朗克常数、玻尔兹曼常数、单位电子电荷等物理常数被用来定义基本单位，这意味着它们背后的理论已经被定义为正确，指导观测行为。这种做法与观测优先原则显然相悖。

在许多逻辑实证主义者看来，科学理论仅仅是对经验的数学描述，和真实世界没有关系。它能做的，仅仅是为下一次观测提供经验，并且在证实和证伪的过程中不断修正理论，让它在下一次表现得更好。

因此，一切科学概念都应当为观测服务，一切无法被观测到的概念都应该从理论中去除出去；当两个理论所作出的预测完全一样时，它们不仅在数学上是等价的，它们实际上是同一个理论。

但事实显然并非如此。物理学在不同发展阶段都充斥着大量无法被观测到的概念：原子、电子、以太、黑洞、反物质、暗物质、多重宇宙、夸克、超弦……它们有些成为今天物理学的核心概念，有些被历史所淘汰，但都不是因为“无法被观测”而失去了存在的价值。即使有些概念看似永远无法被观测（例如多重宇宙），它也在观念上指导着理论的发展，而不是毫无意义的哲学争辩。

蒯因对逻辑实证主义的批判深刻影响了美国科学史家和科学哲学家库恩（Thomas Kuhn），启发了后者从历史学和人类学视角探讨科学研究行为。科学，归根到底，是由一群科学家组成的科学共同体的行为总和。所以，与其站在科学家视角去评判科学，不如跳出来，从人类学视角去评判科学家，看看他们在科学发展的关键节点上，扮演了什么样的角色。

库恩在他的名著《科学革命的结构》中围绕科学发展中最动荡的阶段——科学革命，探讨了科学演变的逻辑。他将科学发展分为常规科学时期和科学革命时期。

在大部分情况下，科学发展是渐进的、积累的，人们为原有的学科框架添砖加瓦，扩充它的研究范围、解释精度、预测能力，像政权一样扩张它的疆域。在这个过程中，理论体系不可避免地会遇到挑战，例如无法解释的现象，违背预期的反例。

如波普尔所担忧的那样，如果科学理论在实际操作中严格遵循“证伪原则”，仅仅一个反例就可以让理论大厦轰然倒塌，那么科学是非常脆弱的，会被频频推翻，重起炉灶，难以成长为宏大的理论体系。所以，科学内部演化出一定的抗干扰张力，它强到足以让理论体系维持一定的弹性与韧劲，又不至于无视与日俱增的反例，固步自封。科学并不总是欢迎奇思妙想。

如果科学在既定的路线下发展顺利，那么这些新想法只会被视为没有必要的干扰。面对有限反例时，人们并不会立刻质疑理论的正确性，轻易地将大厦推倒重建。人们首先会考察实验过程是否严谨，是否由于操作不当引入了偏差；当低级错误被排除之后，人们会试图在理论内部进行调整，来接纳矛盾，化解危机。这个过程，通常是从大厦顶部开始进行修正，尽量不影响其他理论分支。

可能在大部分情况下，温和的改良就能够化解危机，理论大厦经历了一次挫折后更完整、更强大了。但有时候，人们发现，化解危机要付出美学代价，原本简洁优雅的理论不得不变得臃肿、繁琐。在更极端的情况下，反例如此顽固，无论理论如何修改，都无法自圆其说，问题出在大厦的根基。随着反例的积累，理论大厦再也不堪支撑，于是引发科学革命，大厦被推倒重建。

以《狭义相对论》介绍的迈克尔逊 - 莫雷实验为例，当人们发现无论怎么重复实验都无法测出以太相对地球的速度，于是提出各种修补理论，例如“以太拖曳说”，以太被地球拖着自转，使得以太和地面总是处于相对静止。原本简洁的静止以太模型变成一个复杂的流体问题。为了解决一个问题，带来了许多新的问题，理论变得臃肿不堪。

终于，爱因斯坦直捣经典物理大厦的基础，替换了时空测量的定义，彻底抛弃了繁琐多余的以太假设，用更简洁、同时更符合实验观测的理论征服了物理学共同体，用暴力政变的方式解决了危机，物理学完成一次革命。

库恩指出，科学理论总是依据某种框架来规范世界。人们不是在原始的时空事件序列上探讨世界，而是首先将它们纳入到理论预先规定的概念体系中，库恩称之为“范式”（paradigm）。

我们所讨论的世界，不是一张张高清仿真的照片，而是世界通过范式呈现给我们的投影，是被高度浓缩的信息结晶。当我们用质量、动量、能量来描述物体的运动，用波长、频率、振幅来描述物体的颜色和亮度时，都已经预设了它们背后的理论。

如果你是光粒子学说的拥趸，那么“光的波长”这种称呼是不符合语法的。教科书、操作定义、实验仪器，都是理论大厦的基石。科学革命的核心是范式切换，新旧范式是不可通约的，原来的语言不适用了，世界向我们投影的角度变了，新的课题取代了旧的课题。随着新政权的确立，新一轮的常规科学开始发展，直到遇到下一次科学危机。

逻辑实证主义的式微伴随着科学实在论（scientific realism）的兴起。后者认为：科学研究的是一个客观存在的、与意志行为无关的世界实体，科学理论是对这个实体的确切描述，至少是一种描述的尝试——唯有如此，才能解释科学为何如此成功。

像原子、黑洞、夸克这些概念，如果仅仅是一种抽象的数学构建而与真实世界毫无关联，那么基于它们的理论能如此精确地预测现象，实在是太不可思议了；更不要说有大量像希格斯玻色子、引力波等在提出后几十年被发现的概念。

当然，这并不意味着历史上出现过的所有概念都是真实的（如以太），而是指物理学的发展是越来越贴近真实世界的过程，物理概念也越来越准确地描述物理实体。

另外，如蒯因所论述的，我们无法真正区分经验描述和理论描述，也无法区分可观测的概念和不可观测的概念，因此我们的理论只能作为一个整体来看待。而这个整体，不以观测为界的话，只能对应一个更广阔的、不依赖于观测者的实体，即世界本身。

关于逻辑实证主义和科学实在论的讨论就聊到这里，下面聊聊科学的另一个重要方法：实验。很多人将实验视作科学的必要条件。确实，现代科学的大部分研究工作都在实验室里进行，即使是像心理学、社会学等学科，面临的对象是个人或群体这样的复杂对象，科学家也会设计出一些符合科学伦理的实验。

然而，有许多学科只能依赖观察，而无法进行实验，比如宇宙学、天文学、地质学等。无法做实验并不代表不能做出预测。比如《广义相对论》一章中提到的日全食观测，和最近发现的引力波，都是通过观测验证了广义相对论的预言。观测，可以视作被动的实验。

那些依赖实验的科学，都要遵循严格的实验规范。实验，必须是可重复的，即在同样的环境、设备、操作流程下，不论是谁，在什么时间、什么地点去做实验，应该得到足够接近的结果。

注意：我说“足够接近”，而不是“完全一样”，是因为再精确的实验环境也难免有微小的差别，更何况有些学科（比如心理学），它们的研究对象本质上是独一无二的，不可能完全重复。此外，测量的仪器本身也有精度限制，会带来测量误差。所有这些因素都会必须纳入实验的不确定性之中，实验结果以统计陈述呈现出来。

比如，我们不会说：地球的质量是 5.9722 × 1024kg，而会说：地球的质量有68% 的可能落在 5.9716 × 1024kg 到 5.9728 × 1024kg 之间。相应地，两次实验得到的结论是否接近，也由统计值来表示。至于多大的概率算是一个“显著”的实验结果，依赖于科学共同体的约定。

有些实验的对象比较复杂，会在实验过程中产生影响结果的反馈机制，比如著名的“安慰剂效应”。美国的麻醉师、医学伦理学家毕阙（Henry K. Beecher）在 1955 年发表了一篇题为《强大的安慰剂》的重要论文，明确指出大脑对药物的预期会产生显著的生理效果。

换句话说，如果一个病人吃的不是药片，而是长得和药片一样的糖片，当病人以为是药片时，他 / 她的健康状况可能会获得一定程度的改善。所以，在测试药效时，需要排除这种预期带来的效应，专注于测量药物本身的疗效。

单盲实验可以解决这个问题：将病人随机分成两组，给其中一组真药，给另一组外观和药完全一样的糖片，病人全程不知道自己在哪个组，然后比对效果。但是，研究者发现，如果分配药的实验员知道病人吃的是真药还是安慰剂，他 / 她的反应可能会被试验对象捕捉到，影响结果，所以，更好的方案是将药随机分为两组，记录下哪个药是真药 / 安慰剂，但是分配药的实验员本身不知情，他 / 她也是“盲”的——这种方法成为双盲实验。毕阙在他的论文中首次强调了双盲实验的重要性，现在它已成为药物临床实验的标准操作。

物理学总是在追求简洁、优雅、美、统一的理论。有些顶级的物理学家（如爱因斯坦、杨振宁）甚至相信：美的理论更有可能是正确的。但是，美学价值并不是科学理论是否正确的标准，观测和实验仍然是唯一的准则。

当今的物理理论呈现出非常强的对称性，但是仍然有一些打破对称的地方，例如弱作用宇称不守恒，电弱统一作用的混合角，正反粒子不对称，基本粒子的质量等等。对于美的追求让物理学家对这些“瑕疵”感到不满，试图找到背后更深层的对称理论和对称性破缺的机制。

如果科学仅仅是对某个客观真理的探索，那么科学家的目的仅仅是找到这个理论，而不应当掺杂进自己的审美倾向，这样做只会添加不必要的限制条件，甚至在寻宝旅程上走向歧途。

科学的边界，还体现在它选择解释什么，不解释什么，而这个边界随着科学的演化而迁移。比如，面对地球绕太阳公转这件事，我们很自然地将牛顿第二定律和万有引力公式视为解释的终点。

我们似乎认为以下事情是不需要解释的：地球为什么会出现在这个位置，而不是金星所处的位置？为什么地球椭圆轨道的偏心率是这个值，而不是别的值？为什么地球自转轴和公转平面呈这个夹角，而不是平行或者垂直？这些问题看起来是由偶然因素决定的，它们只是恰好如此而已。

如果它们变成别的值，既不违背基础理论，也不影响我们对宇宙的理解（当然，如果地球轨道不是今天这个样子，很有可能就没有人类了，也就无所谓“人类对宇宙的理解”）。但解释的边界并不是静态的：柏拉图相信几何代表着完美的秩序，行星轨道是按着正多面体的结构排布的。

开普勒受其启发，尝试用五种正多面体和球形互相内接嵌套的模式来解释太阳系各大行星的轨道（见图 10 - 1），直到发现了开普勒三定律后将其抛弃。开普勒三定律当然不能解释正多面体宇宙模型尝试解释的轨道位置，但人们欣然接受了这种解释，毫不为解释范围的萎缩而苦恼。

或许因为我们在宇宙中看到了太多其他参数的组合，相比之下地日公转的参数没有那么特别，于是我们心安理得地把这些问题抛给了无须解释的“偶然”。但是，如果我们把视野放大到只发生过一次的宇宙历史，解释的边界就不是那么清晰。

构成科学理论的，除了公式（例如广义相对论，薛定谔方程），还有参数（例如引力常量，普朗克常数）。如果物理常数的数量多于物理单位的数量，那么在选择某些常数构造自然单位之后，仍然剩余一些无量纲常数。针对这些常数，我们面临的问题是：“‘这些常数为什么是这些值’这个问题，是否需要解释？”

这句话很拗口，我们举一些具体的例子。物理学中有一类问题称为“微调问题”，它们试图解释：宇宙之所以成为今天这个样子，依赖于某些物理常数极为精确地等于我们观测到的这些数字，如果它们的值稍微偏离一点，宇宙的样貌就会面目全非。物理学家们相信，这些常数等于这些数字，绝非偶然，背后一定有着某种机制，来解释它们。

今天观测到的宇宙非常平坦，这意味着宇宙中的质能密度接近于一个临界值。根据弗里德曼方程，为了确保今天宇宙的平坦程度，在宇宙大爆炸开始那一刻，质能密度偏离临界值不能超过10 - 62，不然宇宙就会极为弯曲。为什么宇宙诞生时的质能密度如此精确？如果这是一个巧合，那也太巧了。为了解决这个微调问题（以及其他微调问题），暴涨理论被提出，它提供了一个机制，使得无论宇宙诞生时质能密度是多少，经历了暴涨阶段后，它都会被调整到使得宇宙平坦的程度。有了这个机制，宇宙的现状就不那么依赖巧合了。

第二个微调问题的例子是强作用的宇称守恒，弱作用宇称不守恒。这说明：基本作用力是可以违背宇称守恒的，宇称守恒是很容易被打破的，符合宇称守恒反而是惊人的巧合。那么，问题来了：强作用为何如此精确地遵守宇称守恒？是否存在一个阻碍宇称破坏的机制？对于这个微调问题，目前尚没有一个较具说服力的理论来解释。

可见，对科学共同体来说，面对一个既定的宇宙，其中什么是被欣然接受的事实，什么是需要进一步解释的巧合，并没有一条金科玉律。解释的边界随着科学的演化不断迁移。

最后再以物理学为例，讨论不同学科的边界。第一章介绍物理学研究的是最基本的自然现象，那些相对复杂的对象，由其他学科研究，例如化学、生物学、生理学、心理学、社会学、经济学、政治学等等。不同学科之间并不总是研究不同对象，而常常是相同对象的不同层次。

例如，如果我们研究高空跳伞运动员，就会把他 /她当作一个物理对象，来研究他 / 她受到的重量、不同形态下的空气阻力。如果我们研究人摄入的营养，就会研究人和食品的化学元素。如果我们研究人的遗传特征，就会研究基因表达。如果我们研究人体机能和生命现象，就会研究人的生理构成。如果我们研究情绪、认知、人格，就会对个体进行一系列心理学实验和问卷调查。

我们说，不同学科研究的是人的不同层面，而不是不同方面，是因为我们相信这些学科之间存在“还原链”。人的心理活动，归根到底由一系列复杂的生理反应构成；生理机能，由大量细胞的交互决定；细胞的行为，由大分子的化学反应决定；而一切化学反应，归根到底是分子与原子之间的复杂作用。

但是，正如《热》中所解释的逻辑，我们不可能通过尽数所有气体粒子的轨迹来描述气体的宏观现象，必须用更精简的、更高层次的物理概念来描述。同样的，即使我们知道化学反应本质上是所有构成反应物的基本粒子量子态的演化过程，但想要从薛定谔方程来推演化学过程，计算量大到令人绝望。

事实上，物理学家除了对静态单个氢原子的电子特性了如指掌以外，对于多粒子态的定量了解非常粗糙，更别说化学反应这种经常处于剧烈变化的多粒子量子演化行为。事实上，在物理学内部，也需要用完全不同的方法来研究凝聚相的多粒子体系（比如固体），这是凝聚态物理学的工作。

尽管了解化学反应的量子力学本质非常有用，但绝大部分化学研究工作，总体上还是使用自成一体的化学范式，而不是被当作“应用物理学”。

我们可以说“人，不过是一堆原子和分子”，这么说并没有错，但它抹杀了人的丰富层次，对于认识“人”没有任何帮助。还原方法可以帮助我们了解不同学科之间的关联，但不应当成为否认高级学科的理由。

同样的，即使我们对个人的思想、情感、认知非常了解，也不代表我们能掌握群体构成的社会行为、经济行为、政治行为，乃至整个人类文明。更何况，人比原子要千差万别得多，这种差别通过非线性的交互放大，形成庞大的复杂系统，不可能用单一框架解释所有方面。

如果我们想要认识一座城市，还原论者可能会搜集关于这座城市的一切数据：社区分布、劳动力结构、产业结构、气候、语言、大众娱乐方式等等，甚至可以细致到把每一家餐馆、每一个公司的日常行为都详细记录下来。

但是，如果不是亲身经历这座城市，在这里居住、工作一段时间，没有获得关于城市气质和精神的直观体验，没有沉浸到城市的肌理，我们无法说自己了解了这座城市，而只是迷失在海量的、还原后的“基本粒子”里。

近几百年来，科学的长足进步让人类对世界的认识发生了跃迁；借助技术，人类的生活水平和改造自然的能力也大幅提升。我们今天已经很难想象没有现代科学和现代技术的生活会是什么样子。然而，科学只是人类认识世界的视角之一，却不是唯一的视角。

科学的强大，表现在它的确定性和统一图景，这同时也构成了科学至上主义的危险，因为人的思维、情感、道德、审美等科学无能为力的领域，是易变的、多元的，无法用单一的、静态的框架来限定。作为物理学家，我们可以骄傲地欣赏自己统一宇宙的功绩，但作为一个人，我们要反思科学的边界，并且透过丰富的视角，拓展世界向我们呈现的维度。

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作者是北京大学元培学院物理学、密西根大学高能理论物理博士、谷歌工程师赵智沉；囊括一生要学习的物理知识，用最生动通俗的话娓娓道来。

一套两册，从经典物理篇讲到近代物理篇：29个知识点，用简单的原理和公式解释了日常生活中的直观现象，逐渐搭建起一座物理学大厦。