英國《新科學家》周刊9月17日一期文章：塑造世界的九大科學思想--科學界9位
最偉大的科學家解釋他們理論的重要意義：
一、大爆炸
馬丁·雷斯（劍橋大學天體物理學和宇宙學教授）：宇宙的起源問題數千年來一
直吸引着人們去研究，我們是有幸發現答案的第一代人。
“大爆炸”的概念現在如此深入人心是一件令人奇怪的事情。宇宙學家相信他們
知道我們的宇宙在起源之後的數秒鐘內是什麼樣子：溫度大概有100億度，射線、質
子、中子以及“暗物質”以已知的比例存在於各處。隨後一切開始非常均勻地冷卻：
這種均勻的小偏差累計起來不足十萬分之一。這些表述建立在對那個時代的“化石”
所進行的令人信服和準確的觀察基礎上。這些“化石”包括：射線以及氫、氦、氘在
宇宙中的比例等。
我至少99％地相信上述推論的正確性。與我們對地球的早期歷史以及生命起源的
了解相比，有更為紮實準確的論據可以對這些推論提供佐證。在科學上，每一項進步
總是會將人們的目光吸引到一批新的問題上。不過大爆炸理論卻使我們理解，這些問
題並非毫無意義。在發現我們能夠掌握宇宙起源的基礎後，無數其他問題浮現了出來
，這些問題我們都有望找到答案————雖然緩慢但卻不容置疑，我們正在設法找到
這些問題的答案。
例如，物理學上最重要的定律之一———熱力學第二定律包含着宇宙中一個表面
上互相衝突的現象。如果我們的宇宙在起源的時候如此“簡單”，那麼它是如何進化
成包括我們自己在內的龐大而錯綜複雜的宇宙的呢？猛看上去這與已知定律相矛盾：
任何結構都有一種混合和均質化的趨勢。但實際上並沒有矛盾：答案是萬有引力發揮
了作用。如果宇宙中的某一部分的密度比平均密度稍大，那麼這一部分將在額外的萬
有引力的作用下減速，於是與周邊區域比較起來，這一部分將越來越滯後，密度差異
將越來越大。正是這一過程使得早期宇宙中密度稍大的部分成為了今天星系的“種子
” 。這一理論以及觀測對它的確認，是天文學家的另一個重大成果。通過尋找“年
輕的” 星系———它們距離地球十分遙遠，以致它們在宇宙還年輕的時候發出的光
線最近才抵達地球———天文學家希望能夠揭示這一過程的細節。
當然，剩下來的事情還很多。例如，我們仍然不知道，是什麼東西爆炸了，以及
為什麼會發生爆炸。為什麼宇宙一開始會以這種方式、含有這種獨特的成分膨脹？這
一問題將是21世紀甚至更遠的未來科學界所面臨的一個挑戰。答案在於宇宙起始時的
第一微秒中的前一小段時間，當時的溫度和密度高到相關的物理學定律難以把握的程
度，而且無法用實驗證實。不過，迄今為止在解決宇宙學問題時所獲得的成功使我們
對取得更大的進步充滿信心。我們一定能探測到宇宙在大爆炸剛開始的一微秒內所發
生事情的細節，興許我們還能對大爆炸本身的屬性有更多了解。
二、進化
理查德·道金斯（牛津大學科學史教授）：對複雜生命形成過程的了解是人類智
慧最耀眼的部分。
世界可劃分為兩大類：看起來經過設計的（如鳥類和飛機）和未經過設計的（如
石頭和大山）。看起來經過設計的事物也可劃分為兩類：實際上是設計出來的（如潛
水艇和罐頭刀）和那些不是設計出來的（如鯊魚和刺蝟）。對那些事實上經過設計的
事物的分析表明，它們的各部分並非是獨立功能的簡單疊加。它們在某些方面出類拔
萃：例如飛翔。
達爾文的自然選擇理論導致了一種設計上的離奇幻覺。以致一名工程師很難確定
是鳥類還是飛機在飛行動力學上更加完美。
設計幻覺的力量是如此強大，直到19世紀中葉人類才認識到它只是一種幻想。在
1859年，查爾斯·達爾文公布了人類最偉大的科學思想之一：自然選擇導致進化日積
月累。如果自然選擇中所有的偶然性匯聚在一起會怎樣呢？當小小的變化聚在一起時
，就可以達到巨大的高度————實現複雜的適應能力。這種累積的過程就是進化，
引發進化的力量則是自然選擇。
每一個現存的生命都有祖先，但是只有一小部分會擁有後代。所有的生命都從成
功的祖先————他們成功地生存下來而且繁育了後代———那裡繼承了完整的基因
序列。指揮胚胎發育成熟從而可以自動地成功繁育後代的基因，是基因庫里的倖存者
。這些基因成功的代價是其它基因的失敗。這是在基因層次上的自然選擇，我們也注
意到了它在生物層面上的結果。新的基因品種的根本來源是突變。這些新的突變基因
的後代通過有性繁殖在基因庫里重新組合，而自然選擇則可以按有序的方式從基因庫
中清除它們。
導致成功存活的因素隨物種的不同而不同。有的物種擅長游泳；有的則擅長步行
；有的擅長飛翔；有的擅長攀爬；有的則會將根扎入土壤，翹起綠色的“太陽能板”
朝向太陽。所有這些多樣性都滋生於不斷的分支，它們來源於同一個生活於30億—40
億年前的類似細菌的祖先。每一個分支都形成了一個物種：一個繁殖種群再一分為二
，並各自走上獨立的進化之路。在有性繁殖的物種中，當某一物種的兩個基因庫分化
加劇以致它們無法進行交配時，我們就說是形成了新的物種。物種形成源於意外事件
。如果在沒有地理障礙的情況下某一物種內部出現了阻礙繁殖的基因庫分化，我們認
為新的物種就起源了。
自然選擇的精髓在於其非偶然性，然而它常被拙劣地誤解為偶然事件。這成為反
對進化論的懷疑力量的基礎。偶然性不能解釋生命。設計論在解釋生命的問題上與偶
然性一樣糟糕，因為它所引發的問題比它所帶來的答案更多。自然選擇導致進化是唯
一能夠精確解釋生命的可行理論。
三、量子力學
戴維·多伊奇（牛津大學物理學教授）：它不僅是關於原子的理論，它還是關係
到自由意志和身份認證的理論。
你也許曾聽說過這樣的話：“這個世界的神奇不僅超出了我們的想象，而且我們
根本不可能理解它。”
這樣一句缺乏理性的失敗主義者格言（可歸咎於20世紀幾位著名的物理學家）竟
然成為傳統智慧的一部分，不能不令人震驚。但是它反過來又可用來表現掌握量子理
論的人們的吃驚程度。
量子理論是有關物理世界的最深奧的知識，它在預測亞原子粒子的行為方面無與
倫比，它完善了我們對事物的理解，為大多數物理理論提供了一個框架。將來利用量
子效應的計算機將帶來密碼學的革命。
但是關於量子理論的驚人消息究竟是什麼？為什麼我們應該關注亞原子粒子的某
種特定行為，而不是另一種？
準確地講，原因在於當我們設想粒子有何種行為時，我們所有的常識得出的可能
性也許沒有一個是正確的。
因此，有哲學頭腦的人們為求知而求知。實用主義者也許會說它不能解決今天存
在嚴重爭議的問題，如戰爭與和平、罪與罰、民主人權等，但令人驚訝之處在於，討
論這類問題而忽視世界的量子力學本質，就像擔心人口過剩而並不了解是什麼導致懷
孕一樣。在談及任何有爭議的話題時，就會遭遇諸如決定論和自由意志、同一和差異
、未來可能性和“可能已經發生的事”等問題。對於許多此類基本問題，量子理論表
明根據常識得出的所有答案都是不正確的。例如，常識根據連續性來定義一個“人”
：今天的你之所以是你是因為組成你的絕大多數原子和昨天沒什麼兩樣，一個同樣的
但由不同原子組成的複製體將不再是你。
但是量子理論認為在一定的條件下，哪些原子是原來的，哪些原子是新來的，這
一概念並不存在。用連續性來定義人的觀念是許多人思考墮胎問題時的出發點。
關於量子實質的爭論風行一時，但幾乎所有人都同意哲學家邁克爾·洛克伍德的
說法：“這裡沒有保守的選擇。”不幸的是，由於物理學家們意見不一以及許多人明
確地與現實甚至真理脫節，各種各樣的神秘主義和謬論充斥於這一空白領域。建立在
對量子理論誤解基礎上的愚蠢學說大量存在。因此，如果你在努力思考“量子”事物
時，在相信它之前堅持要求它符合常理，那麼你就是在堅持哲學而犧牲了量子理論。
四、大一統理論
莉薩·蘭達爾（哈佛大學物理學教授）：宇宙是怎麼運作的？對它的研究將是終
極挑戰。
愛因斯坦的廣義相對論具有里程碑意義。但是，儘管它所有的預言都很成功，廣
義相對論並不是關於萬有引力的最終理論。這一理論在我們試圖推廣到10—35米距離
間的萬有引力時不再適用。如果我們打算了解諸如大爆炸的起源或者黑洞內部的情況
，我們就必須在這樣的距離尺度內進行探測，這時必須有新的理論才能勝任。
在各種尺度條件下理解萬有引力並使之與量子力學協調一致並不是粒子物理學面
臨的唯一挑戰。我們的粒子物理學理論仍然不能解釋關於粒子和力的一些重要問題，
諸如為什麼我們確定存在那些特別的基本粒子？它們的質量是如何起源的？物理學家
很清楚我們遠沒有完成大一統理論。然而，許多物理學家對此表示樂觀。他們樂觀的
一個原因是弦論。
根據弦論，隱藏在所有物質背後的最基本的不可分割的物質是弦：振盪的一維能
量環或片斷。與小提琴的琴弦不同，這種弦不是由原子構成的，當然最終也就不可能
是由電子和夸克構成的。事實恰恰相反，弦論最激進的假設在於：所有的粒子都起源
於潛藏在其背後的弦的振盪，正是振盪的特點決定了粒子的性質，諸如粒子的質量和
電荷。
這些弦能夠令人信服地在3維4維或者更多維的空間移動。但是計算表明正確的維
數，包括時間在內，是10維或者11維，這取決於你所使用的弦論的公式。這一暗含在
“大一統理論”中的非凡觀念告訴我們，空間的維數遠非我們所見的這些。而且，
根據弦論，多維中可以包含“膜”，在多維世界中，粒子和力被限制在這些膜中。
儘管它的公式十分迷人，弦論仍面臨許多問題。現實世界可由弦論的許多模式導
出，每一個模式都包含不同的力、不同的維數以及不同的粒子組合。迄今我們仍沒有
辦法知道弦論能否正確預言對我們而言可見的空間維數、粒子、力或者宇宙中能量的
數量。
要解決弦論的問題看起來需要改變迄今所使用的基本方法———這超越了目前物
理學家和數學家已發展出來的方法。此外，這一理論在能量方面的定義遠遠高於我們
最大的粒子加速器所能達到的能量，因此，對這一理論的檢驗將異常困難，需要新的
方法與弦論相銜接。
只有通過時間的檢驗我們才能知道我們今天通向大一統理論的途徑是否正確。但
是關於黑洞和力的正確計算強烈地暗示，我們也許處於正確的軌道上。
五、風險
約翰·亞當斯（倫敦大學學院地理學教授）：我們一定不會錯過有益的體驗，它
在那裡等着我們去收穫。
風險意識只存在於頭腦中。“風險”是一個涉及未來且只存在於想象中的詞。人
們平常討論風險時，總是圍繞風險究竟是“客觀的”還是“可察覺的”風險進行爭論
，但實際上所有的風險都是主觀的。
承擔風險意味着去做某事時可能產生不好的結果。人們為什麼願意去做冒風險的
事呢？因為，除了潛在的負面效果，冒險也可能帶來回報。
當然，我們所做的每一件事都可能導致某種未知的可能的意外———一種無意的
、不受歡迎的結果。過去，這樣的結果常被稱為以神秘方式發生作用的不可抗力或者
壞運氣。然而，在高水平律師的幫助下，將壞運氣對我們的打擊轉化為責任追究的可
能性越來越大。我們現在生活在一個風險—譴責—訴訟—補償的文化中，在這種文化
中，對冒險行為可能的不利後果的補償意味着人們會對冒險行為要求更大的潛在回報
。這是因為對某種無意造成的負面結果負責任的擔心幾乎總是與訴訟（或者訴訟風險
）聯繫在一起。這種風險因打不贏官司不收錢的律師的出現而被放大。保險公司也被
卷了進來：他們總是堅持在庭外解決客戶所提出的索賠。
補償頻率和補償規模的日益增大是促使文化變遷的重要驅動力。從走路時踩到石
子跌倒到醫療事故的補償金額在飛速上升，與此同時，保險費在同步上揚。
支撐訴訟和補償不斷增加的是“譴責文化”的發展。為什麼我們都比過去更喜歡
指責他人呢？如果是我的好朋友或鄰居無意中傷害了我，我的第一反應並不是起訴他
———即便我病床邊的電視在不停地刺激我這樣做。但是如果我被一個完全陌生的
人傷害，而這個陌生人又很有錢，我是不是會去起訴他呢？
我們利用本能、直覺以及經驗———過去我們曾經遭遇的看起來與此相似的情況
————來設想未來，以得出既有正面因素又有負面因素的可能的主觀結局。但我
們現在設想未來的方法變了，不可抗力和壞運氣不復存在。大量的人力被用於風險評
估，他們的目的就是識別以及避免所有能想象到的災禍之源。但是不管風險評估者得
出什麼結論，未來仍然是不確定的。從風險評估影響行動的角度來說，它阻礙了對風
險回報的追求————不管是學生的遠足還是登月之旅。
六、混沌
(詹姆斯·約克（馬里蘭大學數學和物理學教授）：我們從未意識到世界上竟有
如此多的可能性。
科學家們也許是意識到混沌的最後一群人。每個人都知道，長遠來看，我們的生
活是混亂和不可預測的。本傑明·富蘭克林曾寫下這樣的名言：“為了找一顆鐵釘馬
蹄鐵丟了，為了找馬蹄鐵馬丟了，為了找馬騎馬的人完蛋了，他被敵人追上殺死了，
而這一切只是為了找一顆馬蹄鐵上的鐵釘。”
還有人將這一故事進行了進一步的演繹：騎馬人之死以及他所攜帶信息的丟失導
致一場戰役的失敗，隨後是一場戰爭的失敗，最終是亡國，所有這一切只是為了找一
顆馬蹄鐵上的鐵釘。說說我們身邊的事，我的一位朋友的媽媽嫁給了她所搭乘的出租
車的司機。如果她乘坐的是另一輛出租車，我的朋友就不會來到人世。
我們的預測必須具有靈活性：我常說最成功的人士是那些擅長實施第二套方案的
人。混沌理論屬於自然科學和數學領域，用於處理第二套一直到其後無數套方案，描
述不穩定的狀態，在這種狀態下，小小的變化會演化成越來越大的變化甚至產生巨大
的長遠的影響。
當然，科學家們一直就知道這個世界處於混沌狀態，但是直到最近30年，才有少
數人意識到進行科學研究最終也可能變得不可預測，即使引發變化的因素是被精確的
規則所掌控。與其說是複雜性倒不如說是不穩定性引發了混沌狀態：混沌理論的創建
者之一、氣象學家愛德華·洛倫茨曾在上世紀60年代舉例說，亞馬孫流域一隻蝴蝶翅
膀的振動造成氣候產生小小的變化，但是結果卻造成密西西比河流域發生風暴。他的
觀點是，我們永遠不可能知道決定某一地區天氣的所有因素；我們最多能預測幾天后
的細節。科學家們現在發現許多其它的狀態也相當地不穩定。計算機模型對我們理解
整個自然科學中普遍的混沌提供了極大的幫助。例如，我們馬里蘭大學的研究小組志
在告訴科學家們如何尋找混沌的變量，尋找多種狀態下共有的特殊現象。但是我仍然
想知道，既然幾乎所有科學家都曾經對這種普遍的現象熟視無睹，那麼是否還有其他
一些明顯的現象被我們錯過？也許混沌本身正在向我們講述什麼。
七、相對論
喬瓦尼·卡梅利婭（羅馬大學物理學教授）：如果你想對世界有一個正確的認識
，請不要相信直覺。
紀念狹義相對論發表百年 國際科聯大會在蘇州舉行
我們關於諸如時間、能量和速度等問題的直覺來源於日常生活中的經驗。但在某
些情況下，我們的直覺會誤導我們，使我們偏離事物的真相。
用通俗的語言來說，根據我們對日常生活經驗的本能的描述，物體的運動狀態
是物體的客觀屬性。但是，正如大約400年前伽利略所理解的那樣，運動必須被看作
是一種相對的特性。當我們說“火車在運動”，作為一個客觀事實，我們並沒有明確
指出以車站作為我們的參照系統。這符合習慣，但我們也可以同等地選擇火車作為參
照物 ————在這種情況下，也可以說車站在移動。只要沒有加速，在火車上玩台
球和在車站玩檯球沒什麼兩樣。
在1905年，愛因斯坦認識到伽利略的相對性原理不僅適用於機械過程，而且在電
磁過程中同樣有效。在完成了這一理論之後，愛因斯坦成功地預測了宇宙的一些與人
類常識相反的驚人的新的特性。
這些反直覺的性質在實驗中得到了很好的驗證，但是卻與我們日常生活的直覺相
矛盾。這也正是我們對相對論着迷的原因。當我們使用一把彈弓投射一枚石子時，石
子的速度主要取決於彈弓在釋放石子時的瞬間速度。但是當我們開亮一個電燈泡，光
的速度卻與它是由什麼東西射出的無關。在所有情況下這一普遍速度大概為每秒30萬
公里。
這一觀念使我們認識到，與我們天生的直覺相反，時間也是相對的，而不是絕對
的。雙胞胎姐妹宇航員分乘不同的宇宙飛船以某一恆定的相對速度旅行，她們的“變
老”過程令人吃驚：她們都將感到對方比自己老得慢。如果她們中的一位駕駛宇宙飛
船以某種方式最終與另一位會合，那麼在她們碰頭的那一刻，她們將發現，以恆定速
度飛行的宇宙飛船上的那位宇航員會比後來選擇改變速度的宇航員老得快。由於時間
的絕對觀念在我們本能的世界觀里根深蒂固，我們將上述現象通俗地稱為“雙胞胎悖
論”。但事實上這裡根本不存在矛盾。雙胞胎姐妹並沒有過同樣的生活：其中的一個
經歷了一系列的加速。
愛因斯坦的成就就體現在這裡。愛因斯坦的工作使宇宙獲得了重新定義，它使我
們對事物有了新的洞察，諸如質量可以被轉換為能量，以及電磁輻射的速度———等
於光速———是大自然的一把特別的尺子，是速度的最大極限值。它的作用還不止於
此。當伽利略的第一個相對性理論用科學語言闡明某些與我們的日常直覺並不矛盾的
事實時，愛因斯坦相對論卻告訴我們，當我們思考超越日常生活的事物時，結果可能
與我們的直覺完全不同。
八、氣候變化
帕喬里（政府間氣候變化問題研究小組主席）：如果我們不做出應有的反應，戰
爭、瘟疫和饑荒將接踵而來。
為什麼人類應該關注氣候變化？因為它的影響對人類社會帶來了前所未有的挑戰
。
氣候變化的基本原因是大氣中溫室氣體濃度的增加。其中尤以二氧化碳為甚。在
工業革命之前，大氣中二氧化碳的濃度大約為280ppm，到2000年，它的濃度是368ppm
。新千年頭幾年的數據顯示，二氧化碳濃度仍在持續增加，預計到本世紀末其濃度
將達到540ppm—970ppm。
大氣中二氧化碳濃度越高，地球溫度就越高。到本世紀末地球溫度預計將在1990
年的基礎上升高1.4到5.8攝氏度，而在整個20世紀，地球溫度估計上升了0.6攝氏度
。
地球的溫暖化將對氣候造成多種影響。例如：全球年平均降雨量預計將發生變化
，許多地區洪澇和乾旱的頻率將增加，與此同時水資源短缺將更為嚴重。在21世紀，
冰川將繼續大範圍地後退。
氣候變化所導致的最嚴重和最具威脅性的影響是全球平均海平面的上升，這主要
是海洋的熱膨脹以及冰川和冰帽的融化造成的。預計到本世紀末，全球平均海平面將
上升0.09到0.88米，實際的海平面上升量則取決於經濟和技術的變化。但即便海平面
只上升到這一範圍的中間值，也可以想象得到它會帶來“卡特里娜”颶風那樣的破壞
程度。
全球變暖和氣候變化還可能導致許多其它的後果。蚊子和水生病原體等帶菌者的
變化以及水質和空氣質量的下降將影響到人們的健康。這類影響將更多地發生在發展
中國家及窮人身上。而且，火災、乾旱、害蟲群襲、物種入侵、暴風雨以及珊瑚白化
將給生態系統造成嚴重破壞。氣候變化還將對世界許多地區的生物多樣性構成嚴重威
脅。
也許全球變暖最深遠以及最急迫的影響在於它對全球糧食保障構成的威脅。穀類
作物模型顯示，一些氣候溫和的地區，溫度的小幅上升也許會增加糧食產量，而溫度
的大幅上升總是導致減產。在大部分熱帶和亞熱帶地區，大多數預計的溫度上升值都
將導致糧食減產。由於全球人口最密集的地區位於亞熱帶和熱帶，氣候變化看來一定
會損害相當多人口的生計。由於這些地區的農業產量下降的可能性非常大，全球糧食
總產量也會隨之下降。結果會出現糧食價格上升。
對未來的這些預測凸顯出採取行動的重要性。當你認識到即便溫室氣體的排放很
快穩定下來、它對氣候變化的影響仍將持續幾個世紀時，這些行動的緊迫性也就十分
清楚了。對人類來說，適應氣候變化看來是不可避免的了，我們是現在採取主動呢還
是等到以後被迫採取行動?
九、板塊構造理論
理查德·福蒂（倫敦自然歷史博物館高級研究員）：人類歷史是被我們腳下的“
拼圖”所塑造的。 板塊構造理論在地質學領域所扮演的角色，就像達爾文的進
化論對我們理解生物世界所起的作用一樣，它是一種萬物至理。
在整個19世紀和20世紀早期，地質學家們很有耐心地收集事實。他們繪製地層圖
，試圖了解山脈的複雜性；他們劈開了花崗岩和片麻岩；他們記錄礦石的所在，並猜
測它與地球深處發生的一些現象的關係。但是沒有出現任何偉大的理論。地質學看起
來不過是一份觀察資料的詳細目錄：歐內斯特·盧瑟福曾輕蔑地稱之為某種“收集郵
票” 的科學。
地質現象可以通過一些構造板塊的互動來加以解釋，這一認識使一切發生了改
變。地球不過是一個位於粘稠的岩漿之上的粗糙的大石板的拼圖，過去40年的地質學
一直在對這一深奧的學說加以探索。
考慮一下對金屬的尋求是如何影響了人類的歷史：金銀的力量塑造了各個王國；
銅和鐵的供應對器皿和武器的製造至關重要；而在核時代，放射性元素被用於和平和
軍事用途。最貴重的礦石的出現總是與板塊運動的周而復始有關。許多稀有金屬是在
已經消失的古代海洋遺蹟上發現的，而金剛石則來自地幔。地質環境決定了人類歷史
的許多方面。
地球有約45億年的歷史，超過3／4的地球歷史可以通過板塊構造理論來理解。有
一點越來越清楚，那就是約於25億年前分裂的聯合古陸並非地球歷史上的唯一大陸
。在前寒武紀，地球上的各大洲曾幾次合併在一起。一些地質學家相信，其中有一次
，整個地球都結了冰———地球成了一個“雪球”。可能就是在這麼一個關鍵時期，
地球上的第一隻動物進化而成。今天我們看到的這些陸地、土壤、生命正是各大洲運
動了幾十億年後的結果。板塊構造理論不是一門“僵死的科學”，它是關於我們生存
的這個有生命的、運動着的星球的學說。像生命一樣，地球也是進化結果，而板塊為
這種進化提供了語言。
