圍繞“世界有什麼”“世界是如何變成這樣的”這兩個問題，2004年諾貝爾實體學獎得主維爾切克在《萬物原理》中，揭示了十項洞見，告訴人們可以從實體世界的研究中學到哪些最基本的原理——了解“發現它們”的思維方式，得到生活上的啟示。
維爾切克鼓勵人們以“重生嬰兒”的姿态重新認識物質世界。他先從空間、時間、物質的構成、萬物運動的規律、材料和能源、宇宙的演化、複雜性的出現、感覺能力的擴充八個方面介紹了人類已經取得的科學成就，對人工智能、神經生物學等多個領域的發展給出了自己的預測。
與此同時，維爾切克結合自己多年的研究經驗，建議人們以互補性的思維方式來看待身處的現實世界——我們從不同的角度思考同一個事物的時候，似乎會發現它同時具有不同的性質，甚至是互相沖突的性質。維爾切克表示：“這種态度讓我大開眼界、受益良多。它真的改變了我的思考方式，并且讓我變得更加強大：想象力更加開放，也更加兼收并蓄。”
以下内容經出版方授權節選自《萬物原理》一書，内容有删減，标題為摘編者所起。
原文作者丨[美]弗蘭克·維爾切克
摘編丨何也
《萬物原理》，[美]弗蘭克·維爾切克 著，柏江竹、高蘋 譯，中信出版集團，2022年1月。
宇宙是一個奇怪的地方。
對新生嬰兒來說，世界呈現出一堆雜亂而令人困惑的印象。在整理這些印象的過程中，一個嬰兒很快學會了區分來自内部世界和外部世界的資訊。内部世界既包括諸如饑餓、痛苦、幸福和困倦的感受，也包括夢中的陰曹地府。這其中也有來自内心的想法，這些想法引導着她凝視、抓取東西和随後學會說話。
外部世界是通過智力精心構造而成的。嬰兒要花大量時間來完成這一建構。她學會通過自己的感覺識别出穩定的模式，這些模式不像她自己的身體那樣可以對自己的想法做出可靠的反應。她把這些模式整合到物體中，并了解到這些物體的行為有某種可預測性。
最終，嬰兒長成小孩，開始意識到一些物體是和她自己相似的生物，而且她還可以與之交流。在和這些生物交換資訊之後，她确信他們也體驗到了内部和外部世界，而且重要的是她和其他生物認識到的許多物體都是相同的，這些物體都遵循相同的規律。
了解如何控制共同的外部世界，即實體世界，在許多方面當然是一個至關重要的實踐問題。例如，為了在狩獵采集的社會裡茁壯成長，小孩必須學會在何處找水，了解哪種植物和動物可以吃，以及如何尋找、養殖或捕獵它們，知道如何準備和烹饪食物，以及許多其他事實和技能。
在更複雜的社會裡，還會出現别的挑戰，例如如何制作專門的工具、如何修建耐用的結構，以及如何記錄時間。對于實體世界提出的問題，一代又一代的人發現了成功的解決方案，這些知識被不斷分享和積累，成為每個社會中的“技術”。
非科學的社會常常發展出豐富而複雜的技術。一些技術令人們得以在像北極或卡拉哈裡沙漠那樣的艱苦環境中繁衍發展，而且至今仍在發揮作用。還有一些技術幫助人們建造了巨大的城市和引人注目的紀念碑，例如埃及和中美洲的金字塔。
但是，在科學方法出現之前的絕大部分人類曆史中，技術的發展是沒有計劃的。成功技術的出現，多多少少都是出于偶然。一旦被偶然發現，它們就以非常具體的程式、儀式和傳統的形式被人們所傳承。它們并沒有形成邏輯體系，人們也沒有通過系統的工作來改進它們。
基于經驗法則的技術使得人們可以生存、繁衍并時常享受閑暇，過着令人滿意的生活。在大多數文化和曆史中，對大多數人來說，這就足夠了。人們無法知道他們錯過了什麼，也不會知道他們錯過的東西可能對他們很重要。
了解世界的現代方法出現在17世紀的歐洲
但是我們現在知道，他們錯過了很多。
了解世界的現代方法出現在17世紀的歐洲。早前，在其他地方也出現過科學誕生的先兆，但直到17世紀的歐洲，被稱作“科學革命”的一系列鼓舞人心的突破才真正說明了人類心靈創造性地參與到實體世界中能實作什麼，而且産生這些突破的方法和态度也為人類未來的探索提供了清晰的模型。有了這種推動力，我們所知的科學才真正開始。它再也沒有回頭。
17世紀，人們在多個前沿學科的理論上和技術上取得了令人激動的進步，包括機械裝置和輪船、光學儀器（包括意義重大的顯微鏡和望遠鏡）、鐘表和曆法等。一個直接的結果是，人們可以駕馭更大的力量，看見更多的東西，更可靠地規劃事情。但造就了所謂“科學革命”的獨特性，并使其名副其實的本質原因，卻不那麼直接可感。它是一種觀念上的改變：一顆新的雄心和一種新的自信。
電影《愛因斯坦與愛丁頓》（2008）劇照。
開普勒、伽利略和牛頓發展的科學方法既保有了尊重事實和向大自然學習的謙遜準則，但這種方法又提倡人們大膽地将所學的知識應用到任何地方，甚至超出了原始證據所在範圍。如果它有效，你就發現了有用的東西；如果它無效，你也學到了重要的東西。我将這種态度稱作“激進的保守主義”。對我來說，它是“科學革命”的本質創新。
激進的保守主義是保守的，因為它讓我們向大自然學習并尊重事實，這是科學方法的關鍵特征。但它也是激進的，因為它讓你拼命把所學到的一切知識外推到别的情況下。這正是科學實際運作的本質，它為科學提供了前沿。
這種新的觀念的靈感主要來自一個學科，這個學科甚至在17 世紀就已經有了深厚的傳統和良好的發展：天體力學，即描述天空中的物體如何運動的學科。
遠在有曆史記載之前，人們就已經意識到諸如日夜交替、四季循環、月相盈虧和星辰排列的規律。随着農業的興起，為了在最恰當的時間種植和豐收，記錄季節變得非常關鍵。精确觀測天體位置的另一個強大（但誤入歧途）的動機——占星學——來自人類生命與宇宙的節奏直接相連的信念。無論如何，出于各種原因（也包括單純的好奇），人們仔細地研究了天空。
結果表明，絕大多數星星都以一種合理簡單、可預測的方式運動。今天，我們将星星在我們眼中的運動解釋為地球繞自己的軸旋轉的結果。恒星距離我們太過遙遠，是以它們在距離上相對微小的改變對裸眼都不可見，無論改變來自它們自身的運動還是地球圍繞太陽的運動。然而一些例外的天體并不遵循這個模式，它們是太陽、月亮和一些“漫遊者”，包括裸眼可見的水星、金星、火星、木星和土星。
怎樣解決世界如何運作的宏大問題？
古代天文學家經過數代人的努力，記錄了這些特殊天體的位置，最終學會了如何比較精确地預測它們的變化。這項任務需要進行幾何學和三角學計算，遵循複雜但完全确定的方法。托勒密（約100—約170）把這些材料總結到一本叫作《至大論》（Almagest，又譯《天文學大成》）的數學著作中——Magest在希臘語中是最進階，意思“最偉大的”。它和英語中的majestic（意為“宏偉的”）有相同的詞根，Al隻是阿拉伯語中的定冠詞，類似于英語中的the。
托勒密的綜合論述是一個傑出的成就，但它有兩個缺點。一是它非常複雜，因而看上去十分醜陋。特别是，用來計算行星運動的方法引入了許多純粹由拟合計算和觀測得到的數字，卻沒有更深刻的指導性原則将它們聯系起來。哥白尼（1473—1543）注意到其中某些數字的值可以通過驚人的簡單方式互相聯系在一起。這些神秘的“巧合的”關系可以用幾何來解釋，前提是我們假設地球、金星、火星、木星和土星都以太陽為中心旋轉（月球進一步圍繞地球旋轉）。
托勒密的綜合論述的第二個缺點更加直接：它就是不精确。第谷·布拉赫（1546—1601）做了類似于今天的“大科學”的工作，設計了精密的儀器，花大量的錢修建了一座天文台，大大提高了對行星位置的觀測結果的精确度。新的觀測結果與托勒密的預言存在無可置疑的偏差。
約翰内斯·開普勒（1571—1630）想創造一個既簡單又精确的行星運動幾何模型。他吸收了哥白尼的想法，并對托勒密的模型做出了其他重要技術變革。尤其是，他允許圍繞太陽的行星軌道偏離簡單的圓形，代之以橢圓形，以太陽為一個焦點。他也允許行星圍繞太陽運轉的速率随它們與太陽的距離而變化，變化規律是它們在相同時間内掃過相同的面積。經過這些改革之後，這個系統簡單多了，也更準确了。
與此同時，把目光轉回地球表面，伽利略·伽利雷（1564—1642）仔細研究了簡單形式的運動，例如球如何滾下斜面和鐘擺如何擺動。這些對位置和時間計數的平凡研究看起來似乎完全不足以解決世界如何運作的宏大問題。對于伽利略那些關注宏大哲學問題的大多數學術同僚而言，這些問題看起來當然微不足道。但是伽利略渴望建立一種了解世界的新方式。他想要精确地了解某件事，而不是模糊地了解所有事。他要尋找确切的數學公式，以完全描述他平凡的觀察結果，而他最終也找到了。
解釋所有的自然規律是一個過于艱難的任務
艾薩克·牛頓（1643—1727）将開普勒的行星運動幾何學與伽利略對地球上運動的動力學描述結合在了一起。他證明開普勒的行星運動理論和伽利略的特殊運動理論都可以被了解為某種一般定律的特殊情況，這些一般定律适用于任何時間、任何地點的所有物體。這些一般定律現在被我們稱為經典力學的牛頓理論，它不斷取得成功，如解釋了地球潮汐、預測了彗星軌迹，以及創造了新的工程奇迹。
牛頓的工作令人信服地表明，我們可以通過詳細研究簡單情形來解決宏大問題。牛頓将這個方法稱為分析和綜合。它是科學的激進的保守主義的原型。
這是牛頓自己對這個方法的看法：
在自然哲學裡，和數學一樣，用分析方法研究困難的事物，應當總是先于綜合的方法。這種分析包括做實驗和觀察，并用歸納法從中引出普遍結論……用這樣的分析方法，我們就可以将複合物拆解為各個成分，從運動追溯到産生運動的力；一般地說，從結果到原因，從特殊原因到普遍原因，一直到論證終結于最普遍的情況。這就是分析的方法。而綜合的方法則假定原因已經找到，并且已被确立為原則，再用這些原則去解釋此前出現的現象，并證明這些解釋。
在我們介紹完牛頓之前，似乎适合再加上另一段引文，這段引文反映了牛頓與他的前輩伽利略和開普勒，以及與所有我們這些追随他們腳步的人之間的親緣關系：
對任何一個人甚至任何一個時代，要解釋所有的自然規律都是一個過于艱難的任務。是以最好做一點兒精确的工作，然後将剩下的留給後人。
電影《萬實體論》（2014）劇照。
現代資訊科學的先鋒之一約翰·R.皮爾斯（John R. Pierce）有一段時間上更為新近的引文，漂亮地抓住了現代科學對世界的了解方式與所有其他方法之間的明顯差異：
我們要求我們的理論能解釋非常廣泛的現象，且在細節上都和諧一緻。我們還堅持讓它們為我們提供有用的指引，而不僅僅是把觀察到的現象合理化。
皮爾斯深刻地意識到，提高這方面的标準要付出痛苦的代價。它意味着我們喪失了天真。“我們永遠無法像希臘哲學家那樣了解自然了……我們知道得太多了。”我認為，這個代價也不算太高。無論如何，開弓沒有回頭箭。
科學所揭示的實體世界的範圍，需要“重生”才能發現
不管是可見的宇宙還是人類的大腦，當我們說某種東西很大的時候，我們得問問：相較于何物？最自然的參照便是人類日常生活的範圍，這是我們自孩提時便建立的第一個世界模型的背景。而由科學所揭示的實體世界的範圍，則需要我們“重生”才能發現。
按照日常生活的标準，外在的世界浩瀚無垠。如果我們在晴朗的晚上仰望繁星點點的夜空，便能直覺到這種外在的豐富。我們無須做任何細緻的分析，便能感到宇宙之大遠遠超越了我們人類的身體以及可能旅行的距離。科學的了解不僅支援這種曠巨之感，而且進一步擴充了它。
世界的這個尺度會讓人感到不知所措。法國數學家、實體學家和宗教哲學家布萊茲·帕斯卡（1623—1662）便心懷此念并深受折磨。他寫道：“宇宙通過空間囊括了我，吞沒了我，使我猶如一個原子。”
這種類似于“寄蜉蝣于天地，渺滄海之一粟”的哀思是文學、哲學和神學中普遍的主題，它們出現在許多禱詞和聖歌中。當我們用尺寸來衡量的時候，這種哀思是人類對自身之于宇宙微不足道的自然反應。
然而尺寸并非全部。我們内在的豐富雖然不那麼顯而易見，但其深邃淵博較之于外在絲毫不遜。我們從另一個極端自下而上地思考事物，便會發現這一點。微觀世界有無垠的空間。在所有事關緊要之處，我們非常之大。
我們國小就學過，物質的基本結構單元是原子和分子。從這些單元來看，一個人的身體是巨大的。一個人的身體裡包含的原子數量大概是1028個——1後面跟了28 個0：10 000 000 000 000 000 000 000 000 000。
這個數字遠遠超過了我們可以設想的範圍。我們可以将其命名為“穰”，然後經過一些教學和練習，我們可以學會用它來計算。不過，由于我們絕無可能數到這麼大的數，它便壓倒了我們基于日常經驗的直覺。設想如此多個點遠遠超出了我們大腦的承載能力。
在明朗無月的夜晚，我們裸眼可見的恒星數量最多也就幾千顆。而另一方面，我們體内的原子總數有“一穰”，大概是整個可見宇宙中恒星數量的一百萬倍。在這個非常具體的意義上， 可以說有一個宇宙栖居于我們内部。
偉大的美國詩人沃爾特·惠特曼（1819—1892）本能地覺察到了我們内在之大。在他的《自我之歌》中，他寫道：“我心胸寬廣，包羅萬象。”惠特曼對内在之豐富的歡樂贊頌與帕斯卡對宇宙的羨慕一樣，都基于客觀事實，但前者與我們的實際體驗更息息相關。
世界很大，但我們并不小。更準确地說，無論尺度放大還是縮小，都存在豐富的空間。我們不應該僅僅因為宇宙之大就羨慕它。我們亦很大。确切來說，我們大到足以将整個外在宇宙置于思維之中。帕斯卡也從這種洞見中獲得了寬慰。在他發出“宇宙通過空間囊括了我，吞沒了我，使我猶如一個原子”的哀歎之後，他自我安慰地寫道：“通過思想，我囊括了整個宇宙。”
編輯丨劉亞光、羅東
導語部分校對丨趙琳