主题：【文摘】英国《新科学家》：塑造世界的九大科学思想 -- 天下第一银杏树
家园 【文摘】英国《新科学家》：塑造世界的九大科学思想 英国《新科学家》周刊9月17日一期文章：塑造世界的九大科学思想--科学界9位
最伟大的科学家解释他们理论的重要意义：
一、大爆炸
马丁·雷斯（剑桥大学天体物理学和宇宙学教授）：宇宙的起源问题数千年来一
直吸引着人们去研究，我们是有幸发现答案的第一代人。
“大爆炸”的概念现在如此深入人心是一件令人奇怪的事情。宇宙学家相信他们
知道我们的宇宙在起源之后的数秒钟内是什么样子：温度大概有100亿度，射线、质
子、中子以及“暗物质”以已知的比例存在于各处。随后一切开始非常均匀地冷却：
这种均匀的小偏差累计起来不足十万分之一。这些表述建立在对那个时代的“化石”
所进行的令人信服和准确的观察基础上。这些“化石”包括：射线以及氢、氦、氘在
宇宙中的比例等。
我至少99％地相信上述推论的正确性。与我们对地球的早期历史以及生命起源的
了解相比，有更为扎实准确的论据可以对这些推论提供佐证。在科学上，每一项进步
总是会将人们的目光吸引到一批新的问题上。不过大爆炸理论却使我们理解，这些问
题并非毫无意义。在发现我们能够掌握宇宙起源的基础后，无数其他问题浮现了出来
，这些问题我们都有望找到答案————虽然缓慢但却不容置疑，我们正在设法找到
这些问题的答案。
例如，物理学上最重要的定律之一———热力学第二定律包含着宇宙中一个表面
上互相冲突的现象。如果我们的宇宙在起源的时候如此“简单”，那么它是如何进化
成包括我们自己在内的庞大而错综复杂的宇宙的呢？猛看上去这与已知定律相矛盾：
任何结构都有一种混合和均质化的趋势。但实际上并没有矛盾：答案是万有引力发挥
了作用。如果宇宙中的某一部分的密度比平均密度稍大，那么这一部分将在额外的万
有引力的作用下减速，于是与周边区域比较起来，这一部分将越来越滞后，密度差异
将越来越大。正是这一过程使得早期宇宙中密度稍大的部分成为了今天星系的“种子
” 。这一理论以及观测对它的确认，是天文学家的另一个重大成果。通过寻找“年
轻的” 星系———它们距离地球十分遥远，以致它们在宇宙还年轻的时候发出的光
线最近才抵达地球———天文学家希望能够揭示这一过程的细节。
当然，剩下来的事情还很多。例如，我们仍然不知道，是什么东西爆炸了，以及
为什么会发生爆炸。为什么宇宙一开始会以这种方式、含有这种独特的成分膨胀？这
一问题将是21世纪甚至更远的未来科学界所面临的一个挑战。答案在于宇宙起始时的
第一微秒中的前一小段时间，当时的温度和密度高到相关的物理学定律难以把握的程
度，而且无法用实验证实。不过，迄今为止在解决宇宙学问题时所获得的成功使我们
对取得更大的进步充满信心。我们一定能探测到宇宙在大爆炸刚开始的一微秒内所发
生事情的细节，兴许我们还能对大爆炸本身的属性有更多了解。
二、进化
理查德·道金斯（牛津大学科学史教授）：对复杂生命形成过程的了解是人类智
慧最耀眼的部分。
世界可划分为两大类：看起来经过设计的（如鸟类和飞机）和未经过设计的（如
石头和大山）。看起来经过设计的事物也可划分为两类：实际上是设计出来的（如潜
水艇和罐头刀）和那些不是设计出来的（如鲨鱼和刺猬）。对那些事实上经过设计的
事物的分析表明，它们的各部分并非是独立功能的简单叠加。它们在某些方面出类拔
萃：例如飞翔。
达尔文的自然选择理论导致了一种设计上的离奇幻觉。以致一名工程师很难确定
是鸟类还是飞机在飞行动力学上更加完美。
设计幻觉的力量是如此强大，直到19世纪中叶人类才认识到它只是一种幻想。在
1859年，查尔斯·达尔文公布了人类最伟大的科学思想之一：自然选择导致进化日积
月累。如果自然选择中所有的偶然性汇聚在一起会怎样呢？当小小的变化聚在一起时
，就可以达到巨大的高度————实现复杂的适应能力。这种累积的过程就是进化，
引发进化的力量则是自然选择。
每一个现存的生命都有祖先，但是只有一小部分会拥有后代。所有的生命都从成
功的祖先————他们成功地生存下来而且繁育了后代———那里继承了完整的基因
序列。指挥胚胎发育成熟从而可以自动地成功繁育后代的基因，是基因库里的幸存者
。这些基因成功的代价是其它基因的失败。这是在基因层次上的自然选择，我们也注
意到了它在生物层面上的结果。新的基因品种的根本来源是突变。这些新的突变基因
的后代通过有性繁殖在基因库里重新组合，而自然选择则可以按有序的方式从基因库
中清除它们。
导致成功存活的因素随物种的不同而不同。有的物种擅长游泳；有的则擅长步行
；有的擅长飞翔；有的擅长攀爬；有的则会将根扎入土壤，翘起绿色的“太阳能板”
朝向太阳。所有这些多样性都滋生于不断的分支，它们来源于同一个生活于30亿—40
亿年前的类似细菌的祖先。每一个分支都形成了一个物种：一个繁殖种群再一分为二
，并各自走上独立的进化之路。在有性繁殖的物种中，当某一物种的两个基因库分化
加剧以致它们无法进行交配时，我们就说是形成了新的物种。物种形成源于意外事件
。如果在没有地理障碍的情况下某一物种内部出现了阻碍繁殖的基因库分化，我们认
为新的物种就起源了。
自然选择的精髓在于其非偶然性，然而它常被拙劣地误解为偶然事件。这成为反
对进化论的怀疑力量的基础。偶然性不能解释生命。设计论在解释生命的问题上与偶
然性一样糟糕，因为它所引发的问题比它所带来的答案更多。自然选择导致进化是唯
一能够精确解释生命的可行理论。
三、量子力学
戴维·多伊奇（牛津大学物理学教授）：它不仅是关于原子的理论，它还是关系
到自由意志和身份认证的理论。
你也许曾听说过这样的话：“这个世界的神奇不仅超出了我们的想象，而且我们
根本不可能理解它。”
这样一句缺乏理性的失败主义者格言（可归咎于20世纪几位著名的物理学家）竟
然成为传统智慧的一部分，不能不令人震惊。但是它反过来又可用来表现掌握量子理
论的人们的吃惊程度。
量子理论是有关物理世界的最深奥的知识，它在预测亚原子粒子的行为方面无与
伦比，它完善了我们对事物的理解，为大多数物理理论提供了一个框架。将来利用量
子效应的计算机将带来密码学的革命。
但是关于量子理论的惊人消息究竟是什么？为什么我们应该关注亚原子粒子的某
种特定行为，而不是另一种？
准确地讲，原因在于当我们设想粒子有何种行为时，我们所有的常识得出的可能
性也许没有一个是正确的。
因此，有哲学头脑的人们为求知而求知。实用主义者也许会说它不能解决今天存
在严重争议的问题，如战争与和平、罪与罚、民主人权等，但令人惊讶之处在于，讨
论这类问题而忽视世界的量子力学本质，就像担心人口过剩而并不了解是什么导致怀
孕一样。在谈及任何有争议的话题时，就会遭遇诸如决定论和自由意志、同一和差异
、未来可能性和“可能已经发生的事”等问题。对于许多此类基本问题，量子理论表
明根据常识得出的所有答案都是不正确的。例如，常识根据连续性来定义一个“人”
：今天的你之所以是你是因为组成你的绝大多数原子和昨天没什么两样，一个同样的
但由不同原子组成的复制体将不再是你。
但是量子理论认为在一定的条件下，哪些原子是原来的，哪些原子是新来的，这
一概念并不存在。用连续性来定义人的观念是许多人思考堕胎问题时的出发点。
关于量子实质的争论风行一时，但几乎所有人都同意哲学家迈克尔·洛克伍德的
说法：“这里没有保守的选择。”不幸的是，由于物理学家们意见不一以及许多人明
确地与现实甚至真理脱节，各种各样的神秘主义和谬论充斥于这一空白领域。建立在
对量子理论误解基础上的愚蠢学说大量存在。因此，如果你在努力思考“量子”事物
时，在相信它之前坚持要求它符合常理，那么你就是在坚持哲学而牺牲了量子理论。
四、大一统理论
莉萨·兰达尔（哈佛大学物理学教授）：宇宙是怎么运作的？对它的研究将是终
极挑战。
爱因斯坦的广义相对论具有里程碑意义。但是，尽管它所有的预言都很成功，广
义相对论并不是关于万有引力的最终理论。这一理论在我们试图推广到10—35米距离
间的万有引力时不再适用。如果我们打算了解诸如大爆炸的起源或者黑洞内部的情况
，我们就必须在这样的距离尺度内进行探测，这时必须有新的理论才能胜任。
在各种尺度条件下理解万有引力并使之与量子力学协调一致并不是粒子物理学面
临的唯一挑战。我们的粒子物理学理论仍然不能解释关于粒子和力的一些重要问题，
诸如为什么我们确定存在那些特别的基本粒子？它们的质量是如何起源的？物理学家
很清楚我们远没有完成大一统理论。然而，许多物理学家对此表示乐观。他们乐观的
一个原因是弦论。
根据弦论，隐藏在所有物质背后的最基本的不可分割的物质是弦：振荡的一维能
量环或片断。与小提琴的琴弦不同，这种弦不是由原子构成的，当然最终也就不可能
是由电子和夸克构成的。事实恰恰相反，弦论最激进的假设在于：所有的粒子都起源
于潜藏在其背后的弦的振荡，正是振荡的特点决定了粒子的性质，诸如粒子的质量和
电荷。
这些弦能够令人信服地在3维4维或者更多维的空间移动。但是计算表明正确的维
数，包括时间在内，是10维或者11维，这取决于你所使用的弦论的公式。这一暗含在
“大一统理论”中的非凡观念告诉我们，空间的维数远非我们所见的这些。而且，
根据弦论，多维中可以包含“膜”，在多维世界中，粒子和力被限制在这些膜中。
尽管它的公式十分迷人，弦论仍面临许多问题。现实世界可由弦论的许多模式导
出，每一个模式都包含不同的力、不同的维数以及不同的粒子组合。迄今我们仍没有
办法知道弦论能否正确预言对我们而言可见的空间维数、粒子、力或者宇宙中能量的
数量。
要解决弦论的问题看起来需要改变迄今所使用的基本方法———这超越了目前物
理学家和数学家已发展出来的方法。此外，这一理论在能量方面的定义远远高于我们
最大的粒子加速器所能达到的能量，因此，对这一理论的检验将异常困难，需要新的
方法与弦论相衔接。
只有通过时间的检验我们才能知道我们今天通向大一统理论的途径是否正确。但
是关于黑洞和力的正确计算强烈地暗示，我们也许处于正确的轨道上。
五、风险
约翰·亚当斯（伦敦大学学院地理学教授）：我们一定不会错过有益的体验，它
在那里等着我们去收获。
风险意识只存在于头脑中。“风险”是一个涉及未来且只存在于想象中的词。人
们平常讨论风险时，总是围绕风险究竟是“客观的”还是“可察觉的”风险进行争论
，但实际上所有的风险都是主观的。
承担风险意味着去做某事时可能产生不好的结果。人们为什么愿意去做冒风险的
事呢？因为，除了潜在的负面效果，冒险也可能带来回报。
当然，我们所做的每一件事都可能导致某种未知的可能的意外———一种无意的
、不受欢迎的结果。过去，这样的结果常被称为以神秘方式发生作用的不可抗力或者
坏运气。然而，在高水平律师的帮助下，将坏运气对我们的打击转化为责任追究的可
能性越来越大。我们现在生活在一个风险—谴责—诉讼—补偿的文化中，在这种文化
中，对冒险行为可能的不利后果的补偿意味着人们会对冒险行为要求更大的潜在回报
。这是因为对某种无意造成的负面结果负责任的担心几乎总是与诉讼（或者诉讼风险
）联系在一起。这种风险因打不赢官司不收钱的律师的出现而被放大。保险公司也被
卷了进来：他们总是坚持在庭外解决客户所提出的索赔。
补偿频率和补偿规模的日益增大是促使文化变迁的重要驱动力。从走路时踩到石
子跌倒到医疗事故的补偿金额在飞速上升，与此同时，保险费在同步上扬。
支撑诉讼和补偿不断增加的是“谴责文化”的发展。为什么我们都比过去更喜欢
指责他人呢？如果是我的好朋友或邻居无意中伤害了我，我的第一反应并不是起诉他
———即便我病床边的电视在不停地刺激我这样做。但是如果我被一个完全陌生的
人伤害，而这个陌生人又很有钱，我是不是会去起诉他呢？
我们利用本能、直觉以及经验———过去我们曾经遭遇的看起来与此相似的情况
————来设想未来，以得出既有正面因素又有负面因素的可能的主观结局。但我
们现在设想未来的方法变了，不可抗力和坏运气不复存在。大量的人力被用于风险评
估，他们的目的就是识别以及避免所有能想象到的灾祸之源。但是不管风险评估者得
出什么结论，未来仍然是不确定的。从风险评估影响行动的角度来说，它阻碍了对风
险回报的追求————不管是学生的远足还是登月之旅。
六、混沌
(詹姆斯·约克（马里兰大学数学和物理学教授）：我们从未意识到世界上竟有
如此多的可能性。
科学家们也许是意识到混沌的最后一群人。每个人都知道，长远来看，我们的生
活是混乱和不可预测的。本杰明·富兰克林曾写下这样的名言：“为了找一颗铁钉马
蹄铁丢了，为了找马蹄铁马丢了，为了找马骑马的人完蛋了，他被敌人追上杀死了，
而这一切只是为了找一颗马蹄铁上的铁钉。”
还有人将这一故事进行了进一步的演绎：骑马人之死以及他所携带信息的丢失导
致一场战役的失败，随后是一场战争的失败，最终是亡国，所有这一切只是为了找一
颗马蹄铁上的铁钉。说说我们身边的事，我的一位朋友的妈妈嫁给了她所搭乘的出租
车的司机。如果她乘坐的是另一辆出租车，我的朋友就不会来到人世。
我们的预测必须具有灵活性：我常说最成功的人士是那些擅长实施第二套方案的
人。混沌理论属于自然科学和数学领域，用于处理第二套一直到其后无数套方案，描
述不稳定的状态，在这种状态下，小小的变化会演化成越来越大的变化甚至产生巨大
的长远的影响。
当然，科学家们一直就知道这个世界处于混沌状态，但是直到最近30年，才有少
数人意识到进行科学研究最终也可能变得不可预测，即使引发变化的因素是被精确的
规则所掌控。与其说是复杂性倒不如说是不稳定性引发了混沌状态：混沌理论的创建
者之一、气象学家爱德华·洛伦茨曾在上世纪60年代举例说，亚马孙流域一只蝴蝶翅
膀的振动造成气候产生小小的变化，但是结果却造成密西西比河流域发生风暴。他的
观点是，我们永远不可能知道决定某一地区天气的所有因素；我们最多能预测几天后
的细节。科学家们现在发现许多其它的状态也相当地不稳定。计算机模型对我们理解
整个自然科学中普遍的混沌提供了极大的帮助。例如，我们马里兰大学的研究小组志
在告诉科学家们如何寻找混沌的变量，寻找多种状态下共有的特殊现象。但是我仍然
想知道，既然几乎所有科学家都曾经对这种普遍的现象熟视无睹，那么是否还有其他
一些明显的现象被我们错过？也许混沌本身正在向我们讲述什么。
七、相对论
乔瓦尼·卡梅利娅（罗马大学物理学教授）：如果你想对世界有一个正确的认识
，请不要相信直觉。
纪念狭义相对论发表百年 国际科联大会在苏州举行
我们关于诸如时间、能量和速度等问题的直觉来源于日常生活中的经验。但在某
些情况下，我们的直觉会误导我们，使我们偏离事物的真相。
用通俗的语言来说，根据我们对日常生活经验的本能的描述，物体的运动状态
是物体的客观属性。但是，正如大约400年前伽利略所理解的那样，运动必须被看作
是一种相对的特性。当我们说“火车在运动”，作为一个客观事实，我们并没有明确
指出以车站作为我们的参照系统。这符合习惯，但我们也可以同等地选择火车作为参
照物 ————在这种情况下，也可以说车站在移动。只要没有加速，在火车上玩台
球和在车站玩台球没什么两样。
在1905年，爱因斯坦认识到伽利略的相对性原理不仅适用于机械过程，而且在电
磁过程中同样有效。在完成了这一理论之后，爱因斯坦成功地预测了宇宙的一些与人
类常识相反的惊人的新的特性。
这些反直觉的性质在实验中得到了很好的验证，但是却与我们日常生活的直觉相
矛盾。这也正是我们对相对论着迷的原因。当我们使用一把弹弓投射一枚石子时，石
子的速度主要取决于弹弓在释放石子时的瞬间速度。但是当我们开亮一个电灯泡，光
的速度却与它是由什么东西射出的无关。在所有情况下这一普遍速度大概为每秒30万
公里。
这一观念使我们认识到，与我们天生的直觉相反，时间也是相对的，而不是绝对
的。双胞胎姐妹宇航员分乘不同的宇宙飞船以某一恒定的相对速度旅行，她们的“变
老”过程令人吃惊：她们都将感到对方比自己老得慢。如果她们中的一位驾驶宇宙飞
船以某种方式最终与另一位会合，那么在她们碰头的那一刻，她们将发现，以恒定速
度飞行的宇宙飞船上的那位宇航员会比后来选择改变速度的宇航员老得快。由于时间
的绝对观念在我们本能的世界观里根深蒂固，我们将上述现象通俗地称为“双胞胎悖
论”。但事实上这里根本不存在矛盾。双胞胎姐妹并没有过同样的生活：其中的一个
经历了一系列的加速。
爱因斯坦的成就就体现在这里。爱因斯坦的工作使宇宙获得了重新定义，它使我
们对事物有了新的洞察，诸如质量可以被转换为能量，以及电磁辐射的速度———等
于光速———是大自然的一把特别的尺子，是速度的最大极限值。它的作用还不止于
此。当伽利略的第一个相对性理论用科学语言阐明某些与我们的日常直觉并不矛盾的
事实时，爱因斯坦相对论却告诉我们，当我们思考超越日常生活的事物时，结果可能
与我们的直觉完全不同。
八、气候变化
帕乔里（政府间气候变化问题研究小组主席）：如果我们不做出应有的反应，战
争、瘟疫和饥荒将接踵而来。
为什么人类应该关注气候变化？因为它的影响对人类社会带来了前所未有的挑战
。
气候变化的基本原因是大气中温室气体浓度的增加。其中尤以二氧化碳为甚。在
工业革命之前，大气中二氧化碳的浓度大约为280ppm，到2000年，它的浓度是368ppm
。新千年头几年的数据显示，二氧化碳浓度仍在持续增加，预计到本世纪末其浓度
将达到540ppm—970ppm。
大气中二氧化碳浓度越高，地球温度就越高。到本世纪末地球温度预计将在1990
年的基础上升高1.4到5.8摄氏度，而在整个20世纪，地球温度估计上升了0.6摄氏度
。
地球的温暖化将对气候造成多种影响。例如：全球年平均降雨量预计将发生变化
，许多地区洪涝和干旱的频率将增加，与此同时水资源短缺将更为严重。在21世纪，
冰川将继续大范围地后退。
气候变化所导致的最严重和最具威胁性的影响是全球平均海平面的上升，这主要
是海洋的热膨胀以及冰川和冰帽的融化造成的。预计到本世纪末，全球平均海平面将
上升0.09到0.88米，实际的海平面上升量则取决于经济和技术的变化。但即便海平面
只上升到这一范围的中间值，也可以想象得到它会带来“卡特里娜”飓风那样的破坏
程度。
全球变暖和气候变化还可能导致许多其它的后果。蚊子和水生病原体等带菌者的
变化以及水质和空气质量的下降将影响到人们的健康。这类影响将更多地发生在发展
中国家及穷人身上。而且，火灾、干旱、害虫群袭、物种入侵、暴风雨以及珊瑚白化
将给生态系统造成严重破坏。气候变化还将对世界许多地区的生物多样性构成严重威
胁。
也许全球变暖最深远以及最急迫的影响在于它对全球粮食保障构成的威胁。谷类
作物模型显示，一些气候温和的地区，温度的小幅上升也许会增加粮食产量，而温度
的大幅上升总是导致减产。在大部分热带和亚热带地区，大多数预计的温度上升值都
将导致粮食减产。由于全球人口最密集的地区位于亚热带和热带，气候变化看来一定
会损害相当多人口的生计。由于这些地区的农业产量下降的可能性非常大，全球粮食
总产量也会随之下降。结果会出现粮食价格上升。
对未来的这些预测凸显出采取行动的重要性。当你认识到即便温室气体的排放很
快稳定下来、它对气候变化的影响仍将持续几个世纪时，这些行动的紧迫性也就十分
清楚了。对人类来说，适应气候变化看来是不可避免的了，我们是现在采取主动呢还
是等到以后被迫采取行动?
九、板块构造理论
理查德·福蒂（伦敦自然历史博物馆高级研究员）：人类历史是被我们脚下的“
拼图”所塑造的。 板块构造理论在地质学领域所扮演的角色，就像达尔文的进
化论对我们理解生物世界所起的作用一样，它是一种万物至理。
在整个19世纪和20世纪早期，地质学家们很有耐心地收集事实。他们绘制地层图
，试图了解山脉的复杂性；他们劈开了花岗岩和片麻岩；他们记录矿石的所在，并猜
测它与地球深处发生的一些现象的关系。但是没有出现任何伟大的理论。地质学看起
来不过是一份观察资料的详细目录：欧内斯特·卢瑟福曾轻蔑地称之为某种“收集邮
票” 的科学。
地质现象可以通过一些构造板块的互动来加以解释，这一认识使一切发生了改
变。地球不过是一个位于粘稠的岩浆之上的粗糙的大石板的拼图，过去40年的地质学
一直在对这一深奥的学说加以探索。
考虑一下对金属的寻求是如何影响了人类的历史：金银的力量塑造了各个王国；
铜和铁的供应对器皿和武器的制造至关重要；而在核时代，放射性元素被用于和平和
军事用途。最贵重的矿石的出现总是与板块运动的周而复始有关。许多稀有金属是在
已经消失的古代海洋遗迹上发现的，而金刚石则来自地幔。地质环境决定了人类历史
的许多方面。
地球有约45亿年的历史，超过3／4的地球历史可以通过板块构造理论来理解。有
一点越来越清楚，那就是约于2