第2章 更接近现实

星系是大得令人难以置信的物体。从这个意义上说，恒星也是大得令人难以置信的物体。我们自己的星球也是。从内部的复杂性和人类思想的延伸范围而言，人类的大脑也是难以置信地巨大。一个星系团里可能有成千上万个星系，星系团的尺寸可能数以百万光年计。“成千上万个星系”这个词组说出来非常容易，但要费一点时间才能在脑子里体会到它的真实情形。

我第一次被这个概念震惊到，是在我刚开始念研究生时。一些同学向我展示他们当时在做的工作：用显微镜 观察星系团。天文学家就是这样研究帕洛马巡天星图 [1] 的，它是一套星空照片，总共1874张，形式为玻璃板负片，恒星和星系在上面呈现为白色背景中的暗影。

他们装好了这样一块玻璃板让我看。

图中模模糊糊的东西是星系，边缘清晰的黑点是银河系里的恒星，那些星系比这些恒星离我们远成千上万倍。这些同学的工作是将星系排列在显微镜目镜的十字叉丝上，按下按钮，记录星系的位置。我自己试了一下——只是为了好玩，因为我并不具备进行正式测量的资质。很快我就发现，这真的不像我想的那么容易。其中原因之一是，哪些是星系、哪些仅仅是恒星或其他前景物体，并不总是显而易见的。有些星系很容易辨认：比如，恒星从来不会自转，也不会明显呈椭圆形。但有些形状非常暗淡，很难分辨它们的边缘是否清晰。有些星系看上去很小、暗淡并且呈圆形。有些星系的一部分被其他物体遮蔽。如今，这样的测量是由计算机使用先进的模式匹配算法来完成的。但在那时，人们只能仔细查看每一个对象，利用边缘的模糊程度之类的线索——虽然有些天体的边缘本来就是模糊的，比如银河系里的超新星残骸。在这里人们用的是经验法则。

人们怎样去检验这样一条经验法则？其中一种方法是随机选择一片天空，对它拍一张清晰度更高的照片，使得识别其中的星系比较容易。然后将识别结果与经验法则的判断结果进行比较。如果两者有差异，经验法则就不准确。如果不存在差异，还是不能确定。永远都不可能做到确信无疑，这是理所当然的。

我对自己所看到的东西的尺度深感惊异，但这是不对的。有些人在宇宙的尺度面前感觉沮丧，因为这让他们觉得自己无足轻重。还有些人在感到自己无足轻重之后如释重负 ，这就更糟糕了。不管哪种情况，这种感觉都是错误的。因为宇宙很大而觉得自己无足轻重，这个逻辑就相当于因为自己不是一头或一群奶牛而感觉不对。宇宙不是用来把我们比下去的，它是我们的家，我们的资源。宇宙越大越好。

不过，接下来还有星系团在哲学上的意义。当我把十字叉丝从一个不起眼的星系移到另一个、在猜测是各星系中心的位置按下按钮时，一些异想天开的想法出现在我的脑海里。我在想着，我会不会成为第一个也是最后一个有意识地注意某个特定星系的人类。我只花了几秒钟去看这个模糊的对象，但它承载了与我所知的一切都有关联的意义。它里面有数以十亿计的行星，每颗行星都是一个世界。每颗行星都有自己独特的历史——日出和日落，暴风雨和季节变换，有的有着大陆、海洋、地震和河流。其中是否有一些世界拥有生命？那里有天文学家吗？除非有着极其悠久和先进的文明，否则他们永远走不出自己的星系，也就没有办法像我那样看到他们的星系是什么样子——尽管他们可能从理论上知道是什么样子。他们中间是否有人正看着银河系，对我们发出同样的疑问？如果是这样，那他们所看到的银河系，是它在地球上最高级的生命形式是鱼的时候的样子 [2] 。

如今用来给星系编制目录的计算机，可能比研究生做得更好，也可能做得更差，但它们的运算结果一定不会包含这样的反思体验。我提到这一点，是因为我经常听人把科研说得很单调乏味，认为它基本上是不动脑子的苦役。发明家托马斯·爱迪生曾经说过：“我的发明中没有一项是偶然得来的。我看到一种需求值得去满足，就会一次又一次地尝试，直到达到目的。这可以归结为百分之一的灵感和百分之九十九的汗水。”有人认为理论研究也是如此，其中“汗水”阶段指据称缺乏创造性的工作，如进行代数运算，或把算法转变成计算机程序。但事实是，计算机或机器人能不用脑子完成工作，并不表示科学家做这些工作时不用脑子。计算机下棋不用脑子，只是穷尽力量去计算所有可能的走法带来的后果；人类执行看上去相同的功能时，用的却是完全不同的途径：富有创意和乐趣的思考。给星系编制目录的计算机程序可能就是那些研究生写的，他们把自己学到的东西提取成易于重现的算法。这意味着他们在完成工作的过程中应当学到了东西，而计算机在完成工作时什么也不会学到。然而更重要的是，我觉得爱迪生曲解了自己的经验。就算失败的尝试也是有乐趣的。人在进行重复实验时，如果思考着实验要检验的观点和要调查的现实，就不能算是一种重复。那个星系项目的目标是发现“暗物质”（参见下一章）是否确实存在，它完成了任务。如果爱迪生，或者那些研究生，或者随便哪位科研人员，在作出发现的“汗水”阶段真的是不用脑子干活，他们会错过大部分的乐趣——这也是“百分之一的灵感”的巨大威力。

我碰到了一个特别模糊不清的图像，就问让我参与这项工作的同学们：“这是一个星系还是一颗恒星？”

答复是：“都不是，这只是感光剂上的一个缺陷。”

思维的急剧换挡把我逗乐了。本来我进行了一番宏大猜测，思考自己看到的东西有何深意，结果发现对这个特定目标来说什么也不是：突然之间，图像里没有了天文学家，没有了河流和地震，它们全都消逝在想象的烟雾里。我把所看到的东西的质量高估了1050 倍。我以为是自己看过的最大物体、最遥远时空的东西，其实只是一臂距离之内的一个微小斑点，不用显微镜就几乎看不见。人是多么容易、多么彻底地被误导啊！

不过，等一下。我到底有没有看到过星系？所有其他的斑点，实质上都是微小的银污斑 [3] 。如果我因为其中一个斑点与其他的太像而搞错了它的起因 ，为什么会是一个这么大的错误？

因为实验科学里的错误正是 对事物起因的误解。就像准确的观测一样，这是一个理论问题。在自然界里，仅凭人类感官能察觉的东西太少了。大多数事物要么发生得太快或太慢，要么太大、太小或太遥远，要么隐藏在不透明的障碍背后，要么机制与影响我们进化的准则相差太大。但在某些情况下，我们可以借助观察仪器使这些现象变得可以觉察。

我们觉得这些仪器使我们更接近现实了——就像我看着那个星系团时的感觉。不过从纯物理的角度而言，它们只是让我们离现实更远。我可以仰望夜空，朝着那个星系团的方向看，它与我的眼睛之间除了几克空气之外什么也没有——但我什么都不会看到。我可以在它和自己之间加上一台望远镜，说不定就能看到它了。看星图底片时，我在它和自己之间加上了一台望远镜、一部相机、一间照片处理实验室、另外一部相机（用来给玻璃底片制作副本）、一辆卡车（用来把底片运到我所在的大学），还有一台显微镜。所有这些设备挡在中间，可以让我把这个星系团看得更清楚。

现在的天文学家从来不仰望星空（除了也许在业余时间里会看看），基本上也不通过望远镜观察天空。许多望远镜根本没有适合人眼的目镜，还有许多望远镜连可见光都探测不到。取而代之的是，用仪器探测看不见的信号，然后将它们数字化、记录下来、同其他数据相结合，由计算机处理和分析。在此基础上可能绘制出图像——也许是“假彩色的”，用来显示无线电波或其他辐射，或展现更加间接地推断出来的属性，比如温度或成分。许多情况下并不绘制遥远天体的图像，而只得出数据表、图形和图表，影响天文学家感官的只有这些工序的结果。

每多一层这种物理隔离，就需要更高层次的理论，以将感知结果与现实联系起来。天文学家乔斯林·贝尔 [4] 发现脉冲星（一种极其致密的恒星，有规律地爆发出无线电波）时，她看到的东西如图2-2所示。

图2-2　从第一颗已知的脉冲星得到的射电望远镜记录

只有通过复杂的理论解释链，她才能从纸上抖动的线条里“看到”深空之中一个威力巨大的、正在脉动的天体，并认识到这是一种前所未见的星体。

我们对远离日常经验的现象了解得越深，解释链就越长，每个新增的环节都需要更多的理论。解释链上任何地方出现一个意外或被误解的现象，就可能使接下来的感觉经验产生任意误导的效果，很多时候，事情确实这样发生了。然而，随着时间的推移，科学提炼出来的结论变得前所未有地真实。对好解释的追寻过程能纠正错误、偏见和误导性观念，填补空白。当我们像费因曼说的那样不断学习怎样避免自我欺骗时，所能获得的东西就是以上这些。

天文望远镜装有自动追踪机制，不断调整方向以抵消地球自转的影响；有些计算机不断改变望远镜反射镜的形状，以抵消地球大气的闪光。因此，通过这样的望远镜观察，恒星就不会像过去一代又一代的观察者们所看到的那样闪烁，或在天空中移动。那些都只是表象，也就是狭隘的错误，与恒星的真实情形毫无关系。这类望远镜的光学器件的主要功能，就是减少恒星很稀少、暗淡、闪烁和移动着之类的假象。望远镜的其他特征，以及其他科学仪器的特征，也都是如此：人与观察对象之间的每一个间接层，都会通过与其相关的理论纠正错误、消除幻象、抑制误导性观念的影响、填补空白。真正准确的观测总是这样非常不直接的，这看上去之所以有点儿奇怪，大约是出于经验主义者关于“纯粹的”、不依赖理论的观测的错误观念。但事实是，取得进步有赖于在我们进行观测之前 就运用很多知识。

所以，我确实是在看着星系。通过银斑点观察星系，与通过虹膜上的影像观察花园并无不同。在所有情况下，说我们真正观察了某种给定的事物，意思都是我们对这一事物准确地赋予了证据（最终都是我们脑子里的证据）。科学真理里包含着理论与物理现实之间的这种对应。

运行庞大的粒子加速器的科学家，同样是通过看着像素和墨水、数字和图像来观察核子和夸克之类亚原子粒子的微观现实。还有的科学家操作电子显微镜，用电子束轰击细胞，这些细胞像渡渡鸟 [5] 一样死得不能再死、经过染色、用液氮急速冷却、放置在真空里——但科学家就能由此得知活 细胞是什么样的。世界上存在这样一些事物，当我们观察它们时，它们能准确呈现出位于别的地方、构成与它们差异很大的事物的表象及其他属性，这实在太奇妙了。我们的感官系统也是这样的物体，因为在我们观察事物时，只有它们直接影响着我们的大脑。

这类科学仪器是稀少且精细易损的物质结合体。只要按错了显微镜控制面板上的一个键，或往机算计里输入了一个错误代码，就可能导致这整个极其复杂的人造物变得什么也揭示不了，除了展现它们本身之外。如果你不制造科学仪器，而把原材料组合成其他随便什么样子，情形也是一样：你盯着它们，结果除了它们本身之外什么也看不到。

解释性的理论告诉我们怎样去制造这些仪器，以及如何正确地操作这些仪器，来完成这个奇迹。与魔术相反，这些仪器欺骗我们的感官，使我们看到真实的事物。通过我在第1章里谈到的方法论原则，我们的思想在且仅在某个特定事物符合我们关于某些事物的最好解释时，会得出结论认为这个事物是真实的。从物理上说，所有这些过程就是，地球上的人类挖出铁矿石和沙子之类的原材料，把它们（仍然在地球上）重组成为复杂物体，如射电望远镜、计算机和显示屏，然后不再仰望天空，而是看着这些物体。现在他们的眼睛 注视着触手可及的人造物体，但他们的思想 专注于许多光年外的陌生实体和过程。

有时，天文学家也像他们的祖先一样，仍旧注视着小光点——不过不是在看天空，而是在看计算机显示器。有时他们看着数字或图表。但是在所有情形下，他们都是在检视身边的事物：显示屏上的像素、纸上的墨水等。这些东西在物理上与恒星相差甚远：它们比恒星小得多，不由核动力和引力支配，不能进行元素嬗变或创造生命，不曾存在了数十亿年。但当天文学家看着这些东西的时候，它们就是恒星。

小结

科学仪器使我们更接近现实，尽管在纯物理的角度上它们让我们离现实更远，这看上去似乎有点儿怪。但不管怎样，我们对什么东西都不是直接观察的。所有的观察都是理论负载的。同样地，每当我们犯错，它都是对某种事物的解释里的错误。这就是为什么表象会具有欺骗性，也是为什么我们以及我们的仪器能够防止这种欺骗。知识的增长包含着对理论中的错误观念进行修正。爱迪生说研究是百分之一的灵感和百分之九十九的汗水，但这种说法存在误导，因为即使是计算机和其他机器做起来不带创造性的工作，人类也能对其赋予创造性。所以，科学并非不用脑子的苦役、以作出发现的难得时刻为补偿：苦役本身可以有创造性和乐趣，就像发现新解释一样。

那么，这样的创造性——以及乐趣——能无限持续下去吗？

* * *

[1] 1948年至1958年间，在美国国家地理学会赞助下，美国加利福尼亚州帕洛马天文台执行了一项大规模光学巡天观测，用48英寸施密特反射望远镜针对北半球的天空进行观测，灵敏度达到人类肉眼视力极限的100万倍，其成果就是帕洛马巡天星图。——译注

[2] 作者所想的星系离我们很远，银河系在几亿年前发出的光现在才到达那里。——译注

[3] 光线使卤化银感光剂变成黑色的，所以星系在底片上的影像就是银形成的斑点。——译注

[4] 乔斯林·贝尔（1943—），英国天文学家。1967年7月，她在星表记录上发现了一个有规律的脉冲信号，该信号起初被人们认为是外星智慧生命发出的信息，后来被证实来自一颗脉冲星。这是20世纪最重要的天文学发现之一。——译注

[5] 渡渡鸟是毛里求斯岛上一种不会飞的鸟，于16世纪初被发现，不到200年时间里就因人类捕杀而灭绝。这是记载中第一种因人类活动而灭绝的物种，是最著名的已灭绝动物之一。——译注