4．信息陷阱
大多数人认为，对某件事物信息了解得越多，对它的理解就越深刻。从某种程度上来说，这通常是正确的。当你从屋子的另一头看这一页纸时，你能看到它是书中的一页，但是你可能看不清上面的字。当你站得足够近时，你就能看清书上写的是什么。但是就算你把书就摆在鼻子面前，你对书中的内容也不会有更深的理解。你可能看到更多的细节，但是你可能会遗漏重要的信息——完整的词、句子和段落。盲人摸象的故事讲述了同样的道理：如果你只站在几尺开外，把注意力集中在坚利的象牙、长而柔软的象鼻、粗皱的象腿，或是看上去像是挂着流苏的绳子却千万拉不得的象尾巴上，你就搞不清楚这种动物完整的模样。
科学研究的一大挑战，在于知道何时后退（以及后退多少）、何时前进。在某些情况下，近似可以令结论更清晰；在另外一些情况下，却会导致结论过度简单。大量的复杂化有时会导出真正的复杂内涵，有时却只会使问题更散乱。例如，如果你想知道一组分子在不同压力和温度下的整体特性，关注单个分子的行为是无关紧要的，有时还会带来误导。如我们将在第3篇中所看到的，单个粒子没有温度，因为温度概念表示的是全体分子的平均运动。相反，在生物化学里，研究全部围绕单个分子与其他分子的相互作用展开。
所以，对于一次测量、观察，或仅仅是一幅地图，细致到何种程度才算是恰到好处呢？
1967年，伯努瓦·芒德布罗（Benoit B. Mandelbrot，数学家，现供职于纽约州约克城高地IBM沃森研究中心和耶鲁大学）在《科学》杂志上提出了一个问题：“英国的海岸线有多长？”你可能认为这是个简单的问题，答案也简单。但这个答案的深度超出了任何人的想象。
探险家和制图师绘制海岸线已经有好多个世纪。最早的地图只粗略画出了奇形怪状的陆地边缘；现如今借助卫星生成的高分辨率地图则精细得多。然而，要开始回答芒德布罗的问题，首先需要一份现成的地图和一卷线。沿着英国的边界展开线，从邓尼特角（大不列颠岛最北端）直到利泽德角（大不列颠岛最南端），并且确保计入所有海湾和海岬的长度。然后拉直线，和地图上的比例尺比较，瞧，海岸线的长度量出来了。
如果想抽查测量结果，你要找一张更详细的英国全国地形测量局地图，例如比例尺是1∶25000的那种，而不是那种一页纸就可以印得下的地图。现在你必须用线勾勒许许多多的小海湾和海角，变化很小，但数量很多。你会发现测量局地图上的海岸线要比原先地图上的要长。
哪一次的测量是正确的呢？显然是基于更详细的地图那次。但是你还可以选择更详细的地图——连每个悬崖底部的石头都标示出来的那种。制图师们通常不会在地图上标示出这些石头，除非它们有直布罗陀巨岩那么大。所以，如果你真想准确地测量英国海岸线的长度，恐怕你必须亲自走一遍了——最好带上超级长的线，以便记录每一个角落和缝隙。但你还是会遗漏一些卵石，更别说那沙粒间冒出的涓涓细流了。
这一切如何才能结束？每一次测量，海岸线的长度都会变长。如果把分子、原子、亚原子的边缘也考虑进去，海岸线会不会是无限长？不完全对。芒德布罗会说海岸线的长度是“不确定的”。我们需要增加一个维度来重新考虑这个问题。或许一维的长度概念不适用于复杂的海岸线。
解答芒德布罗的智力题需要引入一个新兴的数学领域，其基础是分数（或分形，英文为“fractal”，来源于拉丁文“fractus”，即“破碎”的意思）维数，而非经典欧几里得几何里的一维、二维和三维。芒德布罗认为一般的维数概念过于简单，无法描述海岸线的复杂度。研究表明，分形是描述“自相似”图形（其不同尺度下的形状看起来非常相似）的理想工具。花椰菜、蕨类植物和雪花是自然界里绝佳的分形例子，但只有用计算机生成的、无限重复的特定结构才算是理想的分形结构。在分形结构中，结构的宏观形状由较小的相同图形构成，而较小的图形则又由更微小的完全一致的图形构成，以此无穷类推。
然而，如果你仔细观察一个纯正的分形图案，即便它的结构很复杂，也得不到什么新的信息——因为每一层的图案都是一样的。相反，如果你层层分解研究人体，最终看到的将是各种细胞——它们本身有着非常复杂的结构和不同的属性，工作的规律也和整个人体所遵循的规律完全不同。如果进入比细胞更细微的层次，我们将又会发现一个全新的信息世界。
地球本身又是如何呢？世界上最早的地图是2600年前巴比伦人刻在黏土板上的，上面描绘的地球是被大洋围绕的一只圆盘。事实上，当你站在一片广阔的平原（例如底格里斯—幼发拉底河流域）上四处望去的时候，地球看起来确实像一只平的盘子。
以毕达哥拉斯（Pythagoras）和希罗多德（Herodotus）等思想家为代表的古埃及人注意到平坦地球概念中的一些问题，开始思考地球是球体的可能性。公元前4世纪，伟大的知识体系缔造者亚里士多德（Aristotle）整理出好些论据来支持这个观点，其中一项以月亮的圆缺为基础。当月亮围绕地球运转时，时常会进入地球在太空中的锥状阴影里。通过数十年的观察，亚里士多德发现地球在月亮上的影子总是圆的。如果要这样，地球必须是个球体，因为只有球体才能在任何光源任意角度的照射下始终产生圆形的影子。如果地球是个平盘，影子有时会变成椭圆形，而当地球的边缘正对太阳的时候，影子会变成一条细线，只有当地球直面太阳的时候它的影子才会是圆形。
有了这个论据的支持，你或许认为在后来的几个世纪中制图师们应该已经把地球画成了球体。但是，你错了！已知最早的地球仪直到1490年至1492年才出现，那时已是欧洲航海探险和殖民时代的前夜。
所以，是的，地球是个球体。但是细节还存在问题。牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中提出，旋转的球体有将物质向外抛的趋势，因此地球（也包括其他星球）的两极会扁一些，赤道会鼓一些——是一个扁圆的椭球体。半个世纪之后，为了验证牛顿的假设，位于巴黎的法国科学院派出两支数学家远征队——一支去北极圈，一支去赤道——他们的任务是在同一经线上测量纬度的一度所对应的地表长度。结果北极圈里的一度所对应的长度较长，这只有在地球稍微扁平的情况下才是真的，所以，牛顿是对的。
我们认为行星自转越快，它的赤道越凸出。火星是太阳系里最大的行星，自转比地球快，火星一天相当于地球上10小时。火星的赤道比两极宽7%。而在小得多的地球上，一天是24小时，它的赤道只比两极宽0.3%——对于12800千米的地球直径，相差只有38千米，几乎没有差别。
这种稍微的扁平带来的一个有趣后果就是，如果你站在赤道的海平面上，那你距地心的距离比站在其他任何地方都要远一些。如果你真想把事情做得漂亮点，爬到位于赤道附近、厄瓜多尔中部的钦博拉索山上去。钦博拉索山顶峰高度海拔6.3千米，但更重要的是，它的顶峰到地心的距离比珠穆朗玛峰的顶峰还要多2千米。
人造卫星令情况更加复杂。1958年，环绕地球飞行的小型人造卫星先锋1号传回消息，赤道南方的凸出比北方更明显。不仅如此，南极的海平面比北极的海平面到地心的距离稍近一些。换句话说，地球是梨形的。
相继而来的是令人惶恐的事实：地球不是刚性的。受月球的牵引以及太阳较弱的牵引，地球表面每天都会上下起伏，海水也在各个大陆间流进流出。众所周知，潮汐力改变了地球上的水系，让它们的表面变成椭圆形。但是潮汐力也一样牵引着陆地，使得赤道半径每日每月随着海洋潮汐和月相圆缺而起伏变化。
因此，地球是一个梨形、扁球状的呼啦圈。
这样的调整永远结束不了吗？或许不会。时至2002年，美国和德国合作的太空项目——GRACE（重力恢复与气候试验）发射了两颗卫星，用来测量地球的大地水准面。大地水准面是指假想海水面不受洋流、潮汐和气候影响、静止条件下的地球形状——换句话说，它是一个各处表面都和重力正交的假想曲面。所以，大地水准面是真正的水平面，完全考虑了地球实际表面的起伏和内部密度分布不均匀等所有因素。木匠、土地测量师以及渡槽工程师等都必须以大地水准面为基准。
轨道是另一类令人疑惑的形状。他们既不是一维，也不是单纯的二维或三维，而是随时空变化的多维。亚里士多德认为地球、太阳以及其他星星在宇宙里有固定的位置，镶嵌在一层层水晶球上。旋转的是水晶球，因此它们的轨道只可能是正圆形。对亚里士多德和几乎所有的古人来说，地球是世界的中心。
哥白尼有不同的看法。在1543年出版的著作《天体运行论》里，他把太阳放在宇宙的中心。但是，哥白尼仍然保留了理想的正圆形轨道，没有注意到它们与实际情况之间的差别。半个世纪后，约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）发表了他的行星运动三定律（科学史上首个预测性的方程组），修正了以往的谬误。其中一条定律证明，轨道不是圆形而是长扁各异的椭圆形。
我们才刚刚开始。
以地—月系统为例。地球和月亮围绕它们共同的质心运转。在任意给定时刻，该质心在地表最接近月亮的那点下方大约1600千米处。因此，事实上沿开普勒椭圆轨道运行的不是行星自身，而是行星—卫星体系的质心。那现在地球的轨道是什么样子？沿一个椭圆绕出的一串小圈——一年13个，月相每盈亏一轮就绕出1个。
不仅月亮和地球互相牵引，而且所有其他行星（包括它们的卫星）也都牵引着它们。每颗星都和其他星体互相牵引。可以想象，情况非常复杂，我们将在第3篇里作进一步的讨论。不仅如此，地—月系统每围绕太阳转一圈，椭圆轨道的方向就稍微偏一点，更不必说月亮还在以每年0.3米到0.6米的速率螺旋状远离地球，而且太阳系里有些轨道还很混乱。
如果把全体成员都考虑进来，由引力导演的这出太阳系芭蕾舞剧只有计算机能看懂和欣赏。仅是从单个星体在太空画圈发展到现在，我们就已经付出非常大的努力了。
科学的形成有不同的途径，取决于是理论先于数据还是反之。理论指导你的研究，你可能有所发现，也有可能没有。如果有发现，那就研究下一个未解决的问题。如果你没有理论指导，但是掌握了测量工具，那你就尽可能多的收集数据并期望真相逐渐浮现。不过直到你形成全面的见解之前，通常只是在黑暗中闲逛而已。
不过，有人可能仅仅因为哥白尼理论里的轨道形状不对就被误导，认为他的理论是错的。其实，他更深层的概念——行星围绕太阳运转——才是最重要的。从那时起，天体物理学家们就一直在不断地修正完善哥白尼的模型。哥白尼可能不全对，但他显然找对了方向。所以，也许问题仍然存在：什么时候该进，什么时候该退？
现在想象一下，在一个爽朗的秋日，你漫步在林荫大道上。前面一个街区有位满头银发身穿深蓝色套装的绅士。你不大可能看见他左手上戴的珠宝。如果你加快步伐追近到10米以内，你或许会注意到他戴了一枚戒指，但不会看见戒指上的红宝石或是它的表面设计。悄悄贴近用放大镜看——如果他不报警的话——你会看到学校的名字、他获得的学位、毕业年份，可能还有校徽。在这种情况下，你的设想没错，越靠近看得到的信息越多。
接着，想象你正在凝视一幅19世纪晚期法国点彩派画家的作品。如果你站在3米远处，你可能看到头戴礼帽的男人、身着长蓬裙的女人、儿童、宠物和泛着微光的水面。站近一点，你只能看到数以万计的色点、色斑和彩色条纹。如果鼻子顶着画布看，你可以欣赏到技术的繁复与迷人，但是只有保持一定距离，画作中的美景才会呈现出来。这和你从林荫道上戴戒指的绅士那里获得的经验是相反的：你越是靠近看点彩派的杰作，细节越破碎，令你不禁想要保持距离。
哪种方法最符合大自然展现自身的方式？没错，两种都是。几乎每次当科学家更近地观察某种现象，或是宇宙里的某些居民——无论是动物、植物还是星星的时候，他们必须判断宏观现象（保持一定距离所看见的）和近景相比是更有用，还是更无用。但是还有第三种方法，就是前两种的混合。靠近观察可以给你更多的数据，但额外的数据却让你更加困惑。你很想后退，但是，也同样很想前进。每有一种设想被更多的细节数据所证实，就有十种因不再符合模型而必须被修正或抛弃。根据那些数据，几个新观点要得以成型，需要数年乃至数十年的时间。土星的众多土星环就是这方面很好的例子。
地球是人类安居乐业的理想地点。但是在伽利略1609年首次将望远镜对准天空之前，没有人对宇宙中其他任何星球的地貌、成分或是气候有丁点了解。1610年，伽利略发现土星有点古怪。然而，由于望远镜分辨率不够，土星看起来似乎还有两颗伴星，一颗在左一颗在右。伽利略把他的观测结果写在一个字谜里：
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设计这个字谜是为了确保没人能够抢走他尚未发表的重要发现。字谜重新排序并从拉丁文翻译过来，就是：“我看到最远行星是三联星”。随后的一些年，伽利略一直在观察土星的伴星。一个阶段它们看起来像一对耳朵，另一个阶段它们却完全消失了。
1656年，荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）用分辨率更高的望远镜观察土星。这座望远镜是专为仔细观察行星而制造。他第一个指出土星的耳朵状伴星其实是一个薄而平的圆环。和伽利略半个世纪前一样，惠更斯把他最新的突破性发现写成了字谜。三年后，惠更斯在他的著作《土星系统》里公开了他的发现。
20年后，巴黎天文台主任乔瓦尼·卡西尼（Giovanni Cassini）发现土星有两个环，其间有一条暗缝，后称卡西尼环缝。近两个世纪之后，苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）证实土星环不是固态的，而是由无数在自己轨道上运行的小颗粒构成，他也因此成名。
到20世纪末，人类已经观察到7个土星环，以字母A到G命名。不仅如此，人们还发现这些环本身也是由成千上万个窄带和细环组成。
土星环的“耳朵理论”到此为止。
20世纪里有几个探测器飞越土星：1979年的“先驱者11号”, 1980年的“旅行者1号”和1981年的“旅行者2号”。这些近距离观测提供的证据证明土星环系统比任何人先前想象的都更复杂和难以理解。首先，一些环内的颗粒被所谓“牧羊犬卫星”（一些接近或就在环内的小卫星）束缚在狭窄的环带内。这些“牧羊犬卫星”的引力把颗粒向不同方向牵引，在环里造成数不清的缝隙。
密度波、轨道共振以及其他多粒子系统里难以预料的引力怪象造成了土星环内部和土星环之间的各种暂时现象。例如，旅行者号观察到土星环B上带有奇异的旋转的辐射状阴影，据猜测是由土星的磁场导致，但是在卡西尼号探测器从土星轨道发回的近景照片上，阴影却神秘地消失了。
组成土星环的是什么？大部分是冰，还有混杂于冰里的灰尘，化学成分和土星一颗较大的卫星相近。对土星环境的宇宙化学分析显示土星应该曾经有过好几颗这样的卫星，这些消失了的卫星可能是由于太靠近巨大的土星，而被它的潮汐力撕裂了。
另外，土星不是唯一有环的行星。对木星、天王星和海王星（太阳系四大气态行星中的其他3颗）的细致观测证明每颗星都有自己的光环系统。木星、天王星和海王星的光环直到20世纪70年代晚期和20世纪80年代早期才被发现，这是因为和壮丽的土星环相比，它们的光环主要是由石块和灰尘等黯淡的、不反射光线的物质组成。
对于非致密坚硬的物体，行星附近的太空是危险的。例如，我们将在第2篇里看到的，许多彗星和一些小行星就像一堆碎石，它们从行星附近掠过时要冒着生命危险。在某个特殊的距离内，行星的潮汐力将超过这些天体凝聚自身的引力，这个距离被称为洛希极限，由19世纪的法国天文学家爱德华·艾伯特·洛希（Édouard Albert Roche）发现。进入这个距离，天体就会发生破碎；碎片将会落入自己的轨道，最终散开成为一个宽而平的圆环。
最近我从一位研究行星环系统的同事那里得到一些关于土星的坏消息。他伤心地说，土星环粒子的轨道不稳定，因此这些粒子差不多1亿年后就会消失，这在天体物理学领域里也就是一眨眼的工夫。我最喜欢的行星，就要失去令我最爱的特征了！幸运的是，行星之间和卫星之间一直稳定增加的粒子可以补充土星环的损失。即便土星环的组成粒子不能永存，但土星环系统可以——就像你脸上的皮肤一样。
卡西尼号拍摄的土星环近景照片带回了其他的消息。什么类型的消息？引用卡西尼项目成像小组组长、空间科学学会（位于美国科罗拉多州博尔德市）行星环专家卡罗林·波尔科（Carolyn C. Porco）的话，就是“令人难以置信”和“震惊”。土星环里到处是从未预见到而且眼下也无法解释的现象：边缘异常“锋利”的圆齿状细环，聚合成团的颗粒，A环和B环的纯净与卡西尼环缝的肮脏形成的鲜明对比。所有这些新数据会让波尔科和她的同事们忙上好几年，或许有希望从远方找到更清晰、简单的景象。