构成梦的材料
在本章中，我会介绍怎么从更宽广的角度看待物理学定律，其中包括反事实（关于什么转变可能出现或不可能出现的命题）角度；另外，你还会在本章中熟悉知识这个概念——从反事实的角度客观定义，知识就是能始终独立存在的信息。
世间万物，大多数都难以永存。磐石会被岁月无情地磨去棱角，书页会磨损、泛黄，而活物——从细菌，到大象，再到人类——也会衰老、死亡。不过，倒是有值得注意的例外，比如构成物质的基本组件——电子、夸克，还有其他基本粒子。它们构成的系统会发生变化，但这些基本组件本身总是保持不变。
事物能否永恒不变完全取决于物理学定律。物理学定律给宇宙万物都戴上了牢不可破的枷锁：无论是迄今为止已经发生过的事件，还是未来将要发生的事件，统统都受到它们的严格约束。物理学定律决定了行星的轨道形态与运动方式，掌管了整个宇宙的膨胀过程，确定了我们大脑以及计算机中的电流流向。它们还掌控着细菌、病毒的内部工作机制，掌控着天空中的云朵、海洋中的浪涛、地球炽热核心里流动着的熔岩。物理学定律统辖的疆域甚至超越了宇宙中真实发生的事，它们还决定了什么可能发生，什么不可能发生。只要是物理学定律禁止的事物，就一定不可能出现或发生，任何人再怎么努力想实现都是徒劳。举例来说，我们永远都造不出能让粒子以超光速运动的机器。前面提过，我们也永远造不出能凭空产生能量的永动机——因为物理学定律告诉我们，宇宙中的总能量守恒。
难以永存是事物的本质倾向，这背后的主要原因就是物理学定律：物理学定律尤其不擅长保存基本组件之外的事物。它们可以保存构成物质的原始组件，但保存原始组件的特定集合体并不是它们的目的。电子和质子互相吸引，这是一种基本相互作用——这个简洁明了的事实构成了我们人体复杂化学系统的基础，但物理学定律中根本找不到这种复杂性的踪迹。物理学定律——就比如我们这个宇宙必须遵循的那些——并不是为了保存除基本组件之外的任何东西而特别设计、定制的。因此，我称它们为“无设计定律”。在无设计定律约束的世界中，如岩石这样的复杂原子集合体，通常都会因它们自身与周遭环境间的相互作用而改变。环境会持续不断地让这些复杂集合体的结构产生微小的变化。
从结构保持的角度上看，大部分这样的相互作用都会以小故障的形式引入错误，于是，所有复杂结构都会在时间长河中被慢慢侵蚀。除非有什么因素干预、阻止并修正了那些错误，否则复杂结构最终都会消散或者崩溃。系统越是复杂，与基本组件之间的差异越大，纠错的难度就越大，系统的“生命”周期就越短。想想古代用手抄方式保存文献的做法吧：文献越长、越复杂，手抄过程中犯错的概率就越高，抄写员纠错的难度就越大——举个例子，他们可能每写下一个字，就要核对两次。
既然物理学定律是“无设计”的，系统维持自身存在（从另一个角度上说就是改变环境）的能力就是宇宙中的一项值得大书特书的罕见品质。鉴于这种品质的重要意义，我给它起了个名字：恢复力（resilience）。
恢复力很难获取，这是大自然的一大残忍现实。古往今来，许多文人骚客都为之扼腕叹息。莎翁作品《暴风雨》中普洛斯彼罗的独白就是一个著名的例子：
我们的狂欢已经结束了。我们的这些演员们，
我曾经告诉过你，原是一群精灵，
都已化成淡烟而消散了。
如同这段幻景的虚妄的构成一样，
入云的楼阁，瑰伟的宫殿，庄严的厅堂，
甚至地球自身，
以及地球上所有的一切，都将同样消散，
就像这一场幻景，连一点烟云的影子都不曾留下。
我们都是梦中的人物，
我们的一生是在酣睡之中。
诗行的形式和韵律着实令人入迷，所以我们初读之时往往会忽视其中的一些重要信息。诗中呈现的只是现实的一方面，它忽略了一些基本事实。如果把这些事实也考虑进来，我们就会发现普洛斯彼罗的悲观情绪和结论实际上是错位的。不过，这些被普洛斯彼罗忽略的事实并非显而易见。为了找到它们，我们就不能只考虑宇宙中自发产生的现象（比如非永恒性、偶尔出现的恢复现象、行星以及城市里高耸入云的高塔）。我们还必须考虑哪些现象可能发生，哪些不可能发生，也即反事实属性。如我之前所说，反事实属性最终也还是由物理学法则决定的。
普洛斯彼罗这番话忽略的最重要元素是，即便是在无设计法则下，事物也可能获得恢复力。当然，由于物理学法则并非为此“设计”的，没有人可以保证一定能获取恢复力，但这确实有可能做到，因为物理学法则并没有禁止任何事物获取恢复力。只消稍稍深入地思考莎士比亚时代可能出现的事物就能清楚地明白这一点。不可否认，确实有一些客观实体拥有某种程度的恢复力。更为重要的是，有些实体的恢复力要更强一些，有些甚至是强很多。而且，同谚语和传统观点相左，这些具有恢复力的实体并非岩石之类的死物，而是拥有生命力的活物。
一般来说，活物的恢复力总是要比像岩石这样的死物强得多。受伤了的动物常常能够自我修复，而岩石显然不行。另一方面，虽然动物个体的命运最终都是死亡，但物种的延续时间往往能超过岩石。
举个细菌的例子：它们已经在地球上生活了30多亿年了，而且几乎没什么变化（但仍在不断进化！）。说得更准确些，在这30多亿年中几乎没什么变化的，实际上是存在于所有细菌细胞中的某些特定指令序列，它们编码了以一些基本成分为基础生产细菌的全部过程，也就是说，这实际上是一张配方。这个配方藏在DNA（脱氧核糖核酸）分子中，而DNA是所有细胞的核心部分，由4种不同化学物质串在一起构成。这种化学物质串的工作原理和由4个字母排列组合而成的单词构成的语句序列没什么两样：每个单词大致就对应了DNA配方中的一种指令。而这些基本指令的集合就是生物学家所说的“基因”。
在历史长河中几乎保持不变的正是细菌的DNA的这种结构，或者说模式。相较之下，同样是在这30多亿年中，地球岩石的分布和结构已经发生了深刻变化。地壳之下的板块运动已经一次又一次地改变了各大陆的面貌。假如有些外星人在地球史前时代登陆，并且从某些生命体（比如蓝藻）中提取了DNA，同时还在太空中拍摄了地球的照片。现在，如果他们再次造访地球并且重复上述操作，结果会怎么样呢？在现在拍摄的地球照片中，所有东西都发生了变化。海洋和大陆的分布已经和史前时代迥然不同。不过，从生命体中提取的DNA结构应该几乎毫无变化。因此，这个宇宙中的某些事物——比如编码在DNA中的这张“配方”——的确可能拥有相当高的恢复力。
普洛斯彼罗独白中忽略的另一个因素是，拥有生命力的实体可以影响环境、改造环境，并且保有反复这么做的能力（这点尤为重要），因而它们留下的绝不会只是过眼“烟云”。如今，地球上仍旧存在10亿年前细菌活动的痕迹（比如化石燃料中的碳）。植物通过光合作用将太阳光转化为化学能，并且在这个过程中释放出氧气，从而极大程度地改变了地球大气的组成。而我们人类当然也有能力在各种条件下改变环境。与普洛斯彼罗的观点相反，宫殿、庙堂和入云的楼阁都能拥有恢复力——因为它们是文明的产物。如果它们出现了问题，我们完全可以按照最初建造它们时的图纸（这其实又是一种“配方”）重建它们，从而保证这些建筑的存在时间能够远超构成它们的基本材料。从原理上说，只要有这样的“配方”，再加上一台功能足够强大的3D打印机，就足以从头开始重建任何已被完全毁坏的古代宫殿。
人类寿命或许还不够长，但技术的发展已经大大延长了我们的寿命——比起我们的祖先来，我们真的已经很长寿了。人类文明正是通过改变自然环境一步步地发展并繁荣兴旺的。我们现在已经掌握了让房间变暖（或变冷）的技术，开发了疗效强大的药物，拥有了在地球上（乃至太空中）高效移动的交通方式以及节省体力、延长生命、丰富生活的各种工具。我们在艺术、文学、音乐、科学领域都取得了伟大成就。实际上，普洛斯彼罗的这番独白就是人类的文学遗产，这些词句从莎士比亚写下开始就一直存活到现在——同样存活下来的，还有人类智慧活动的其他无数奇妙成果。因此，我们举办的这场“狂欢”不仅没有消散，而且还绵延了几十个世纪，并且反过来支撑着我们继续前进。更重要的是，不少其他地球生命的生存时间比我们人类还要长得多，达到了数十亿年。
当然，在我们不断前进的同时，也涌现出了很多严重的问题，始终威胁着人类文明的恢复力。其中有一部分，比如全球变暖和快速传播的传染病，实际上就是我刚才介绍的那个过程的副产品。这些问题向我们提出了诸多棘手的挑战，应对稍有不当，就会轻而易举地抹除我们业已取得的部分成果。不过，在这里，我想表达的重点是：无论这些问题有多严重，我们都有可能采取措施，逐步解决。物理学法则并没有禁止我们沿着之前的发展道路获取更丰厚的果实。它们虽然没有保证我们一定会取得更大成就或是解决现在的这些问题，但也绝对没有禁止我们达到这些目标。只要能解决气候危机等问题，我们就完全可以获得恢复力和更丰硕的成果。以反事实属性为基础描述的物理学法则为我们提供了取得进步的机会。通过仔细审视哪些事件是宇宙中可能发生的，而非仅仅把目光局限于已经出现的现象，我们就能更全面地认识这个物质世界。因此，普洛斯彼罗的悲观结论无疑是片面的，具有严重的误导性。他的观点只是一场不真实的噩梦。
上述内容表明，特定DNA模式中蕴含的“配方”的恢复力要比岩石强得多。此外，构成人类文明的基本元素，比如医药、科学和文学，也同样可以拥有很高的恢复力。因此，在无设计法则的约束下，强恢复力似乎与特定“配方”之间存在必然联系。那么，到底是哪种“配方”？以及，这种“配方”到底由什么构成？
答案必须逐步构建，并且需要我们暂时把重点放到“配方”本身上来。首先，我们得探明在无设计物理学定律的框架下要如何构建“配方”。毕竟，我在前文中也已经提到，无设计物理学定律能够“无偿”保证不变的，只有某些基本粒子和化学物质。因此，我们必须从最基础的角度出发，认清这些最基本的物质组件是怎么在对复杂性一无所知的情况下产生高度复杂的“配方”的。
就从生命细胞DNA中蕴含的“配方”开始吧，毕竟，我们现在已经相对明确地知晓了它们诞生的过程。达尔文的进化论就为我们解释了，有生命的实体及其惊人的生态适应性特征（比如狗的鼻子、海豚的鳍、蜜蜂的翅膀）是怎么在无设计物理学定律的框架下诞生的——而且还没有“造物主”的参与。现在，所有动物的生态适应能力都被编码到了它们生命细胞DNA中蕴含的那张“配方”里。而达尔文理论告诉我们的，就是这张“配方”是怎么在没有精巧设计的情况下编码这种复杂生态适应能力的。这将是我们究明“配方”成分的关键。
在钻研深刻理论时，我们常常需要深入挖掘这个理论的来龙去脉，要想精准掌握达尔文理论解决了何种问题也同样如此。早在达尔文提出进化论之前数十年，就有一位名叫威廉·佩利（William Paley）的神学家清晰地阐述了问题的关键所在。生命如此完美地适应周遭环境，简直就像是为了某个目的而特地被设计出来的一样——就像工厂里生产的汽车。生命就同汽车、手机、手表一样，外观上具有“设计的特征”。你在沙滩上漫步时如果突然看到地上有一块手表，那么你很可能会猜测，这块手表一定是由钟表匠这样的“设计者”组装起来的。然而，在地球诞生之初，根本没有任何可能创造出生命的设计师、工厂，也没有目的明确的设计流程，有的只是物质的基本组件，它们以沸腾冒泡的无定形化学物质浓汤的形式呈现。除此之外，别无其他。于是就有了前面提到的这个问题：生物，以及在生物DNA中编码了生态适应能力的恢复力“配方”，是怎么在没有设计者的情况下出现的？
佩利没有想明白的一点是，其实根本不需要任何刻意的设计过程。构成物质的基本组件（比如简单的化学物质）完全可以通过一种叫作“自然选择”的无目的过程创造出动植物的生态适应能力。而这正是达尔文的伟大发现。自然选择需要的只是时间和一些基本资源，比如简单的化学物质等。这是一种不定向机制，却可以在无设计的简洁物理学法则框架下从无到有地创造出具有复杂的特定功能的生物体。
按照如今人们对达尔文理论的认识，进化论中有两个关键概念。其一是复制因子，理查德·道金斯的著作《自私的基因》就非常清晰地阐明了复制因子在进化过程中扮演的关键角色。我们还是以细菌为例来阐释这个问题。构造细菌的配方中的每一条指令都扎根在细菌DNA某部分的特定模式中，这个部分就叫作“基因”。而基因有一种特殊属性：每当细菌细胞自我繁衍、创造出另一个个体时，基因的各种模式会先完成复制，接着，新细菌细胞的其余部分则在DNA配方的指挥下构建出来。既然这些基因拥有自我复制的能力，我们就称它们为“复制因子”。顺便一提，复制因子的复制过程是逐步完成的，是一个“逐字逐句”展开的过程，与古时候修道者手抄典籍的过程有点儿像。一旦复制过程开始，细菌内部还能以一套类似的工作流程来纠正错误。细菌DNA结构正是通过这整套流程在历史长河中生存了下来：多亏了一代代的复制和细胞自带的纠错机制，细菌的DNA结构得以代代相传，从而大大超越了细菌本身的生命周期。有意思的是，一代代细菌通过复制流传下来的，是为基因编码的特定模式，或者说基本指令：细菌每次复制时，物理形态都有可能发生改变，但它将自身的所有属性以这种特定模式的形式保存了下来。这个过程可以类比抄写员抄写典籍时的情况：记录文字的墨水和纸张可以不同，但只要没有抄写错误，文字本身应当与原来一模一样。也就是说，这类模式具有一种特别的反事实属性：从某个物理载体转移到另一个物理载体时，它们可以保留自身的所有特性，从而形成一种特殊的“信息”——关于信息，我会在第3章中给出更准确的解释（当然是以反事实属性为基础）。
因此，我们在周遭动物身上看到的那种拥有恢复力的配方一定是由某种信息构成的。要理解具体是何种信息，就必须考虑达尔文理论中的第二个关键概念了，即变异和选择。
我们还是以细菌为例。既然物理学法则是无设计的，那么，细菌一代又一代的复制过程就完全可能因为与环境发生相互作用而出现错误，这就导致复制基因出现了无目的的变化（也即“变异”）。如果这种错误发生的频率恰到好处——既不太频繁，又不太稀少——就可能在新形成的细菌细胞中产生编码某种不同特征的基因变体，也即产生了新配方。有的时候，这种改变让拥有这种基因变体的细菌个体可以更好地适应环境、变得更加成功，从而保证了这种基因变体及其编码的新配方可以延续下去，并挤占其他基因的生存空间。在这种环境下，不那么成功的基因变体会在与成功基因变体的竞争中败下阵来，最终走向消亡。这个现象就是“自然选择”。这种无目的过程的产物可以优雅如蝶翼，迅捷如黑豹。各种生物的出现并非由于什么设计者的存在，只是因为具有复制能力的分子在不断复制而已。
自然选择正是解释“为何现存配方中的信息值得特别关注”的关键所在。由于自然选择是无目的的，只有极少数变化有价值，能够产生可以自我延续下去的复制基因，大多数变化都是无价值的，最终结局只能是消亡。举个例子，对于在由深色树木组成的森林中生活的飞蛾来说，它们体内编码翅膀颜色的基因只有发生特定的某些变化才有积极意义，比如能让它们的翅膀颜色更接近树木颜色的变化，因为这样就能给它们提供保护色，让它们更容易逃脱捕食者的追捕。那么，区分有益变化和无益变化的又是什么呢？是一种特殊的信息。这种信息可以让自身在物理系统中具象化，是一种具有恢复力的信息。
我把这种具有恢复力的信息称为“知识”（我会在第5章中全面论述其含义）。对于适应环境的过程而言，这是一种关于周遭环境特征的知识，比如森林里的树都是深色的。从这个意义上讲，这种知识并不非得被某个人、某个动物知晓——飞蛾不需要知道自己的翅膀是深色的。这种知识仅代表了一种特定的信息，也就是我们前面说的可以让自身在物理系统中具象化并存续下去的那种信息。就飞蛾的这个例子来说，这种信息实现具象化的手段就是在DNA中编码环境的某些特征。而自然选择就是一种通过对生态适应性特征的无目的选择，在偶然间创造出知识的过程。这种过程没有方向性、没有目的性，但只要有足够长的时间和足够多的遗传资源，就能让事物变得看上去像是刻意设计出来的一样，虽然实际上根本不需要设计师。
我在前文中还提到了另一种配方，就是延续人类文明的那种配方，它们编码了如何构建宫殿、工厂、汽车、机器人等人类智慧的结晶。
这类配方中也含有信息。这些信息也同样可以代代相传、永生不灭，依托的物理介质包括人类大脑、纸张、书籍、文档、历史记录、科学论文、会议纪要、网络等。不过，这类知识的源头并非自然选择，而是人类的思考，并且其应用范围超越了直接源于自然选择的那类知识。
正是通过这类知识，人类才得以建设出不断进步、成长的文明——哪怕这个文明也经常犯一些大错。这类知识中包含了人类的思想果实，它们就是梦的料子。不过，这类知识并不像普洛斯彼罗认为的那样会如淡烟一般逐渐消散，相反，它们才是获取恢复力的关键。实际上，普洛斯彼罗的独白中蕴含的知识就一直流传到了今时今日。因此，知识才是这个宇宙中恢复力最强的事物。
既然知识在复杂对象的存续中扮演了如此重要的角色，那么就很有必要深入了解新知识是怎么从我们的脑海中诞生的。好在，哲学家卡尔·波普尔早在20世纪中叶就阐明了这个过程。他提出，知识的诞生总是始于问题——我们可以把这里的“问题”看作关于现实的不同观念之间的冲突。波普尔对知识的这种观点对意见冲突给出了相当积极、正面的诠释。矛盾就是问题，但幸运的是，问题可以带来新发现。举个例子，作家在写作时，头脑中会有这样的观点冲突：一方面，他非常想要运用一些优雅、华丽、抒情的辞藻（文学性）；另一方面，他又觉得有必要用扣人心弦的情节维持读者的注意力（故事性）。他必须想办法两者兼得，但在某些情况下，这两者就是无法共存。例如，一大段描述美景的华丽辞藻就完全满足前一个标准，但也同样可能导致读者扔下书本、打开电视，因为这种写景明显拖慢了故事情节的推进。要解决这样的问题，就必须开发一些新知识。
首先，这位作家得构思出几个他认为可行的备选方案——大致就相当于自然选择中复制因子的变异。他既可以把这些方案写下来，也可以只是放在脑海里，抑或是两者兼用。值得注意的是，这些备选方案或许到处都是错漏，甚至造成比原来还糟糕的结果。于是，作家就得转入第二阶段：批判。批判就是一个寻找错误、纠正错误的过程，目的是为了改进方案——相当于自然选择。有的时候，这个过程不自觉地就发生了，完全没有引起我们的注意，因而让我们觉得好想法都是凭空产生的一样，但实际上，批判过程确实发生了。一般来说，作家总是会抛弃无数个版本的草稿，直到最终产品能够兼具文学性和故事性。如果上述构想—批判的方案奏效，那么最后的作品就可能拥有杰作的标志性特征：已经很难在文学性和故事性兼备的硬性要求下，进一步修改它了，因为它就是在无数不那么符合标准的版本基础上反复修改而成的。因此，文学杰作都含有新知识：它应当为人类铭记，应当被翻译成各种语言，应当千秋万代代代相传，只要文明仍旧存在，它就能让各个年龄段的人都从中获益。正如莎士比亚在十四行诗第18首中所说：
只要人眼能看，人口能呼吸，
我诗必长存，使你万世流芳。
这种尝试修改的过程并不一定就能成功。由于物理学法则是无设计的，自然也没有任何人可以保证，通过构思和批判就一定能取得进步，但这么做确实可以带来进步。同样的道理，一种看似不错的针对某个问题的解决方案，可能会在后续阶段慢慢变得不再那么合适。举个物理学领域的例子：牛顿的引力理论在诞生之后的近三个世纪中大获成功，它解释了包括行星运动在内的诸多现象，但后来，物理学家就慢慢发现引力理论也存在缺陷，而爱因斯坦的广义相对论是更好的理论。绝对的真理并不存在：再好的解决方案都可能包含某些差错。这个原理的基础其实是易谬主义，它是波普尔解释理性思考的一大支柱。易谬主义告诉我们，即便我们目前对找到的某些问题的解决方案很是满意，未来也仍旧有可能对其进行批判，从而使进步成为可能。这就给理论、故事、艺术和音乐的不断进步留下了空间。此外，易谬主义还告诉我们，差错才是最值得寻找的东西。我们只要还希望取得进步，就应该尽可能多、尽可能快地找到差错。
到目前为止，我已经解释了“配方”才是获得恢复力的关键，且“配方”由特殊类型的信息——知识——构成，而知识拥有一种使自身不断延续下去的能力。此外，我还解释了两种已知的知识生产过程：一是人类思想中的构思与批判，二是自然界中的变异和自然选择。
有一点需要强调一下：物理学定律允许但不保证知识的创造。因此，知识的生产过程也可能会在某些时间段停滞。例如，自然选择有时就会停滞不前——这会导致像生命大灭绝这样的事件（地球在史前冰河时代就经历过数次生命大灭绝）。这主要是因为自然选择不像构思和批判那样可以跳跃式发展。一个配方要想产生高恢复力配方，它本身也必须具有高恢复力。也就是说，它必须编码某种成功的变异特征，因为只有这样，才能让携带这种配方的动物生存足够长的时间，从而通过繁衍进一步创造出具有更高恢复力的配方。然而，有些编码了成功变异特征的可靠高恢复力配方可能永远无法通过这种方式产生，因为产生这类配方的前提是存在一系列低恢复力配方，而这个前提是不可能实现的，因为携带低恢复力配方的动物肯定比较短命，因而无法把这些配方传给下一代。
另一方面，人类的思维过程却可以跳跃式发展。我们都非常清楚，好想法的前提条件并不一定全部是同样可靠的好想法。不过，饶是如此，人类思想中的知识创造过程也同样可能陷入停滞。无论是个人，还是整个社会，都应该警惕，不要进入这样的知识创造停滞阶段。教条主义强加的各种不可改变的限制尤其不利于知识的创造，因为这大大限制了我们构思和批判的能力。
在过去几个世纪里，知识创造的伟大事业一直在不断蓬勃发展，产生了艺术、音乐、文学领域的诸多杰作，也产生了无数强大、有效的科学理论。回望过去，我们欣慰地看到，人类文明自诞生以来，始终在不断进步。展望未来，至少有数个领域仍存在巨大的进步空间，尤其是在当前的背景下，人类正面对诸多紧急重大问题——比如与气候变化相关的议题，以及医学领域与宏观经济领域出现的诸多有待解决的难题。
不过，如果把镜头拉远，从更广阔的视角看待知识创造的世界，我们就会发现基础科学领域（特别是物理学领域）的景色大为不同。物理学内部出现了一条边界，这条边界影响并限制了构思和批判的途径，它从一开始就把特定类型的解释排除在允许范畴之外，这类解释便是涉及反事实属性的解释。这条边界产生的原因在于一种已经悄无声息地存在了一段时间却几乎没人注意到的现象——就像是船只的吃水线以下有一个不起眼的小洞，导致不停地有水渗入船内。至于这个现象究竟是什么，我们必须从它的源头说起，也就是从物理学的开端说起。
说起来也是有些讽刺，这种限制了物理学发展的现象竟然源自物理学本身。要知道，物理学就是“思考孕育知识，促进人类社会快速进步”的最好例子之一。基于中小学里教授的物理学课程，物理学乍看之下似乎只是一些解决各种不相关问题的工具。这些问题就是你在学校每周物理学测验中经常遇到的那些：从特定高度的树上落下的苹果在空中的下落时间是多少，以特定流速流动的水注满特定体积的浴缸需要多长时间，等等。相较于其他学科，比如文学和哲学，物理学似乎和深刻的事物毫无关系。毕竟，有谁会关心苹果是怎么从树上掉下来的？把目光集中在这样的现象上，是不是太过狭隘了？
然而，这样的第一印象与事实相差甚远。物理学是一场令人眼花缭乱的烟火表演。它深刻、美丽、富有启发性，也是无穷乐趣的源泉所在。我们在不断填补过去认知空白的过程中认识现实，而物理学解决的正是我们在这个过程中遇到的各种问题。物理学的意义可不只是解决苹果下落过程的具体计算问题。最重要的，是这个现象背后的诠释，它主宰了一切运动——苹果从树上落下的运动，本质上和太阳系内的行星运动，以及宇宙中其他天体的运动，都是一样的。物理学解决的问题看似令人眼花缭乱，背后却包含着解释。它向我们揭示了此前未知并且与直觉大相径庭的原理，令我们大吃一惊。前文中也提到，问题总是与世界观之间的矛盾或冲突相关。例如，过去，人们认为地球是宇宙的中心，但这个观点与各类观测事实（如恒星和行星、月亮的运动）产生了不可调和的矛盾。正是这种矛盾促使哥白尼和伽利略提出，太阳才是太阳系的中心，地球不是。哥白尼革命就是一场令人震惊的世界观的改变。正是因为有了这场思想上的革命，我们才得以在天文学和天体力学领域取得巨大进步，并一步步地建立了如今的空间探索事业。
在解决这类问题的过程中，物理学家逐渐发现了一个令人完全意想不到的世界，并且从更深的层次向我们讲述了有关事物本质的故事。这些层次是我们的感官无法直接触及的，但我们的思维可以借助各种解释将其具象化。
在如今的物理学中，所有解释都包含一些基本元素，物理学对物理现实的解释正是以这些元素为基础。黑暗的夜空就是这方面的一个完美例子。夜空为什么是黑暗的？要想解释这个客观事实，就要涉及很多连提问者都未曾想到的内容，比如光子的性质、宇宙在膨胀的事实，等等。单纯考虑夜空，实在是很难联想到这些元素，但它们的确就是夜空呈现出我们看到的这种样子的原因。从这个角度上说，物理学的解释就是基于大部分看不见的元素来阐述我们看得到的现象。
从原理上说，我们完全可以一层又一层地深入挖掘越来越基本的元素，这方面没有任何限制。毕竟，构成物理学解释的基本元素也总是能用其他物理实在进一步解释，因而可以不断深入下去。不过，深层次的解释有时候会与浅层次解释大相径庭。例如，有那么一段时间，物理学界认为粒子就是物理现实的终极元素——所谓粒子，就是一些能通过力隔空相互作用的微小离散物质团块。然而，后来，这种粒子观被场的概念推翻了。物理学中的场以一种连续（区别于离散）的方式渗透到万事万物中。如今，物理学家认为粒子是场的激发，或者说场的涟漪。然而，从原理上说，场也可以进一步分解成更深层面上的元素——这就会开辟一种更为基础的全新物理现实诠释。对我们来说，这似乎很难想象，但我们必须做好准备去想象比场更基础的物理实在，因为物理学迟早会出现更为基础、更为深入的解释。因此，科学知识的结构其实就是对现实的不同层级的诠释。其中的各个层级有时可以是独立的，也即无须参考其他层级的诠释，仅在本层级内部讨论也仍旧成立。举个例子，如果你现在想要描述某些简单的力学相互作用，比如两个刚性球体的碰撞，也仍旧可以从粒子的角度出发，无须考虑场那个层级的诠释。另外，没有哪个层级是详尽无遗的，要想全面认识物理现实，它们都不可或缺。
在物理学中，知识创造过程最常产出的是能够解决特定问题的知识，比如解释天空在夜里为什么是黑暗的、为什么太阳每天都是东升西落，等等。这种解决问题的过程时不时地会催生出全新的物理学理论，比如牛顿力学、广义相对论和量子理论。这些罕见的事件产生了重大影响，彻底改变了我们看待世界的方式，人们往往要花费数十年才能彻底吸收并消化这巨大的理论变化。此外，新物理理论的理论及实际内涵往往要在理论提出之后很长一段时间才能明确。举个例子，GPS（全球定位系统）借助一个围绕地球运动的卫星网络，为我们的手机、汽车等设备提供了有关位置和时间的准确信息。乍一看，这和爱因斯坦的广义相对论没有任何联系，然而，GPS实际上与广义相对论描述的现象直接相关。因此，只有在建立广义相对论之后，我们才能开发出GPS，“能开发出GPS”是广义相对论带来的一种反事实属性。
这就是为什么新的物理理论要比特定问题的解决方法更加重要。真实的物理学法则约束着宇宙中的万事万物，而物理理论就是一种试图尽可能接近真实物理学法则的推测性解释。如果你要求物理学家写下我们目前了解的物理学法则，他们很可能会先写下一大串方程，比如E=mc2。但接着，他们又会重新思考，会开始用语言解释方程中出现的各种符号，比如E代表能量，m代表质量，c代表光速，等等。他们还会向你解释能量、质量、速度、光到底是什么，这一切的一切就是那些方程表达的物理理论的核心内容。方程与解释，这两者有机结合，缺一不可：没有对应的解释，方程就变得空洞、无意义；没有方程，解释就变得太过模糊，无法应用。因此，物理理论不只是一个个像E=mc2这样的方程，也不只是它提出的所有可检验预言。物理理论是一种推测性解释，包含了对E、m、c这样的符号以及它们之间联系的详细描述。这一点对无法直接测量的事物（比如“时空几何”）也同样适用，这类概念虽然不像光速那样可以直接测量，但对解释方程（方程也与理论预言直接相关）背后的含义也至关重要。
在实践中，物理理论要想成为可靠的解释，必须至少拥有某些能保证它们没有基本缺陷的特质。首先，物理理论必须是精确的。这里所说的“精确”，并不是指用数学语言精准描述，或是类似的事情，而是指物理理论的表述准确性不应该受到任何限制。简单来说就是，物理理论的表述不应该有任何含糊其词之处。举一个例子，假如有两份制作蛋糕的配方，一份要求你往碗里放100克左右的糖，另一份要求你放100克糖。前者就是一种近似描述，100克左右意味着99克或者101克可能都没问题；后者是精确描述，意味着多一克少一克都不行。近似描述会让人产生疑惑。例如，有人看到放100克左右的糖这种说法，就会发问：为什么是100克左右，不能就是精确的99克？和这种模糊配方一样，物理理论要是对物理现实解释得含糊不清，也会带来很多问题。牛顿力学就是一种精确描述的物理理论。借助这个理论，我们只要知道苹果何时、何地、以何种初始速度从树上掉下来，就能准确地预测它落到地上的位置和时间。此外，牛顿力学还是一种适用性最为广泛的理论，也就是说它具有普适性。所谓“普适理论”，就是指这种理论的应用范围没有任何局限。牛顿理论不仅适用于地球上的苹果，也同样适用于火星上的苹果，适用于宇宙其他任何地方的苹果和任何事物。另一方面，那些不具普适性、只能应用于某些尺度或某些领域的物理理论本身就多少有些问题，因为这种理论还必须解决这样一个问题：为什么它只能在这种尺度或这个领域内成立，对其他尺度或其他领域就不成立了？
因此，在我们认识物理现实的过程中，物理学正是通过解决一个又一个阶段性的小问题，最终找到精确的普适理论的。正如我将在第2章和第7章中介绍的那样，这类理论还必须是可检验的。只有这样，我们才能将它们与现实情况做比较，从而发现潜在的错误。
按照易谬主义的观点，必须指出，前面所说的“精确”完全不是“正确”的意思。人类构思的任何暂时似乎奏效的物理解释，都有可能在未来的任意时刻被证伪。我前面提到，牛顿引力理论后来被量子理论和广义相对论取代了，这就是绝好的例子。我们永远都无法知晓自己构建的物理理论是否完全正确，我们只能说，到目前为止，没有证据证明它错误。这听上去确实会让人有些不安，却也是关于知识创造方式的一个极有意思的方面。另外，正如我之前所说，它也是通过批判可能取得进步的核心所在。
说到这里，我们已经往那条排斥反事实属性的有害边界的方向前进了一步。不难想象，构建物理学解释有许多方法。但是，究竟有多少？不知道，可能有无限多。牛顿理论的解释模式有一个鲜明的特点：它仅限于解释宇宙中发生的现象，基础则是两个基本元素——其一就是物理学术语中的“运动定律”，即告诉我们系统如何在空间和时间中运动（物理学家称其为“动力学”）的那些规则；另一个就是这类运动的初始条件。举个例子，只要给定苹果的初始条件（苹果开始运动的特定位置以及初始速度），就能运用牛顿运动定律预测它之后发生的一切。系统在运动时经过的一个个点的集合就叫作“轨迹”。想象一下对墙打网球时的场景，在球离开球拍之后，我们可以画出一条表示球后续运动位置的假想线，这就是球的运动轨迹。只要有了初始条件，再借助运动定律，我们就能预测这条轨迹，无须切实观察击打网球的全过程。只要知晓球的初始位置和初始速度，我们就能借助运动定律计算出它的运动轨迹，从而准确预测它在后续每个时间点上所处的位置。
事实证明，这种基于已发生现象的解释模式非常成功且影响深远。借助这种模式，我们可以提出强有力的预测，接着用实验加以检验，从而为进一步的构思和批判打下坚实基础。尽管后来牛顿理论被证明不够完善——例如，它无法解释水星的进动现象——这种解释模式也依旧取得了巨大成功。牛顿理论孕育了量子理论和广义相对论，而它们正是人类目前解释物理现实的最佳理论。到目前为止，这两大精妙理论仍旧是由运动定律表述的，也就是说，如今我们使用的解释模式仍旧是牛顿当年构建牛顿定律时用的那一套。
虽然这种解释模式取得了巨大成功，但它已然产生了一些可能阻碍物理学进步的壁垒。物理学界形成了一种心照不宣的约定，我称其为基础物理学的传统构想。这种构想认为，所有基础物理学理论都必须以与宇宙中发生的现象有关的预言为基础，通过初始条件（或者更一般意义上的补充条件）和运动定律来构建。于是，物理学不再是一个完全开放的领域，它只能去寻找仅以宇宙中已发生现象为阐述基础、通过运动定律以及初始条件来构建的物理理论。于是，我们得到的有关物理现实的终极理论就会包含宇宙中所有基本粒子运动轨迹的集合（前提是它们运动的初始位置和时间已知）。当然，我们目前还没有发展出这样一种理论，但按照基础物理学的传统构想，这种理论就是对宇宙中一切重要之物的终极解释。
基础物理学的传统构想竖起了一道坚实的壁垒，将基于反事实属性的解释挡在了外面。然而，仔细研究这种构想就会发现，它存在严重缺陷。首先，依靠初始条件和运动定律不可能解释一切。举个例子，即便我们建立了一套描述宇宙初始条件的合理理论，它本身也无法从初始条件的角度加以解释。至少，这个理论从一开始就应该考量如果选择其他初始条件会出现何种情况——这样一来，它就是一种反事实解释了！实际上，如何解释初始条件的选择正是基础物理学中一个悬而未决的重要问题。另外，还有其他未解决的问题也同样涉及反事实属性，比如关于“物理学定律精细调节”的问题——保罗·戴维斯的作品《金发女郎之谜》（The Goldilocks Enigma）详尽地阐述了这个问题。如果仅从宇宙中已发生的现象出发，是无法解决精细调节问题的，必须同时考虑如果物理学定律发生了改变，宇宙会是什么样子，而这就必然涉及反事实属性。另外，根据一个仅以给定初始条件为基础构建的理论去解释我们如今在宇宙中看到的一切，这本身就非常武断。实际上，按照这种逻辑，只要知晓宇宙的最终状态，再反向运用运动定律，也即“倒推”，就能描述宇宙中已经发生的一切（自然也包括我们现在看到的一切），根本无须预言各种事件目前及后续的状态。
基础物理学的传统构想还有一个重大缺陷：它与我之前提到的理性思考支柱相冲突。所谓“理性思考”，就是通过构思和批判让物理理论拥有可以改变和可以提升的空间。物理学的根本目标是解决问题，因此，它追寻的是一切可以检验的精确的普适定律，至于构建这类定律的解释模式，物理学不应当做任何要求，只要合适即可。然而，传统构想却大大限制了物理理论的构建方式，从而也大大约束了我们思考的空间。总而言之，基础物理学的传统构想在物理学领域竖起了一道壁垒，严重阻碍了物理学进一步发展。在这种范式下，物理学只能研究那些完美符合传统构想基本条件（基于初始条件和运动定律就能描述）的事物，至于不满足基本条件的其他现象，就解释得不那么令人满意了。
不仅如此，基础物理学的传统构想还催生出了一种如今已经扩散到其他科学领域的方法论，也即“还原论”。还原论认为，在所有合理的解释模式层级中，只有一种是最基本的，其他一切都可以通过某种方式还原到这个最基本的层级上来。根据目前的情况，这种解释层级大概就是基本粒子或场以及它们的轨迹——前提当然是初始条件已知。然而，这种看待物理现实的角度未免太过狭隘。有很多问题是这种方法无法解答的，而且这些问题往往对我们全面认识各种物理现象起到了深刻且重要的作用。举个例子，“为什么（计算机内）某个晶体管在某次计算后处于‘开’的状态？”，这个问题至少有两种答案。其一，这可能是因为计算机设定的初始状态让电子处于让晶体管“开”的状态；其二，这可能是因为计算机执行了一次相关运算，比如找出15的因子，而这个晶体管处于“开”状态就是计算结果（3和5）的一部分。按照还原论的观点，后面那种解释就“不那么基本”，毕竟，在计算机运算中，“找到某个数的因子，无非就是计算机中的电流活动而已”。归根结底，还原论认为没有必要描述计算过程，哪怕部分还原论的支持者认为这的确是一种颇有助益的认识方式。然而，这当然是说不通的。要想全面认识计算机的运算，这两种解释都确有必要。它们代表了两种不同的自洽解释层级，且彼此无涉。无论忽视其中哪一种，都会错失有关物理现实的某些关键信息。还原论之所以会阻碍物理学及科学整体的进步，就是因为它要求所有解释都必须遵照某种预设的武断标准——例如，还原论要求所有解释都要从微观粒子及其运动轨迹的角度出发。然而，在我举的这个关于计算机晶体管的例子中，仅仅基于微观粒子及其初始状态（在这个例子中是指计算机中的电流）的解释完全不足以让我们全面地认识整个计算过程（找出某个数字的因子）。但还原论的支持者固执地认为，所有不符合他们预设的标准的解释模式都应该摒弃。无论这种解释涉及的是信息学、热力学，还是创造力、人类意识，乃至科学领域之外的事物，只要不符合他们的标准，还原论者就认为它们是“模糊不清”的。这就导致了大受限制的狭隘科学观。
事实情况是，的确存在无法用传统构想全面解释的物理现象。具体说来，有关这些现象的物理理论和解释在使用传统方法表达时只能无奈采用含糊不清的不精准形式。因此，如果固守传统构想，显然无法在科学层面上恰当地解释这些现象。
用传统构想无法恰当解释的一个重要例子就是某些热力学对象，比如与特定类型的能量转换相关的一些物理量——在物理学中，我们称其为“功”和“热”。描述功如何转化成热、热如何转化为功的物理学定律正是热机这样的机械的理论核心，而热机正是工业革命的基础。然而，物理学界常常只把热力学看作一种有用的近似，而非基础物理学理论。按照这个观点，功和热就没有进一步解释的价值了，因为根据这两个概念构建的精确理论不符合传统构想，即无法在给定初始条件和运动定律的前提下陈述相关现象。于是，传统构想索性放弃了对功、热以及相关对象的精确认识，转而宣称对目前这种仍有问题的近似理论表示满意。就像我在后文中介绍的那样，这类理论的确非常有效，但只在特定场景下如此，比如在设计汽车和火车头使用的热机时。然而，仔细审视这些理论依赖的近似条件就会发现，当我们以基础理论的视角看待这些条件时，它们就显得不那么准确了。我会在第6章中阐述这些问题，并且介绍如何用反事实属性解决它们。
推而广之，按照传统构想的观点，任何不符合表达范式（基于动力学定律和初始条件给出的精确物理学理论）的现象或对象都应该被视作附属现象，而非基本现象。科学哲学家称这类对象为“突现”（emergent）对象，因为它们只在特定解释层级上才有意义，而传统构想认为这些层级并不是基本的。即便我们目前对这类对象的认识并不精确、尚有问题，传统构想也督促我们继续沿用这套认识，同时宣称这些对象并非基础物理学真正关心的内容。这种观点的问题在于，要想全面认识某种现象，需要所有层级的解释（想想我之前提到的计算机和工厂生产汽车的例子）。各个解释层级就像蛋糕的分层一样，只有它们整合到一起，才会好吃。要是无视蛋糕顶部的奶油、水果，直接从最底层中挖出一块来吃，肯定无法品尝到这个蛋糕的全部风味。而本书会引入反事实属性，从而让你一品整个蛋糕的风味。
那么，仅以传统构想为基础构建的物理学以及科学究竟损失了哪些内容？我来举一个简单的例子，你可以在这个例子里看到，传统构想无法充分掌握某些属性的本质。为了更好地说明问题，我得虚构一位技艺非凡的小说家。这位作家不仅对自己的作品十分上心，而且为人慷慨大方，非常乐意在其他作家的作品中担任主角。为了方便讨论，我们还得假设他是有史以来最好的小说家，并且喜欢手写作品——用他那支绿色的圆珠笔。作为一名高产作家，他总是会在身边带些白纸，以便灵光乍现时能及时记录下来。此外，他书桌里还有一个专用的秘密抽屉，储存了一大摞白纸，以备不时之需。也就是说，这位作家或许一辈子都不会用到这摞白纸，这些纸永远都是空白。从原理上说，基础物理学的传统构想可以根据宇宙的初始条件和运动定律预测到这个结果。然而，这些纸的最重要属性并非它们是不是空白的，而是它们上面可以写字。这才是最重要的属性，因为这解释了为什么作家要如此精心地将其保存在专用抽屉里，以及为什么它们会处于空白状态。可是，传统构想根本无法凸显这种关于白纸上可能发生什么的属性。这就是一种反事实属性：正如我之前介绍的，它关乎的是可能发生什么，而非现状是什么。基础物理学的基本构想根本不可能体现反事实属性，因为它坚持要求仅基于初始条件和运动定律来解释宇宙中已发生的事，并预测将要出现的情况——也就是只关心苹果或电子的运动轨迹，同时忽略其他层面上的解释。然而，要想全面认识物理现实，所有层面上的解释都是必要的。忽略其中任意一部分都会导致某些重要信息的缺失。
再来举一个简单的例子：一个通过口口相传就能在一代代人中流传下去、不需要文字记录的小故事，就假设是一个古希腊神话故事吧。故事的内容是这样的：雅典国王埃勾斯之子忒修斯准备去克里特岛擒杀牛首人身怪弥诺陶洛斯。临行前，忒修斯和年迈的父亲约定：如果他打败了弥诺陶洛斯，那么船队返航时就升起船上的白帆；如果他不幸战败身死，就升起黑帆。接着，忒修斯就出发了，并且最终打败了弥诺陶洛斯。可是，返航途中，各种各样的事让忒修斯分了心（尤其是因为他的未婚妻阿里阿德涅可能也在船上！），导致他忘了让船员们升起白帆。结果，站在雅典最高塔楼上的老国王埃勾斯看着不断驶近的船只上挂着黑帆，很自然地认为儿子战败身死了。伤心欲绝的他投海溺死，因为这个悲剧，这片海域也由埃勾斯的名字（Aegeus）得名为“爱琴海”（Aegean）。
现在，再假设由我们的那位大作家来讲述这个小故事，但有个限制：他只能以确实发生的情况来描述这个故事，也即完全不能涉及反事实属性。具体而言，他不能提及与物理系统可能或不可能出现的变化有关的属性。
事实证明，这个任务不可能完成。忒修斯的这个故事要讲得通，要传递出本身蕴含的所有含义，船的两大属性就不得不提。其一，船可以发送某种信号，在这个故事中是两种状态之一——升白帆或升黑帆。其二，升白帆或升黑帆的这个信息可以通过某种方式复制到某些物理系统中，比如埃勾斯的眼睛和大脑。这种可复制属性告诉我们，船上的帆含有信息（就像前面提到的生物的复制因子一样）。
这两个属性，就像白纸的属性一样，都是反事实属性。因此，在传统构想的限制下，根本无法体现这个古希腊神话的全部含义，即便是有史以来最好的作家也不行！
同样，局限于传统构想限制条件之下的物理学也缺失了与物理现实相关的一些必要内容。要知道，反事实属性绝不是物理属性中的奇珍异宝，它们非常常见，更是认识许多物理现象（这些现象目前为止被学界主流观点贴上了“突现”“非基本”等标签）背后重要原理的关键所在。秉持传统构想的物理学界已经放弃了通过精确的普适定律准确认识这些现象的希望。但我在前文中已经介绍的多个例子表明，那些对我们认识现代生活中的现象至关重要的属性都是反事实属性：复制因子可以让自己被复制；看似精心设计的结果其实与特定原子集合在得到恰当输入时可以做什么有关；而恢复力代表的则是系统保存自身的能力。信息则是另一种在人类现代技术中扮演重要角色的反事实属性，它与复制特定模式的可能性有关。知识对认识人工智能这样的现象至关重要，它也由一种反事实属性定义：知识就是能始终维持自身存在的信息。另外，我随后会在第6章中解释，功和热这两个热力学概念——这两个概念是我们认识宇宙不可逆性和能量转换现象的关键——也与反事实属性相关。即便是像量子计算这样奇异的过程（我会在第4章中介绍这个问题），其本质也与物理系统的许多精确反事实属性相关。我们现在一提到量子现象，往往会觉得它们很神秘，甚至有点儿惊悚，但事实远非如此，与量子现象紧密关联的反事实属性其实完全可以被精确表达并理解。
读完本书，你就会知道，以反事实属性为基础构建精确的普适定律完全是可行的。这是一种与传统构想完全不同的解释模式，关注重点在于何种现象可能发生、何种现象不可能发生。在后续章节中，我们将一起探索这种关于可能与不可能的科学，看看它究竟是怎么运作的，是怎么用精确的定律解释那些传统构想压根儿无法解释的存在的。至于如何建立这种关于可能与不可能的科学，那是另一个故事了。未来我们是否有机会讲述这个故事，以及这个故事会有多精彩、有多强的恢复力，则取决于我们未来能开发出何种“梦的材料”，也就是取决于我们自己。
