登陆新世界：预测的历史

1942年12月2日这一天注定要被写进历史。这天，恩里科·费米（Enrico Fermi）来到芝加哥大学体育场的地下室，这里是芝加哥一号堆，也是世界上第一座铀—石墨原子反应堆。这位意大利物理学家是斯多葛主义信徒，向来喜怒不形于色。如今，实验到了最后关头，在场所有人都能感受到他内心的紧张与兴奋。他手持计数器站在控制台前，9时45分，反应堆正式启动，能够吸收中子的镉控制棒被慢慢抽取出来，使越来越多的铀接触到中子。中子轰击铀核，使铀核发生裂变，裂变过程中会释放中子，这些中子会再引发其他铀核裂变。石墨使铀核裂变释放出的中子速度放慢，从而使中子更容易与其他铀核碰撞发生裂变。随着计数器咔咔声节奏越来越快，铀核裂变开始了。下午3时20分，费米下令把控制棒继续往外抽取，几分钟后，计数器的声音稳定下来，反应堆达到临界点。人类历史上第一次核链式反应开始自动进行了。大家打开提前准备好的红酒，斟满纸杯，无声而热烈地庆祝。诺贝尔物理学奖得主、物理学家阿瑟·康普顿（Arthur Compton）给时任美国国防研究委员会主席詹姆斯·科南特（James Conant）发去一封著名电报，内容相当简洁：“意大利航海家已登陆新世界。”

这封电报宣告人类进入了原子时代。这场始于17世纪的探索在1942年12月2日有了完美结局。300年来，人类对自然元素的探究从未停歇，这场旅途让我们更了解自然，也更了解自身。我们对今天的天气了如指掌，对明天会不会下雨心中有数，还能准确预测下一次日食会在哪一天发生。这份对未知世界的确知和自信，是原子时代科学昌隆的象征。这场旅途从未停止，还在不断加速前进。如今，人类已进入亚原子世界，商业化载人宇宙飞船已成为现实，几十年前，人类还在月球上留下了脚印。这是人类致广大、探精微的共同事业，是瓦格纳音乐大气磅礴的高潮。在一次次从成功走向成功的过程中，我们几乎产生了幻觉，以为自己不仅完全了解外部世界，还掌控了周围的万事万物。掌控万事万物？这么说可能太抽象了。其实，了解化学反应的机制、制造新能源、设计新型飞机，都是对物质进行控制的某种形式。

当然还有更精致、更微妙的控制形式，那就是本书的主题——预测能力。晚上入睡前，我们知道第二天太阳会照常升起，并且一定会在几点几分升起，这就是确定性；看着一轮满月挂在夜空，我们欣赏之余还不忘查一下下次月全食会在哪天发生，这是种有诗意的确定性；引发海啸的地震会产生独特的声波，我们可以利用它缩短海啸的预警时间，这是可以拯救生命、减少财产损失的确定性。人类在宇宙中何其渺小，预测能力极大缓解了我们的无力感。因为能够预测未来，我们意识到历史上的天灾并非神秘力量作祟，作为自然现象，它们完全可以被我们认识。知识是对治恐惧的药方。预测能力帮我们战胜了最古老的恐惧。

不瞒大家说，我刚开始学物理时，最令我兴奋的就是通过学习获得一种掌控感。我能预测天体运行，掌握运动定律和热力学法则。我知道得越多就越自信，越相信周围的一切都可以被理解、被预测、被控制。物理学家在把原子、电子这些视之不见、抟之不得的微粒写成方程时，会产生智力上的愉悦。但我还要告诉大家，真正优秀的物理学家不会沉溺于这种快乐，而是随着研究的深入越来越清醒。

科学的基础是实验，但实验的条件都是明确的或是给定的，观察的现象也是具体的。我们观察两颗行星的运动，学习引力法则；观察恒温液体被推进完美的试管中，学习流体力学。但对周围世界的预测不能仅从理想状态入手，否则无异于纸上谈兵。要预测太阳系，我们必须考察太阳系的所有行星。要进行大气预测，就要从温度、密度等角度考察液体状态，温度和密度在空间的每个点位都会发生变化，更不用说很难获得令人满意的数据。换言之，预测真实世界或现实社会，不仅费力，还未必“讨好”。但我们仍在努力用数学公式、物理定律来描述和分析未来。归根结底，这并非现代科学进步的产物，而是沿袭了我们祖先几千年来认识世界、预知未来的传统。

古巴比伦人是优秀的天文学家。在公元前2000年，也就是距今4 000多年前，古巴比伦人仰观天象，追踪星辰的运行轨迹，参悟到天文现象有固定的周期律。他们通过数学运算，记录下星辰运行的周期，已经能实现相当精准的预测。在公元前3世纪，天文学家已经可以利用几代人在几百年间观测的数据，发掘行星运动的规律，甚至可以据此预测日食的准确时间，确定行星的具体方位。古希腊人则将行星运行周期和几何学结合起来，进一步发展了天文学。今天的天文学家，仍要心怀敬意地肯定前人的发现。天行有常，今天的夜空仍在依循古人破解的秘密星罗棋布，我们的祖先数千年来留下的记录和发现，仍在被现代人使用。今天的预测因此掌握了层叠积累的历史数据。换言之，预测科学将求索的目光投向未来，而研究进路的起点却在数千年前。预测科学正是基于周期长达几十年甚至数百年的观测，寻找规律和重复的痕迹。同样，今天的气象学家能成功预测潮汐，也离不开前人留下的历史数据。潮汐是万有引力在月球、地球和太阳之间相互作用的结果，古希腊人充满诗意地指出“月亮产生潮汐”，但地球自身的因素也决定了潮汐的规模和周期。准确预测潮汐，要充分考虑当地海岸线的形状、海底深度等因素，这离不开对历史数据的梳理和分析，明确不同历史时期有哪些因素产生过周期性影响。潮汐是海水在太阳和月亮的引力作用下产生的，这是这一自然现象背后的根本原理，但在预测实践中，我们不仅要守住根本原理，还要参考众多其他因素。一言以蔽之，预测是项系统工程，本书介绍的众多算法，正是推动预测结果越发精准的保障。