作者：（英）戴维·多伊奇（David Deutsch）
出版社：人民邮电出版社
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真实世界的脉络：平行宇宙及其寓意(第2版)试读：
前言
本书阐明了一种世界观。如果这样做存在一个动机的话，那么主要是由于一连串非凡的科学发现，我们现在对于真实世界结构拥有了一些非常深刻的理论。如果我们不满足于对世界的理解仅仅流于表面，那么就必须通过这些理论和推理来理解，而不是通过先入之见、标准看法，甚至轻信常识。我们最好的理论不仅比常识更加真实，而且远远比常识更有道理。我们必须认真对待它们，不仅把它们看作是各自领域的实用基础，而且把它们看作对世界的解释。我认为，如果把它们结合在一起看，而不是孤立地看，那么我们会得到最深刻的理解，因为它们本来就是难解难分的。
我们应该基于最好的、最基础的理论，形成合理的、有条理的世界观，如果这个建议会是新颖的或有争议的，那才奇怪呢。然而实际情况恰恰如此。原因之一是，如果我们认真地对待这些理论，那么它们中的每一个理论都有非常违背直觉的推断。结果是，人们想方设法回避这些推断，对这些理论做些特别修正或重新解释，或武断地缩小它们的应用领域，或者仅仅在实际中使用它们，而不从中引出更广泛的结论。我将批评其中的一些做法（我认为这些做法没有一个是可取的），但是只有当这种批评恰好便于解释这些理论本身时才这么做。因为本书主要不是为这些理论辩护，而是探讨如果这些理论是正确的话，那么真实世界的脉络应该是什么样。 第1章 万有之理
我记得在小时候，有人告诉我，一个博学之士能够知道已知的一切知识，这在古代还是可能的。我还被告知，现在人类的知识如此丰富，以至于不能想象有人能够学到全部知识的哪怕一小部分，即使他学了一辈子。这后一句话令我吃惊，也令我失望。实际上我拒绝相信它。我不知道怎样证明自己的怀疑。但是我知道，我不情愿事情如此不堪，我羡慕那些古代的学者。
并不是我想记住列在世界百科全书里的所有事实，恰恰相反，我讨厌记忆事实。我所说的知道已知一切的方式，不是指的这个意思。要是有人告诉我，现在每天的新出版物比一个人一辈子能读的还要多，或者有600000种已知的甲虫，这都不会令我失望。我压根不想跟踪每一只麻雀的踪迹，我也并不认为古代所谓“无所不知”的学者会连这种事情都知道。我的脑子里对什么才算是知道有更加清楚的概念。我所谓的“知道”是指理解。
一个人可能理解前人已经理解的一切，这看起来仍然难以置信，但比起一个人记住已知的所有事实，这已经好多了。例如，即使在行星运动这样狭窄的领域里，也没有人能背得下来所有已知的观测数据，但是很多天文学家能够在现代已知范围内充分理解行星的运动。这是因为理解并不依赖于知道大量事实，而是依赖于正确的概念、解释和理论。一个相对简单而可理解的理论可以覆盖无穷多的难以消化的事实。目前关于行星运动的最好理论是爱因斯坦的广义相对论，它于20世纪早期取代了牛顿的引力和运动理论。广义相对论不仅在理论上正确预言了所有行星运动，而且正确预言了引力的所有其他效应，经受住了最严格的测量精度的检验。一个理论“在理论上”可以预言某件事，意思是说该预言可以从这理论中按照逻辑导出，即使实际上推导出其中某些预言所需要的计算量太大，以至于技术上不可行，甚至像我们发现的，有的计算量太大，以至于在物理上都不可能在我们的宇宙中算出结果。
然而，能够预言或描述事物，不论多么精确，也和理解完全不是一回事。在物理学上，预言和描述常常表达为数学公式。假设我记住了一个公式，只要我有时间和兴趣，就可以据此算出所有记载于天文档案中的任一行星的位置。那跟直接记住那些档案数据相比，究竟有何不同？当然公式更容易记住，但从档案中查到一个数字可能比从公式中计算更容易呢！公式的真正好处是，它可以应用到档案数据以外的无穷无尽的情况中，例如预言未来的观测结果。公式也能更准确地导出行星在历史上的位置，因为档案数据含有观测误差。然而，即使公式比档案归纳了无穷无尽更多的事实，知道公式也并不等于理解行星运动。仅仅把事实总结为公式，并不能算是理解，这比把它们罗列在纸上或者记忆在脑子里强不了一星半点。只有通过解释才能理解事实。幸运的是，我们最好的理论同时包含了深刻的理解和准确的预言。例如，广义相对论通过全新的弯曲时空的四维几何语言解释了引力，它精确地解释了这种几何是如何与物质相互作用的。解释是它的全部内容，关于行星运动的预言仅仅是我们从这一解释导出的若干结果。
广义相对论的重要性并不在于它能比牛顿理论更准确一点儿预言行星运动，而在于它揭示并解释了过去不为人知的真实世界的某些侧面，例如空间和时间的弯曲。典型的科学解释就是这样。科学理论用不能被直接感觉到的深层的实在来解释我们感觉到的事物和现象。但是理论最宝贵的性质不是它能解释我们所感觉到的事物，而是它能够解释真实世界本身的构造。我们将看到，人类思想中最宝贵、最重要、也是最有用的属性之一是它有能力揭示并解释真实世界的脉络。
但是有些哲学家，甚至有些科学家蔑视解释在科学中的作用。对他们来讲，科学理论的基本目的不是解释任何事情，而是预言实验结果，即科学的全部内容就在于它的预言公式。他们认为只要理论的预言结果是对的，任何一致的解释都是一样的，没什么好坏之分，甚至有没有解释都无所谓。这种观点被称作工具主义（因为它认为理论只不过是进行预言的“工具”）。对工具主义者来说，“科学能使我们理解深层的真实世界，从而解释我们的观察结果”这种想法是谬误和自大。他们认为，除了预言实验结果以外，科学理论所说的其他一切都是空话。特别地，他们把解释仅仅看作是心理支柱，即我们加入理论中的某种虚构的东西，为的是让理论更易记、更有趣。诺贝尔奖得主、物理学家斯蒂文·温伯格曾以工具主义者的心态就爱因斯坦对引力的解释做过以下离奇的评述：“重要的是能对天文学家的摄影底片上的图像、光谱频率等做出准确预言，至于这些预言是归因于引力场对行星和光子运动的物理效应（爱因斯坦之前的物理学解释）还是归因于时空的弯曲，那并不重要。”（见《引力和宇宙论》，147页）
温伯格和其他工具主义者的观点是错误的。天文学家的摄影底片上的图像到底是怎么造成的，这非常重要，且不仅仅是对像我这样的理论物理学家重要，我们研究并形成理论的真正动机恰恰是渴望更好地理解世界。（我确信这也是温伯格的动机：驱动他的并非真的仅是预言图像和光谱！）即使在纯粹的实际应用领域中，理论的解释能力也是首要的，其预言能力仅仅是附属的。如果你对此感到惊讶，假想有一个外星科学家光顾地球，带给我们一个超高技术“神谕”，它可以预言任何可能的实验结果，但不做任何解释。对工具主义者来讲，有了这个神谕就足够了，科学理论除了让人自娱自乐以外不再有用处。但真是这样吗？神谕在实际中怎么用呢？在某种意义上，神谕含有建造星际宇宙飞船所必需的知识。但这又怎样帮助我们造一艘飞船呢？或怎样造一个同样的神谕呢？或做一个更好的捕鼠器？神谕仅仅预言实验结果。所以，为了利用它，我们必须首先知道需要问它哪些实验。如果我们给出一个宇宙飞船的设计方案，以及试验飞行的详细设计，神谕可以告诉我们飞船在试飞中会如何表现。但是它首先不会为我们设计好飞船。即使它预言我们设计的飞船将会在起飞时爆炸，它也不会告诉我们如何避免这种爆炸，仍然需要我们自己想出办法。在我们找出解决办法之前，甚至在我们能够开始改进设计之前，先不说别的，我们首先必须理解宇宙飞船应该怎样正确工作。只有这时我们才有机会发现起飞时爆炸的原因。预言，即使最完美、普适的预言，也不能代替解释。
类似地，在科学研究中，神谕不能给我们提供任何新的理论。直到我们有了一个自己的理论，并构想出一个实验来验证这一理论，我们才可能向神谕发问：用这个实验检验这个理论会发生什么结果？因此，神谕完全不能代替理论本身，它可以代替实验，节省实验室开销和运转粒子加速器的费用。不需要建造原型太空飞船，无需让试飞员去冒生命危险，我们可以在地面上完成一切实验，让宇航员坐在飞行模拟器里，由神谕的预言来控制模拟器的行为。
神谕在许多情况下会非常有用，但是它的用场总是取决于人们解决科学问题的能力，与人们现在所做的毫无二致，即设计解释性理论。神谕甚至不能代替所有实验，因为在实践中，它预言一个具体实验结果的能力，取决于描述实验的难易程度，如果不能向它准确描述实验，它就不能给出有用的答案，还不如做一个真实的实验。毕竟，神谕必须得有某种“用户接口”，也许非得用某种标准语言输入实验描述。用那种语言，有些实验比另一些实验更难描述。在实践中，许多实验的详细说明太复杂，难以输入。因此，神谕像其他任何实验数据来源一样有其优缺点，只有当咨询神谕恰好比采用其他资源更方便的时候，它才有用。换个角度说，已经有了一个这样的神谕，叫作物理世界。只要我们用正确的语言问它（也就是做实验），它就会告诉我们任何可能的实验结果，尽管有时让我们用要求的形式（即制造并操纵实验仪器）来“输入实验描述”很不现实。但是这个神谕不会给出任何解释。
在某些应用场合，如天气预报，我们也许会觉得纯粹给出预言的神谕几乎如解释性理论一样令人满意了，但前提是神谕天气预报必须是完美无缺的。在实际中，天气预报是不会完美无缺的。为了弥补这一缺陷，天气预报包含了关于预报结果的解释。有了解释，我们就可以判断预报的可靠性，并推测出与我们的位置和需求相关的进一步的预报。例如，如果今天的天气预报预测明天有风，那么其依据是预测附近区域将出现高压还是预测更远处将出现飓风，这对我来说就很不一样，如果是后者，我就会更加小心。气象学家自己也需要关于天气的解释性理论，这样他们才可以估计，在天气的计算机模拟中，哪些近似是可以放心采纳的，还需要补充哪些观测使预报更加准确及时，等等。
我们用想象的神谕概括了工具主义者的理想，即剥除了解释内容的科学理论，证明它的用处是非常有限的。幸好真正的科学理论并不像工具主义者的理想，而且现实中的科学家也并不是以这种理想为目标而工作的。
工具主义的一种极端形式称为实证主义（或逻辑实证主义），它认为除了描述和预言观察结果的陈述以外，所有其他陈述都不仅是多余的，而且是毫无意义的。尽管按照它自己的判断标准，这一学说本身就是无意义的，但是这种观点竟然曾是20世纪前半叶风靡一时的关于科学知识的理论！即使在今天，工具主义和实证主义思想仍然有市场。这种思想貌似合理的原因之一在于，尽管预言不是科学的目的，却是科学的特征方法的一部分。科学方法包括构想一个新理论来解释某一类现象，然后完成一个决定性实验检验，对这一实验，旧理论预言一个可观测的结果，而新理论预言不同的结果，人们便抛弃那个与实验结果不符的理论。因此，用决定性实验检验的结果来判定如何取舍两个理论，的确取决于哪个理论的预言更准确，而不直接取决于理论的解释。“科学理论除了预言之外没有别的内容”这一错误观念就是这样形成的。但是实验检验绝不是科学知识增长的唯一方式，绝大多数理论被抛弃是因为它们包含的解释太拙劣，而并不是因为它们没能通过实验检验，它们甚至未经检验就被抛弃了。比如有这么个理论，说吃1千克草可以治感冒。这个理论的预言是可以用实验检验的：如果人们尝试了草疗法，发现无效，那么就证明理论是错的。但是从来没有人做过这个实验，可能永远不会有人做这种实验，因为这一理论不包含任何解释——既没有说明治疗的原理，也没有说任何别的。我们当然会认为这个理论是荒谬的。总会有无数多类似这样的理论，它们与现有观测结果相吻合，而且有新的预言，我们没有时间和资源将它们一一验证。只有那些看起来有希望比现在流行的理论解释得更好的新理论，我们才会做实验验证。
认为科学理论的目的是预言，这混淆了手段和目的，就好像说宇宙飞船的目的是烧掉燃料一样。实际上，烧掉燃料仅仅是宇宙飞船为了完成其真正目的而不得不做的许多事情之一，而真正目的是将载物从太空中的一个地方运送到另一个地方。通过实验的检验仅仅是一个理论不得不做的许多事情之一，其真正的科学目的是解释世界。
正如我曾经说过的，构造解释必然会借助于一些我们不能直接观察到的东西：原子和力、恒星的内部结构和星系的旋转、过去和未来、自然法则。解释越深，需要涉及的实体离我们的直接经验就越远。但这些实体并不是虚构的，相反，它们恰是真实世界结构的一部分。
解释经常会产生预言，至少在理论上如此。的确，如果某事物在理论上是可预言的，那么充分完整的解释在理论上就一定能给出完整的预言（以及其他东西）。但许多本质上不可预言的事情也可以被解释、被理解。例如，在公平的（即无偏倚的）轮盘赌上，你不可能预言下面将出现哪些数字。但如果你理解了在轮盘赌的设计和操作中什么因素导致公平，那么就能解释为什么预言数字是不可能的。当然，仅仅知道轮盘赌是公平的，这和理解是什么因素使之公平还不是一回事。
我在讨论的是理解，而不是仅仅知道（或描述，或预言）。因为理解来自解释性理论，而且因为这样的理论所能具有的一般性，所以记录在案的事实的数量增长不一定使得理解一切变得更加困难。但是大多数人会说——正如我回忆的小时候大人告诉我的那些话——不仅仅记录在案的事实在以惊人的速度增加，而且我们赖以理解世界的理论的数目和复杂性也在以惊人的速度增长。因此（他们说），不论以前是否可能有人理解过当时人类理解的一切，现在这一定是不可能的，而且随着知识的增加，可能性越来越小。似乎每当某个学科发现了新解释或新技术时，这一学科就加入了一个新理论，任何想了解该学科的人就必须学习这一理论。而当这个学科中这样的理论太多时，专业就开始细分。例如，从物理学分出来天体物理学、热动力学、粒子物理学、量子场论以及许多其他分支。每一分支的理论框架都至少如100年前的整个物理学内容一样丰富，而且许多分支已经分出子分支。似乎我们发现得越多，就越来越不可逆转地被迫向专业化方向推进，距离古代那种无所不知、无所不晓之士的境界就越来越遥远。
面对人类理论库存大幅度地迅速增长，人们有理由怀疑：一个人再也不能像过去那样一辈子尝遍人世间所有的美味佳肴了。然而解释是一道很奇怪的菜——它越大不一定越难吞咽。一个理论可以被新理论所取代，新理论解释面更宽、更准确，却更容易理解，这样旧理论就成为多余的了。我们得到更多的理解，但需要学的东西却比以前更少了。例如哥白尼的日心说取代复杂的把地球作为宇宙中心的托勒密体系就属于这样的情况。有时新理论可以是旧理论的简化，例如阿拉伯（十进制）计数法取代罗马数字（这时理论是隐含的。每一种计数法都提供了有关数字的一些运算、陈述和思想，比其他计数法简单，因此它反映了一种理论，认为数之间的哪些关系是有用和有意义的）。有时新理论可以是两个旧理论的统一，比同时使用两个旧理论给我们提供更多的理解。法拉第和麦克斯韦将电理论和磁理论统一为电磁理论就是这样。更加间接地，任何一个学科的更好的解释将会改进我们理解其他学科时所使用的技术、概念和语言，从而我们的知识体系作为一个整体，虽然在不断增加，结构上却更加容易理解了。
诚然，即使旧理论被纳入到新理论中去，旧理论也常常不会被完全遗忘。在今天的有些场合下，罗马数字仍然在使用。虽然XIX乘以XVII等于CCCXXIII这样笨拙的方法不会再认真使用了，但毫无疑问仍然会有人（例如数学史学家）知道并且理解它们。这是否意味着，不知道罗马数字及其神秘的算术，一个人就不能理解“人类理解的一切”？并不是这样。一个现代数学家，虽然出于某种原因从没听说过罗马数字，但仍然已经完全掌握了与罗马数字有关的那部分数学。通过学习罗马数字，他并没有获得任何新的认识，仅仅获知了新的事实——一些历史事实，以及一些人为定义的符号的性质，而不是关于数本身的新知识。这就像动物学家学习将物种的名称翻译成外语，或者天体物理学家学习不同文化如何将恒星集合成星座一样。
至于为了理解历史是否有必要知道罗马数字的算术，这是另一个问题。设想有个历史理论——某个解释——依赖于古罗马人的特定乘法技术。（而不是像人们猜测的那样，古罗马人特定的自来水管道技术使用含铅的管道，污染了饮用水，导致了罗马帝国的衰败。）这时我们必须懂得这些技术才可能理解历史，从而才有可能懂得前人懂得的一切。但是实际情况是，目前的历史解释都不需要涉及乘法技术。因此在我们的记录中，这些技术仅仅是事实的陈述，不需要记住这些事实就能理解一切。必要的时候，例如当我们需要解读涉及这些罗马数字的古文献时，总可以像查字典一样查到。
在强调要把理解和“纯粹”知道区分开时，我并不是想低估记录下来的非解释性信息的价值。这部分信息当然是非常关键的，无论是对微生物的繁殖（其DNA分子就含有这样的信息）还是对最抽象的人类思维来讲，都是非常关键的。那么理解和纯粹的知道到底有什么区别？跟纯粹的事实陈述（如正确的描述或预言）相比，解释到底有什么不同？在实际中，我们通常能很容易地把这两者区分开。我们知道自己并不理解某些事，即使能准确描述和预测它（例如，已知某病的发展过程，却不知道病因），我们知道解释能帮助我们更好地理解。但要为“解释”和“理解”给出一个准确定义却很难。粗浅地说，它们是回答“为什么”，而不是回答“是什么”；它们是关于事物的内在机理的；是关于事物到底是什么，而不是表面上看像什么；是关于一定是怎么回事，而不是碰巧是怎么回事；是关于自然规律而不是经验之谈的。它们还是关于内在一致性、优雅性和简单性的，与任意性和复杂性水火不容，虽然这些个“性”同样不容易定义，但有一点是肯定的，理解是人类心智和大脑的高级功能之一，而且是最独特的。许多其他物理系统，例如动物的大脑、计算机及其他机器，可以吸收事实并按照事实来行动，但到目前为止，无一能够“理解”解释或首先想要一个解释，只有人脑例外。每发现一个新解释，每掌握一个现有解释，都依赖于创造性思维这个人类独有的本领。
想一想罗马数字是如何从解释性理论“降格”为纯粹事实描述的过程。这种“降格”随着知识的增长不断在发生。起初，罗马数字体系的确形成了概念和理论框架，人们借助它理解世界。但是现在，用那种方式获得的理解，只是博大精深的现代数学理论的一个微不足道的侧面，并隐含在现代计数法中。
这说明了“理解”的另一个属性。可能有些事情人们还没有意识到自己已经理解了，甚至还没有听说过就已经理解了。这听起来似乎自相矛盾，但是全面深入的解释的全部精要，当然就在于它既能覆盖已知情形又能覆盖未知情形。如果你是一位现代数学家，首次遇到罗马数字，你可能不会马上意识到你已经理解了罗马数字。你首先必须学习有关罗马数字的事实，然后根据你现有的对数学的理解来思考这些事实。但做完这些之后，回顾一下你就会说：“在罗马数字体系里，对我来说并没有什么新鲜的，只是纯粹的事实罢了。”罗马数字作为解释性角色已经完全过时了，说的就是这个意思。
类似地，当我说我理解时空的弯曲是怎样影响行星运动的，甚至是我从没听说过的其他太阳系里的行星的运动时，我不是声称我能不假思索地回想出关于任何行星运动轨迹的每个环路、每个摇摆的细节的解释。我的意思其实是，我理解包含所有这些解释的理论。因此，只要给定某个行星的某些事实，我就能及时地给出解释。完成之后，回顾一下我就能说：“是的，我看不出那个星球的运动除了纯粹的事实以外，还有什么没有被包含在广义相对论的解释之中。”我们是通过理解解释世界的理论来理解真实世界的脉络的。因为理论解释的比我们知道的东西更多，所以我们实际理解的比我们知道自己理解的东西要多。
我并没有说，理解了一个理论，就必然理解了这个理论所能解释的一切。对一个很深奥的理论来讲，认识到它能解释某个现象，这本身就可以是一项重大发现，需要独立解释。例如，类星体是位于某些星系中心的强烈光源，长久以来是天体物理学中的一个神秘现象。人们曾经认为需要新的物理学理论才能解释这类现象，但是现在我们认为，用广义相对论和其他早在发现类星体现象之前就有的理论就能解释这一现象。现在认为类星体是由正在滑向黑洞的热物质构成的。（黑洞是坍缩的恒星，其引力之大以致任何东西都无法从中逃逸。）但是得出这一结论需要多年的观察和理论研究。现在我们相信对类星体已经有了一定程度的理解，但我们不认为以前就拥有这种理解。虽然是通过旧有理论来解释类星体，但是我们仍然得到了真正新颖的理解。正如很难定义什么是解释一样，很难定义什么时候辅助解释应该算作理解的独立成分，什么时候应该被看作包含在更深刻的理论之中。虽然很难下定义，但是并不难识别：正如一般的解释一样，实际中给我们一个解释，我们就能知道是不是新解释。这种差别和创造性有关。在已经理解了关于引力的一般解释的情况下，解释某个具体行星的运动轨迹就是一项机械活动了，虽然过程可能很复杂。但利用已知理论解释类星体现象，却需要创造性思维。因此，要理解今天天体物理学的一切，就必须明确地掌握类星体理论，但并不必须知道所有具体行星的运行轨迹。
虽然我们已知的理论像滚雪球一样越积越多，正如记录在案的事实一样，但理论整体架构并不一定比过去更难理解。虽然具体理论越来越多，越来越细致，但是它们也在不断地被“降格”，因为它们所包含的理解不断地被更深刻、更一般性的理论所取代，而后者变得更少。这里“更一般”的意思是说，相对于过去若干彼此无关的旧理论，每一个新理论的内容更多，适用范围更广。“更深刻”的意思是说，相对于那些旧理论的总和，每一个新理论解释得更多，体现出更多的理解。
几个世纪以前，如果你想盖一座大型建筑，如桥梁或者教堂，你就得雇一位总建筑师。他必须有这样的知识：怎样以最少的开销和工作量使建筑结构具有足够的强度和稳定性。他不需要像今天这样借助数学和物理语言来表达这些知识，而主要依赖于一连串直觉、习惯和经验的复杂组合。这是他在当徒弟时从师傅那里学来的，可能后来又补充以猜测和长期经验。即使这样，这些直觉、习惯和经验之谈，无论是明确表达的还是隐含的，在效果上和理论一样，包含有我们今天称为工程学和建筑学的真正知识。那位总建筑师因为拥有这些理论中的知识，你才愿意雇他，虽然和我们今天的知识相比，他的知识不准确，应用面也很窄。在赞美有几百年历史的建筑时，人们常常会忘记眼前所见的建筑仅仅是幸存下来的。绝大多数中世纪及更早期的建筑早就倒塌了，常常刚盖好不久就倒了，那些有创意的建筑更是如此。当然了，创新肯定会冒灾难性的风险，建筑师们很少会偏离行之有效的、久经考验的设计和技术路线。今天情况完全不同了，任何建筑很少因为设计上的失误而倒塌，即使是以前从未出现过的建筑。古代建筑师能盖的任何建筑，现代建筑师也能盖，而且盖得更好更省劲。现代建筑师还能盖古代建筑师做梦都没想过的建筑，如摩天大楼和太空站；所用材料也是古代建筑师从没听说过的，如玻璃纤维、钢筋混凝土。即使把这些材料给古代建筑师，他也不知道怎么用，因为他对材料功能的理解非常匮乏，很不准确。
要取得我们当前的知识体系的进步，靠积累更多的古建筑师所知的那种理论是不行的。现在人类的知识，不论是明确表达的还是隐含的，不仅比古人的更广博，而且结构也大不相同。正如我曾经说过的，现代理论更少、更一般、更深刻。古建筑师在建造他的能力范围以内的建筑时，对于所面临的每一种情况，比如在决定承重墙的厚度时，他都有相当具体的直觉或经验，但是如果应用于新的情况，则可能会给出完全错误的答案。而今天人们根据理论推导出解决方案，这个理论充分适用于任何材料砌的墙，适用于各种环境：不管是在月球上、在水下还是在任何其他地方。为什么现代理论这么一般化？那是因为它是基于材料和结构功能的深层次解释。要计算出用陌生材料砌成的墙的正确厚度，所采用的理论跟其他任何墙毫无二致，只是假设不同的事实开始计算，各个参数代入不同的数值。人们必须查出这些事实，如材料的张力强度和弹性系数，但不需要额外的理解。
因此，尽管现代建筑师比古建筑师懂得更多，但并不需要更加长期艰苦的训练。当代学生的课程表上的一个典型理论可能比任何古建筑师的经验之谈更难理解，但现代理论数量少得多，而且其解释能力使它们具有另外的性质，如美、内在逻辑以及它们和其他学科的联系，这使得它们更容易学习。古人的经验之谈在今天看来有些是错误的，有些是正确的或者接近于真理，而且我们知道为何如此。少数经验还在使用中，但人们已经不再根据这些经验来理解建筑物矗立起来的原因了。
我当然不否认许多学科知识正在膨胀，呈现不断专业化的趋势，包括建筑学。但这并非单向过程，因为专业同时也在消失：轮子不再由车匠设计制造，犁耙不再由犁匠设计制造，信也不再由书记员写了。但是很明显，我在前面描述的深化、统一的趋势并不是唯一的趋势：向宽度扩展的趋势同时也在发生，即新概念不仅仅代替、简化或统一了旧概念，同时也将人类理解延伸到以前从来没有涉足过的领域，或从没想到过其存在的领域。新概念可以开创新的机会，提出新的问题，产生新专业甚至新学科。这时为了理解全貌，我们发现自己必须要学更多的知识（至少是暂时地）。
医学也许是最经常举的例子。医学知识不断增长，新药和新疗法不断涌现，一个又一个的疾病被攻克，医学专业划分不可避免地越来越细。但即使在医学领域，相反的趋势，即统一的趋势仍然存在，而且与日俱增。诚然，对于很多人体机能、疾病机理，人类至今了解甚微。因此，医学知识的某些领域仍然主要由一大堆记录在案的事实组成，加上对某些疾病和疗法有经验的医生的技巧和直觉，这些技巧和直觉一代又一代地传下去。也就是说，医学领域的很多内容仍然停留在经验主义时代，当发现新的经验时，就有更强烈的专业化趋势。但随着医学和生物化学研究对人体疾病过程（以及健康过程）有了更深的解释，理解也在增加。随着人体不同部位的不同疾病被发现有同样的内在分子机理，更普遍的概念逐渐代替了更具体的概念。一旦对某种疾病的理解可以纳入更普遍的框架，专家的作用就消失了。医生遇到自己不熟悉的疾病或罕见的并发症时，可以越来越多地依赖于解释性理论。他们可以查阅已知事实，然后将一般性理论应用于具体问题，研究出治疗方案，尽管以前从没用过这一方案，但仍然可以预料方案的成效。
所以，理解前人已经理解的一切，这件事究竟是更容易还是更难了，这取决于知识增长的两个对立效果之间的总体平衡：理论的日益宽广和日益深入。广度使之更难，深度使之容易。本书的一个主题是深度最终能战胜广度，虽然缓慢，但是无疑的。换言之，我小时候不愿意接受的那个命题的确是错误的。而实际上，其反面才是正确的。我们正在向一个人可以理解前人理解的一切的方向挺进，而不是远离这个方向。
这并不是说我们很快就能理解一切，那完全是另一个问题。我不相信我们现在或将来就能逼近理解存在的一切。我现在讨论的是理解前人理解的一切的可能性问题。这更多地取决于知识的结构，而不是知识的内容。当然，我们的知识结构——不论能否用理论表达并组合成为一个可理解的整体——的确取决于真实世界结构作为一个整体是个什么样子。如果知识的增长永无止境，而我们仍然能够向着一人通晓前人理解的一切的境界趋近，那么我们的理论深度的增长就必须足够快，使之成为可能。只有当真实世界结构本身是高度统一的，从而随着知识的增加，我们对世界的理解越来越多时，这种情况才会发生。如果发生这种情况，那么最终我们的理论将会非常普遍，非常深入，彼此紧密结合，最终成为关于统一的真实世界结构的单一理论。这一理论仍然不能解释现实的所有方面，那是不可能的。但它可以包容所有已知解释，在其理解范围内，应用于现实的整体结构。过去的理论都是有关具体学科的，而这一新理论将是关于所有学科的，即万有之理。
当然这仅仅是第一个，而不是最后一个这样的理论。科学上认为即使最好的理论也注定在某些方面是不完美的，有毛病的，希望将来能被更深刻、更准确的理论所取代。这一进程不会因为我们发现了普适理论而停止。例如，牛顿给予我们第一个关于引力的普适理论，统一了天上力学和地上力学（及其他贡献）。但牛顿理论又被爱因斯坦的广义相对论所取代，后者还将几何学（过去被认为是数学的分支）纳入物理学，如此给出的解释就更深刻、更准确了。第一个完全统一的理论，我称之为万有之理，将和它前后的所有理论一样，既不会无懈可击，也不会深不可测，最终仍然会被取代。但它并不会通过和其他学科理论相结合而被取代，因为它已经是关于一切学科的理论了。历史上，一些伟大科学进步是通过理论的大统一而实现的，另一些则是通过理解某一学科的方式发生结构调整而实现的，例如我们不再认为地球是宇宙的中心。有了第一个“万有之理”之后，将不会再有大统一。随后的伟大发现都将导致我们对世界的整体看法的改变，即世界观的转变。成就“万有之理”将是最后的大统一，同时也是迈向新世界观的第一次全盘的转变。我认为这样的大统一和大转变正在进行中，与其相关的世界观就是本书的主题。
这里我必须强调，我所指的并不仅仅是某些粒子物理学家所希望很快发现的“大统一理论”。他们的“大统一理论”是指将物理学已知的所有基本力——引力、电磁力和核力——统一为一个理论，这一理论还将描述各种存在的亚原子粒子，它们的质量、自旋、电荷及其他性质，以及它们的相互作用方式。任何一个孤立物理系统，只要初始状态能够被充分准确地描述，原则上这一理论就能预期系统未来的状态。当系统的准确状态本质上不可预期时，它能描述所有可能的状态，并预期它们发生的概率。在实际中，所关注的系统的初始状态往往不能完全准确地确定，而且计算预言也太复杂，以至于除了几种最简单的情况之外，其他情况都不可能计算出结果。尽管如此，这样的粒子和力的统一理论，加上宇宙在大爆炸（宇宙起源那一瞬间的巨大爆炸）时初始状态的严格描述，原则上包含了所有必要的信息，足以预言一切可以预言的事物（见图1-1）。图1-1 关于“万有之理”的不充分构想
但预言并不等于解释。物理学家所希望的“大统一理论”，即使加上了初始状态理论，也最多能给出真正的万有之理的一个很小的侧面。它也许（原则上）能预言一切，但不能指望它比现有理论解释得更多，除了由亚原子相互作用所支配的少数几个现象，如粒子加速器中的碰撞，以及宇宙大爆炸中稍纵即逝的粒子嬗变历史。是什么促成把“大统一理论”这个词用于这样狭隘的（虽然是迷人的）知识领域？我觉得原因在于对科学的本质存在另一个错误的观点，即科学本质上是还原主义，许多科学评论家对此持否定观点，而许多科学家却持赞成观点（不可思议）。就是说，科学被认为是通过将事物分解为部分而还原式地解释事物的。例如，穿透或者推倒一堵墙所遇到的阻力可以这样解释：把墙看成相互作用的分子的巨大聚积体。这些分子的性质又可以用更小的组成成分——原子及原子间相互作用来解释，这样一层层分解下去，直到最小粒子和最基本的力。还原论者认为，所有的科学解释，也许所有充分深刻的解释，都采用这种形式。
还原主义者的观念自然导致学科和理论按照层级划分，根据它们距离已知的“最底层”的预言性理论的远近来进行分类。在这一层次结构中，逻辑和数学形成一个稳固的基础，科学大厦构筑于其上。基石是还原的“大统一理论”，即关于粒子、力、空间和时间的普适理论，加上关于宇宙初始状态的理论。物理学的其他部分形成最低的几层，天体物理学和化学在其上一层，地质学处于更高层，等等。科学大厦分支出一节高出一节的塔，形成层级越来越高的学科，如生物化学、生物学、遗传学；在高耸如云的顶端摇摇晃晃的是进化论、经济学、心理学和计算机科学一类的学科。在这样的图景下，这些学科的诞生几乎不可思议。
目前，我们只有还原的“大统一理论”的近似理论，它们已经可以相当准确地预言个别亚原子粒子的运动规律。根据这些规律，只要给定初始状态，目前的计算机就能够比较详细地计算出由少量相互作用的粒子组成的孤立的粒子群的运动。但是肉眼可见的最小块物质也含有数万亿个原子，每个原子都由许多亚原子组成，而且还在不断和外部世界相互作用。因此，逐个地预言粒子的行为很不现实。通过用各种近似方案对准确的运动规律加以补充，我们可以预言某些相当大尺度物体的总体行为的某些方面，例如化合物的熔点和沸点。许多基础化学就这样被还原成为物理。但对更高层的科学来讲，还原主义者的纲领仅仅是一个理论而已。没有人真正想将生物学、心理学或政治学的原理从物理学原理中演绎出来。高层级学科之所以能够被研究，就是因为在特殊情况下，大量粒子的复杂行为本身会归结为一定程度的简单性和可理解性。这一性质称为凸现性（emergence）：高层级的简单性从低层级的复杂性中“凸现”出来。某些高层级现象的容易理解的事实不能简单地从低层级理论推导出来，这种高层级现象称为凸现现象。例如，一堵墙必须结实，因为修建者害怕敌人试图冲破这堵墙打进来。这是关于这堵墙强度的高层级解释，它不能从上文提到的低层级解释中推导出来（虽然和低层级解释是相容的）。“修建者”“敌人”“害怕”和“试图”全是凸现现象。高层级科学的目标是使我们理解凸现现象，其中最重要的是生命、思维以及计算，后面我们将逐个讨论到。
顺便指出，作为还原主义的对立面，整体主义——认为只有用高层级系统的概念陈述的解释才是合理的——是比还原主义还要错误的观点。整体主义者希望我们怎么样呢？停止在分子层面上研究病因吗？否认人类是由亚原子粒子组成的吗？如果存在还原主义解释，那么这种解释和其他解释一样值得期待；如果整个科学可以还原为低层级科学，那么我们作为科学家同样有义不容辞的责任去寻找那种还原，正如我们有责任发现其他任何知识一样。
还原主义者认为，科学就是把事物分解为组成部分。工具主义者认为，科学就是预言事物。对这两者来说，高层级科学的存在仅仅是为了方便性。我们无法根据基础物理学对高层级现象进行预言是因为其复杂性。跟对预言的瞎猜瞎撞相比，凸现性给了我们成功预言的机会——想必这就是高层级科学的作用。所以，对于忽视科学知识的真实结构和真实目的的还原主义者和工具主义者来说，预言性的物理学层次结构的基础部分，根据定义，就是“万有之理”。但对其他人来说，科学知识由解释组成，科学解释的结构并不反映还原主义的层级结构。每一层级都有自己的解释。许多解释都是自主的，仅仅引用本层级的概念（例如，熊把蜂蜜吃了，因为它饿了）。许多解释涉及的推导与还原论的解释方向恰恰相反，即不是将事物分解成更小、更简单的事物来解释，而是将它们看成某个更大、更复杂事物的组成部分。对后者我们却有解释性理论。例如，伦敦议会广场有一尊丘吉尔铜像，我们来考虑其鼻尖上的那一个铜原子，下面让我来试着解释为什么这个铜原子会在那儿。因为丘吉尔曾经是广场附近的英国国会下议院的首相，他的思想和领袖作用对第二次世界大战盟军的胜利有很大贡献；人们通常会用建造雕像的方式对这样的人物表示敬意；青铜是建造雕像的传统材料，而青铜是由铜原子组成的，等等。这样我们就用思想、领袖、战争和传统这样一些凸现现象语言陈述的高层级理论解释了一个低层级的物理现象——铜原子为什么出现在某个具体位置上。
对于那个铜原子的出现，即使在理论上也没有理由存在一种比我刚才给出的解释更低层级的解释。假设有一个还原论的“万有之理”，在给定（例如）太阳系某一早期的状态以后，能够从理论上对这尊铜像存在的概率做出低层级的预言，它也能够在理论上描述该铜像是怎样到达那里的。然而这样的描述和预测（当然是根本办不到的）什么也解释不了。它们仅仅描述了每一个铜原子从铜矿到熔炉，再到雕刻家的工作室等的轨迹，它们也能描述那些轨迹怎样受到周围原子（例如那些矿工和雕刻家躯体里的原子）施加的力的影响，从而预言该铜像的存在性和形状。实际上，这样的预言将不得不涉及遍布地球各处的原子，这些原子卷入巨复杂的运动，其中有我们的第二次世界大战。但是即使你拥有超人的能力，真的能弄明白关于铜原子为什么出现在那里的这个冗长的预言，你仍然不能说：“啊，是的，现在我理解了为什么这个原子会在那里了。”你仅仅知道，给定所有原子的初始状态和物理定律，它以那样的方式到达那里是必然的（或者可能的，或者什么别的）。如果你想要理解为什么，则你除了进一步探索以外，别无选择。你不得不搞清楚那些原子的分布和那些轨迹都是什么样，是什么使它们倾向于把一个铜原子放在这个位置上。进行这些调查将是一项创造性的任务，正如发现新的解释一样。你必须去发现，一定的原子分布导致某类凸现现象（如领袖和战争），它们的彼此关系通过高层级的理论来解释。只有当你知道那些理论之后，你才完全理解为什么那个铜原子偏偏在那里。
在还原主义者的世界观中，支配亚原子粒子之间相互作用的定律是最为重要的，因为它们是整个知识层次结构的基础。但是在科学知识的真实结构中，以及在我们的一般性知识的结构中，这种定律的地位谦卑得多。
那种地位是什么呢？在我看来，现在已经提出的作为“大统一理论”的候选理论中，没有一个是在解释方式上有重大创新的。也许从解释的角度最有希望创新的是超弦理论。在这一理论中，物质的最基本构件是“弦”，这是一种细长的东西，而不是圆点状的粒子。但没有一种方法给出完全新颖的解释，像爱因斯坦用弯曲的时空解释万有引力那样新颖的解释。实际上，“万有之理”的全部解释结构——它的物理概念、语言、数学公式以及解释形式——都是从现有的电磁理论、核力理论和引力理论中继承下来的。因此，我们可以从现有理论中已知的这个基础结构出发，去寻找基础物理学对我们总体理解的贡献。
物理学中有两个理论比其他理论深刻得多。一个是广义相对论，如前文中提到的，它是关于空间、时间和引力的最好的理论。另一个是量子理论，它甚至更为深刻。在这二者之间，这两个理论（而不是任何已有的或目前构想中的亚原子粒子理论）提供了细致的解释和形式化框架，所有其他现代物理理论都在这一框架中表达，而且这两个理论包含所有其他理论都必须遵循的贯穿一切的物理原则。是否能找到一个统一理论——量子引力理论——将这两个理论合而为一？几十年来理论物理学家们一直孜孜以求之。如果成功了，那么它必然会成为“万有之理”的组成部分，不论是狭义的还是广义的。在下一章我们将会看到，量子理论同相对论一样给出了关于物理实在的革命性的、新颖的解释。为什么量子理论在这二者中更为深刻？原因并不在物理学内部，而是在物理学外部。因为它的枝丫影响异常宽广，已经远远伸展到物理学以外，甚至伸展到通常意义下的自然科学以外。我们目前关于真实世界结构的理解是由四大理论组成的，量子理论就是其中之一。
在讲另外三大理论之前，我必须提到还原论者对科学知识结构的另一个错误描绘。还原论者不仅认为解释就是将系统分解成为更小、更简单的组成部分，而且还认为所有解释总是用前面发生的事件说明后面发生的事件，换言之，解释某事件的唯一方式是陈述它的原因。这意味着，我们在解释事物时利用的事件越早越好，因此最终最好的解释就是用宇宙的初始状态。“万有之理”如果不包含对宇宙的初始状态的说明，那它就不是对物理实在的一个完备的描述，因为它只提供了运动定律，而仅靠运动定律只能做出有条件预言。也就是说，它们从不无条件地讲发生了什么，而只会说如果在某个时刻发生了什么，那么在另一时刻会发生什么。只有当给出初始状态的完整描述时，理论上才能推导出完备的物理实在描述。目前的宇宙论不能给出初始状态的完整描述，即使在理论上也不行，但是它的确告诉我们，宇宙最初非常小，非常热，结构非常均匀。我们也知道宇宙不可能是完全均匀的，因为根据理论，那会与我们今天观察到的天空中星系的分布状况不相容。初始的密度不均、“成团”会被引力簇生效应大为放大（即相对稠密的区域会吸引更多物质，变得更加稠密），因此仅需要非常小的初始密度差异。但尽管密度差异非常小，在还原主义者的现实描述中却是至关重要的，因为几乎我们周围发生的一切，从天空中恒星和星系的分布到地球上出现一尊铜像，从基础物理学角度看来，都是这些不均匀引起的。如果还原论者想要对已观察到的宇宙的面貌描述得不太粗略，那就需要一个理论指明这些至关重要的初始不均。
让我试着从非还原论者的角度重新陈述这一要求。任何物理系统的运动定律只能做有条件的预言，因此与该系统的许多可能的历史都相容。（这个问题和量子理论所揭示的关于可预言性的局限性无关，我将在下一章中讨论它。）例如，支配从炮管里发射的炮弹的运动规律与许多可能的弹道轨迹都相容，炮弹发射时，炮管指向的每一个可能的方向和仰角都会对应一个弹道轨迹（见图1-2）。数学上运动定律可以表达为一组方程，即运动方程组。这组方程有许多解，每一个解都描述一个可能轨迹。为了确定哪一个解描述了实际的弹道轨迹，我们必须给出补充数据——关于实际情况的数据。其中一个办法是给出初始状态，本例中就是给出炮管所指的方向，但也有其他方法。例如，我们也可以指明终结状态——炮弹落地时的落点和运动方向，或者也可以指定弹道最高点的位置。只要能让运动方程组的解唯一确定，给定什么补充数据是无关紧要的。这组补充数据和运动定律一起相当于一个理论，描述了炮弹从发射到落地间所发生的一切。图1-2 炮弹射出后的一些可能的弹道轨迹。每一条轨迹都符合运动定律，但在具体情况下只有一条是真实的弹道轨迹
类似地，物理实在作为一个整体的运动定律也有许多解，每个解对应着一个不同的历史轨迹。为了完整地描述，我们必须给出充分的补充数据，从运动方程组的多个解中得出一个解，才能确定哪一个历史才是真正发生的历史。至少在简单的宇宙学模型中，给出这种数据的一个办法是指定宇宙的初始状态。但另一个办法是指定宇宙的终结状态，或者任一其他时刻的状态。或者也可以指定初始状态的一部分信息，加上终结状态的一部分信息，再加上中间状态的一部分信息。一般来讲，任一种充分的补充数据加上运动定律，在理论上就相当于对物理实在的完整描述。
就炮弹来讲，一旦给定了终结状态，就可以直接了当地算出初始状态了，反之亦然。因此，指定哪种补充数据实际上没有什么区别。但就宇宙来讲，大多数这样的计算是非常难解的。正如前面所说，我们是通过观察现在宇宙的“成团”状态推知宇宙初始时的“成团”状
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