我们能从大众科学中学到真东西吗？

编译 高地雪

肖恩•卡罗尔（Sean Carroll）是业内最出色的科学家作者之一。他完全理解他所写的主题，也能在清晰地解释该主题时传递出迎合读者的权威感，可谓是作家的典范。这位物理学家将自己领域的概念用平实的白话写出来，让我这种缺乏专业背景的普通读者相信，我们能够理解时空和量子力学的出现，并在晚宴上把它们解释给朋友听。我确实做到了，而这要部分归功于卡罗尔的两本书：《大图景》（The Big Picture）和《隐藏的宇宙》（Something Deeply Hidden）。

卡罗尔有一个恰当的短语来概括他描述“世界深层本质”的方式，那就是“诗意的自然主义”。这个短语是他从诗人穆里尔•鲁凯瑟（Muriel Rukeyser）那里找来的，鲁凯瑟曾写道：“宇宙由故事构筑，而非原子组成。”现年55岁的卡罗尔曾在加州理工学院出任研究教授多年，如今是约翰霍普金斯大学的自然哲学教授。纵观他的整个职业生涯，他始终在讲述有关自然世界的故事，这些故事充满诗意，而这种诗意正源于其真实。

正因如此，卡罗尔的最新著作《宇宙宏念：空间、时间和运动》（The Biggest Ideas in the Universe: Space,Time, and Motion）是一本冲击之作。该书是三部曲中的第一部，它将宇宙的规律娓娓道来，以此挑战读者。这本书暴露出了在大众科学的表面下潜藏的一种焦虑，那就是，我们永远无法看清知识的全貌。为什么呢？因为我们错过了数学。在《宇宙宏念》一书中，卡罗尔着手纠正我们的错误知识。卡罗尔写道，你尽可以去读任何你喜欢的有关爱因斯坦广义相对论的文字，去读质量和能量如何导致时空弯曲，但只有当你理解相关方程，才能真正理解爱因斯坦的理论。

《宇宙宏念》一书的篇幅相对较短，但内容充实，因为卡罗尔在书中对相关方程的符号及其背后的概念给出了耐心而有说服力的解释。当然，对于像我这样没有数学背景的读者来说，理解这些内容是个挑战。不过，正如在我们最近的采访中沉着地解释的那样，卡罗尔对此并不气馁。他确信好读者总会出现，就算他们成不了下一届菲尔兹奖得主，也会皈依微积分。然而，这本新书最让我震惊的地方在于，它暗示着读者永远不可能仅仅通过大白话的文字把握世界的深层本质，这似乎与卡罗尔的诗意自然主义彼此矛盾。卡罗尔揭露了大众科学使命中的一个漏洞，而令人激动的是，我得以向他问及此事。

让我们首先谈谈《宇宙宏念》的第一句话吧：“我的梦想是生活在一个大多数人都对现代物理学知之甚深、充满热情的世界。”这是个非常令人钦佩的梦想，肖恩。

唔，我是一个专业的物理学家，但我也有着更广泛的知识兴趣。我有点嫉妒其他领域的人，不管是经济学、生物学还是历史学的学者，他们的成果都可以被非本学科的人深入地了解、讨论。但是物理学和数学中存在着一道壁垒。在和非专业人士谈论自身研究时，我们的表达总会受到某种限制，而这种限制在其他学科中并不存在。我的策略是硬着头皮教大家方程。

你写道：“你可以读书、听讲座、看视频、听播客。好消息是，我们确实拥有一个充满活力的（科普）资源生态系统，我们的确有可能学到很多内容，虽然它们或许杂七杂八、不成体系。但到最后，你会发现你学不到真东西。”什么才算真东西？

真东西是精确、严谨、清晰、明确的知识。在实践中，这意味着它以方程的形式出现。这还意味着，它既不是寓言，也不是类比。它的字面意思就是它的全部意思。

我的上一本书《隐藏的宇宙》讲的是量子力学和量子力学的多世界诠释。当你测量一个小量子系统时，不同的结果会在不同的宇宙里成为现实。对这种观点有各种各样的反对意见，也有各种各样的支持意见。有些反对意见完全说得通，我能明白其中的道理。我不认为它们足以彻底推翻多世界诠释，但我理解这些科学家为什么反对。

但对于其他反对意见，我只能说：“不，你没搞懂。”一种反对意见是：“能量来自哪里？当你创造出这么多的宇宙时，能量从何而来？”任何一个理解了相关方程的人都不会问出这个问题。如果你不理解这些方程，而只是在谈论意象、直觉和隐喻，那这个问题就无法解决。

例子不止这一个。比如诺特定理，它认为自然界的每个对称性都有着相应的守恒定律。你是怎么得到这些答案的？有一些东西在你了解相关数学原理的时候会显得清清楚楚、明明白白，但如果你不了解那些数学知识，就完全搞不懂它们。如果我不得不说出“闭嘴，好好看方程”这种话，我会感到内疚的。我从来不想那么做。我想要给出相应的解释。

当我读到像你这样优秀的科普作家的作品时，我能很好地理解那些物理学概念。但假如我不懂相关的数学知识，错过的是什么呢？

你错过的是文字的各种含义和内涵。我写过不讲方程的书。我完全赞成这样写。但不管什么时候，只要你用了类比，就会碰到问题，因为类比总会带来多余的衍生含义。有人说膨胀的宇宙就像一个表面画着小点的气球，那些小点就代表了星系。你可能会问：“它会膨胀成什么东西？”答案是它不会膨胀成任何东西。你可能会回答：“但是气球总要膨胀成什么东西。”不，气球只是个类比。“好吧，膨胀的是这些小点。这是否意味着星系会膨胀？”不，星系不会膨胀。所以，这就是我的意思：这个类比无法告诉你有关宇宙膨胀的真实信息。

针对数学的类比总是会失败吗？

如果我们试图给出的是完美的类比，那么没错，它总会失败。像宇宙膨胀或波函数坍缩这样的事情，根本没有理由能从我们的日常经验中找到类比。那是另一个领域，一个在数千年前语言诞生之时我们还全然不知的领域。

有时我谈到空间几何，我会说：“看，这是公式。它可以在任意维度下成立。不管空间是三维、四维，还是五维的，它都成立。如果你搞懂了这个方程，概念就清楚了。”如果你搞不懂这个方程，你怎么能想象出十维的时空？答案是你想象不出。你需要知道那个能告诉你时空如何表现的方程。

我承认，虽然你对那些符号和它们的含义给出了流畅的解释，在没有数学背景的情况下，我在理解《宇宙宏念》中的方程时还是很吃力。不过，我确实对物理学中的普遍原则如何确立有了很好的认识。无论在什么情况下，宇宙都有基本的行为——数学就是这么讲的。

很高兴听到你这么说。有很多例子可以说明这点。例如，当宇宙膨胀时，光发生红移。遥远的星系会发生红移。该理论在早期有一个名为“疲劳光理论”的竞争者，这个理论认为光只是变得“疲劳”了。不，并不是这样。你怎么知道呢？这里有一个方程能说明光的机制。根据相关方程，光可以自行传播。这才是光天然会做的事。

在科学领域，我们提出假设，随即试图建立一个符合数据的理论。我们输入数据，然后尝试着从中建立起一个模型。当我们像爱因斯坦那样成功做到这点时，得出的方程可比我们聪明多了。从一个成立的方程中可以推断出远超我们预期的内容。

爱因斯坦本人并不知道有宇宙大爆炸这回事，但他的方程知道。而这可真是太神奇了。这就是为什么，尽管我试图让物理学变得普适易读，它仍然是最令人惊叹的科学：我们在办公室里提出的这些小想法居然正确地描述了数十亿年前和数十亿光年之外发生的事情。之所以能有这种事，完全是因为那些方程。

那么，在我们触及宇宙的基本真理之前，我们是否需要理解数学的语言呢？

是的，我认为是需要的。但我要强调，这是一个连续体，而不是简单的“是”或“否”。当有人说到勾股定理，说到“勾长的平方加上股长的平方等于弦长的平方”，大多数人不需要花大功夫就能搞懂它。他们理解的。假如你看到一个直角三角形，三条边上写着勾、股、弦，弦是斜边，而你又知道“平方”是什么意思，知道“加”是什么意思，你就能轻松地理解它。从勾股定理到爱因斯坦方程之间的距离是难度上的差距，而不是种类上的差距。不同的人可以走过不同距离、攻克不同难度，但如果你假装这是个不可逾越的障碍，那你就错了。

我很喜欢你说的关于收获“真东西”的那番话。知识能加深我们对世界的理解和欣赏。我曾经和一位狼生物学家一起去蒙大拿州旅行，我始终记得她在森林里对我说过的一段话：“如果你不了解生态学，大自然在你眼中就只是风景。”你是说物理也是这样吗？你尽可以仰望夜空，心生敬畏。但除非你清楚自己究竟在看什么，否则它就只是风景。你同意这种说法吗？

我完全同意。我也有过类似的经历，不过当时同行的是地质学家，而非狼生物学家。如果你和地质学家一起翻山越岭，那是一种完全不同的体验。如果你和一位伟大的厨师共进晚餐，那也是一种完全不同的体验。如果你和一位作曲家或音乐学家一起去听音乐会，你会对演出有很深刻的理解。

我曾与作曲家和音乐学家一起参加过音乐会，听他们描述我们所听到的音乐是一种让人难以置信的体验。不过我也和另一些人去过音乐会，这类人不想听解释，只想亲自体验。

对。不是每个人都适合。而且，无论你有怎样的雄心壮志，没有任何一个人可以在所有领域都成为专家。所以希望每个人都有一些能从中获得“肤浅”快乐的爱好。我对古典音乐的爱好就是“肤浅”的。我对它没有深刻的理解，但我喜欢它。我对爵士乐的理解稍深一些，但我没办法告诉你某人在独奏时用了哪种即兴创作的模式。但这没关系。

但在我自己的专业领域，毫无疑问，所获快乐的性质是不同的。所以我一直在强调方程。在某种程度上，我反复强调这些方程是为了让人们在拿到《宇宙宏念》时不会觉得自己上当了。这里面就是有很多方程，我没有隐瞒这个事实。但是我非常努力地解释了它们背后的原理。我不是简单地说“这就是微分”，而是告诉你，物理学在拉普拉斯范式下是这样运作的：你知道了所有事物的位置和速度，就可以预测未来。为什么你能从事物的位置和速度中预测出未来呢？这是一件你可以搞懂的事情。

我不是坚持让每个人都成为物理专家。我试图做的是为那些不想成为专业物理学家、但又想更好地理解物理现象的人打开一扇门。我不认为在物理学家和非物理学家之间该有这样一堵坚硬、牢固的墙。

不是所有科学家都同意这点，对吧？尽管我从事的是科普工作，我仍然尊重那些想留在实验室里专心科研、不认为有必要向普通公众解释自身研究的科学家。你遇到过这样的科学家吗？

当然。

你会对他们说什么？

我的态度始终如一。我不认为每位科学家都有义务向更广阔的世界解释自己，但我确实认为每个科学领域都有责任向更广阔的世界解释自己。对于那些不想亲自做这件事的人，我完全没有意见，但对那些有同僚做了这件事、却轻视他们的人，我是很有意见的。假如他们不想亲自和公众对话，却有其他人想做这事，他们应该非常感激才是。这给他们减轻了很大的负担。

像我所在的物理学领域，我们考虑的是暗物质和宇宙的诞生，它们无法得到实际的、技术或经济层面的应用。我们研究它的唯一理由只是因为人类是好奇的生物，我们想要搞懂它。如果我们埋头研究、搞懂了某些事情，却不告诉任何人，那还有什么意义？社会为什么要支持我们呢？所以我认为努力向公众解释我们正在做的事情是非常有价值的。

在你的职业生涯中是否经历过转折性的时刻，就是说，你在那一刻突然意识到你想向人们解释物理学？

没有吧。我一直都想跟人们解释物理学。严格说来，我是个物理学家，但也是个哲学家。我如今的工作更多的在于思考、理解、分享和学习，而不止于钻研物理学科本身。我在物理学领域一直以来的乐趣不仅仅是理解新事物，还包括谈论它们、向其他人解释它们，以及在别人给出好解释时去理解、欣赏它们。你知道米斯纳（Misner）、索恩（Thorne）和惠勒（Wheeler）合写的那本著名的广义相对论教材《引力论》（Gravitation）的题献页吗？

不，我不知道。

我刚在这里——我的新办公室里——把它拆开。它有1 000页，江湖人称“电话本”。这是它的题献：“我们把这本书献给我们的公民同胞，他们出于对真理的热爱，节衣缩食、付出捐税、馈赠礼品，还不时派出他们中的成员作为献身的仆从，来推进这项探索——探索我们的家园，这奇异而美丽的宇宙，揭开它的奥秘，探明它的神妙至简。”

所以就是这么回事。我们得到了社会的支持。我们做的不是把食物放到桌子上之类的事情。但是一个健康的社会有足够的资源来供养一些音乐家、艺术家和科学家。有些科学家可以带来直接的、可见的、经济层面的收益。另一些科学家则不行。我们中的某些人更接近音乐家和艺术家。所以我们作为一个学科整体必须回馈社会。这是我们事业中绝对的核心部分。

你是一个伟大的科学卫士，公开反对伪科学论者、智能设计者，等等。在某些比较愤世嫉俗的时刻，我会想，你何必费这些力气呢？

确实有很多人的思维已经固化了。与之相关性最强的因素是年纪：他们多大岁数了？对于超过一定岁数的人，他们已经听不进你的话了。但你确实能说动年轻人。他们还没有僵化。我不认为自己是个传教士或辩论手。我只是想帮助人们理解，让他们自己做决定。好消息是，一旦你这么做了，他们通常会被引向有益的方向。

科学和宗教是否如史蒂芬•古尔德（Stephen Gould）所认为的那样，是“互不重叠的权威”？

我完全不认可“互不重叠的权威”这个理论。我认为这两个领域是高度重叠的。世界由什么构成、如何运作、有什么目的——看待世界和上述相关问题的方式中，有许多都同时属于科学、宗教和精神领域。它们在某些地方重叠，在另一些地方则不然。宗教是一套更为全面的观念，涉及道德、社会和行为，但科学对这些方面只字不提。可是宗教也讨论现实的本质，而科学对此也有自己的看法。

科学和宗教具体在哪些地方重叠呢？

宇宙为什么存在？为什么世界常有，而非常无？一个科学角度、甚至是现代哲学角度的答案可能会是“这个问题不需要任何答案”。但宗教的论点不会这样告诉你。它们会说“不，我们需要一个解释”。根据莱布尼茨等人的理论，我们必须遵从充足理由律。总之，它们很不一样。

我告诉我的同事这些是因为，现代物理学家和哲学家对宗教保持沉默是件很奇怪的事，尤其是那些研究基础形而上学、本体论、量子力学或时空的物理学家和哲学家。正如我所说，在这些领域，我们所做的并非制造出更好用的智能手机。我们并非在治愈癌症。我们与大众的日常生活在哪里重叠？在现实的本质，也在以下这个事实：这个世界作为一个没有任何超自然存在支持的、遵循规律的系统运转自如。当你理解了科学，你就更容易理解自然选择或是宇宙大爆炸的起源。而这可能会影响你对上帝存在之必要性的看法。

谁是物理学界第一位优秀的科普作家？

我们的情况很特殊，物理学早期的科普先驱之一名叫伽利略。我的意思是，伟大的通俗物理学写作是物理学的发明，而伽利略真的很擅长这个。甚至爱因斯坦也很擅长解释事情。再后来，涌现了理查德•费曼（Richard Feynman）、乔治•伽莫夫（George Gamow），以及卡尔•萨根（Carl Sagan）这样的人，不过萨根的风格不太一样。所以我们一直有这个传统。我们不需要“发明”它，但我们确实需要提醒自己，这种传统很重要，它需要被重新发现、理解。

大众科学的问题出在哪里？

它的问题和任何与流行或是媒体相关的东西一样，在于它会耸人听闻。它希望一切都是最新的、最厉害的。互联网的出现改变了世界。但在过去，如果你想写一些有助于解释某个概念的内容，你需要一个新闻做引子起头，然后再解释。除非发生了什么新鲜事，否则怎么会有人关心科学呢？但要我说，即便最近什么都没发生，相对论仍然是正确的。

存在着这样一个“生态系统”，身处其中的研究人员希望得到关注。他们想得到补助金。他们所在的大学里有媒体关系部门。他们想夸大自己的研究。自然，记者必须对专家的说法有一定程度的信任。但是你也必须找到未参与这项研究的人核对信息，你必须认真对待他们的警告。

我是科学写作和科学新闻的忠实信徒。正如我所说的，我不认为每个科学家都应该致力于科普工作。我认为有些人应该这么做，但是几乎每个科学家都有一些手头正在做的有趣工作。

因此，优秀的记者有很多事情要做，他们要思考科学家们手头的工作有趣在哪里，而不仅仅是关注那些最有魅力的科学家正参与的研究。他们必须让这项研究变得可解释、可理解，并在一定程度上讲述一个“与人相关的故事”。我非常相信以人为本的故事。人类、人性应该得到强调。

但你必须权衡。如果只有人本故事，那就违背了科普的目的。在科学新闻中有一些名人新闻所没有的额外内容。科学新闻的另一个特别之处在于科学家能够解释某些事，而记者或作者的工作在于翻译这些解释。正如我们之前所说，这种翻译通常会涉及类比或推断，因此也有可能出错。所以，对我来说，相比政治新闻或者名人新闻，科学新闻更加需要反复对话。

我记得第一次有记者写我的成果时，我还是个研究生。当时，我在研究的项目主题是“可否在简化的三维时空中建造时间机器”。记者采访了我们，并正确地理解了我们的研究。在文章的某个地方，他们提到了一个封闭的宇宙。编辑在试图解释时，补充了一句话：“一个封闭的宇宙是一个会膨胀然后坍缩的宇宙。”但在三维时空中事实并非如此；在四维时空中才会这样。他们在把这句话放进去之前没有和科学家确认。

记者是写作和解释的专家。科学家是做科学研究的专家。因此，他们之间需要以一种不同于经济学或政治学报道的方式进行团队合作。

然而，我们不能一味地相信你的话。正如你所说，我们必须和其他科学家验证你说的内容，甚至去找到和你观点相反的证据，并自行判断如何最完善地告知读者。

所以你才能赚到那么多稿费嘛。

资料来源 Nautilus